蘭渝鐵路木寨嶺隧道嶺脊核心段擴(kuò)拆技術(shù)

葉康慨

(中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450003)

0 引言

隨著我國(guó)“一帶一路”倡議的提出，隧道及地下工程領(lǐng)域迎來(lái)了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。我國(guó)西部地區(qū)隧道施工過(guò)程中面臨著復(fù)雜、惡劣的地質(zhì)條件，其中高地應(yīng)力和軟巖變形問(wèn)題尤為突出，這些地質(zhì)災(zāi)害不僅影響著施工進(jìn)度和工程施工質(zhì)量，同時(shí)還危及人員和設(shè)備安全[1]。

很多學(xué)者和專家對(duì)高地應(yīng)力區(qū)隧道變形的規(guī)律、機(jī)制、力學(xué)特征以及控制和施工技術(shù)進(jìn)行了研究。如：文獻(xiàn)[2-4]研究了隧道施工過(guò)程中變形控制技術(shù)； 文獻(xiàn)[5]利用圍巖變形監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，找出變形規(guī)律，及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)。巖體開(kāi)挖后受擾動(dòng)而產(chǎn)生應(yīng)力重分布的過(guò)程極其復(fù)雜,尤其是在不良地質(zhì)環(huán)境下。對(duì)于地質(zhì)條件差、地應(yīng)力為高—極高的軟弱圍巖,其結(jié)構(gòu)受力大小與受力特征對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全尤為重要[6]。高地應(yīng)力隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖將產(chǎn)生較大塑性區(qū),在拱肩及拱底部位發(fā)展最快,仰拱封閉是變形控制的關(guān)鍵點(diǎn)[7]。由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性、多樣性和多變性，針對(duì)高地應(yīng)力軟巖變形機(jī)制進(jìn)行研究對(duì)提前調(diào)整和控制隧道變形有很大意義[8]，而對(duì)已經(jīng)嚴(yán)重破壞的隧道結(jié)構(gòu)的大變形治理的研究較少。本文以木寨嶺嶺脊核心段隧道擴(kuò)拆施工為例，結(jié)合對(duì)高地應(yīng)力軟巖變形的研究，分析隧道擠壓變形破壞和流變現(xiàn)象的特征和機(jī)制，提出洞碴回填機(jī)械開(kāi)挖法的擴(kuò)拆施工技術(shù)。

1 工程概況

新建蘭(蘭州)—渝(重慶)鐵路木寨嶺隧道設(shè)計(jì)為雙洞單線分離式特長(zhǎng)隧道，全長(zhǎng)19.1 km。隧道穿越地層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，通過(guò)包括區(qū)域性大斷裂F2在內(nèi)的共11條大斷裂、3個(gè)背斜和2個(gè)向斜構(gòu)造，屬高地應(yīng)力區(qū)。隧道洞身穿越的板巖及炭質(zhì)板巖區(qū)占全隧的46.53%； 穿越的斷層、偏壓、滑層、泥石流等特殊不良地質(zhì)段總計(jì)長(zhǎng)約16.1 km，占隧道長(zhǎng)度的84.29%。

木寨嶺隧道洞身板巖及炭質(zhì)板巖圍巖強(qiáng)度為0.26～5 MPa，勘測(cè)最大水平主應(yīng)力為10.5～27.16 MPa，圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比為0.01～3，屬極高地應(yīng)力軟弱圍巖區(qū)域。隧道走向N55°～60°W，地應(yīng)力方向?yàn)?N30°～40°E，水平主應(yīng)力與隧道走向夾角小。

根據(jù)圍巖類別及地應(yīng)力分布情況將木寨嶺隧道高地應(yīng)力軟巖段分為3部分，分別為一般段、嶺脊一般段、嶺脊核心段，如圖1所示。一般段強(qiáng)度應(yīng)力比為1～3，累計(jì)收斂平均為500 mm。嶺脊一般段強(qiáng)度應(yīng)力比為0.2～0.6，累計(jì)收斂平均為700 mm。嶺脊核心段強(qiáng)度應(yīng)力比為0.01～0.2，累計(jì)收斂大部分集中在1 500～2 000 mm，最大收斂達(dá)4 306 mm。

圖1 木寨嶺隧道段落劃分Fig. 1 Sectioning of Muzhailing Tunnel

2 嶺脊核心段襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)裂

2.1 開(kāi)裂情況

木寨嶺隧道進(jìn)入嶺脊核心地段以后，擠壓變形更為顯著，具有明顯的流變現(xiàn)象，二次襯砌大面積出現(xiàn)開(kāi)裂(見(jiàn)圖2)，結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重的破壞。嶺脊核心段單線長(zhǎng)1 000 m，左右線合計(jì)2 000 m，施工后二次襯砌開(kāi)裂擴(kuò)拆處理共計(jì)1 054 m，擴(kuò)拆段長(zhǎng)度占比為52.7%。

2.2 流變現(xiàn)象

隧道開(kāi)挖后，在隧道周邊形成塑性圈，受偏壓應(yīng)力的影響，巖體發(fā)生蠕變，從有限蠕變到對(duì)數(shù)蠕變?cè)俚狡茐娜渥?。破壞蠕變時(shí)偏壓應(yīng)力大于巖石可抗應(yīng)力，發(fā)生典型的應(yīng)力擴(kuò)容顯現(xiàn)，巖體所承受的應(yīng)力隨時(shí)間的推移減小，應(yīng)變逐步增加，形成流變現(xiàn)象[9]。發(fā)生流變后的圍巖塑性圈半徑不斷增大，圍巖的變形破壞逐漸從淺部向深部發(fā)展。木寨嶺隧道襯砌大面積的開(kāi)裂大部分發(fā)生在襯砌施作后半年左右，局部地段在襯砌施作3年后出現(xiàn)開(kāi)裂，流變現(xiàn)象明顯。

圖2 襯砌開(kāi)裂Fig. 2 Lining crack

在初期支護(hù)及二次襯砌結(jié)構(gòu)相同的情況下，若短時(shí)間內(nèi)發(fā)生流變現(xiàn)象，說(shuō)明重新分布的圍巖應(yīng)力大于支護(hù)及圍巖的極限強(qiáng)度，發(fā)生破壞式蠕變現(xiàn)象，塑性圈?。?若長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)流變，說(shuō)明一段時(shí)間內(nèi)重新分布的圍巖應(yīng)力小于支護(hù)及圍巖的極限強(qiáng)度，發(fā)生的是塑性蠕變現(xiàn)象，無(wú)破壞發(fā)生，但隨著塑性圈的增大，給支護(hù)結(jié)構(gòu)帶來(lái)更多的支撐荷載，極易造成重新組合的地應(yīng)力大于支護(hù)及圍巖強(qiáng)度，發(fā)生明顯流變[10-12]。

2.3 開(kāi)裂原因

嶺脊核心段埋深約500～600 m，發(fā)育有2條斷層，巖體極其破碎，處于“特極高地應(yīng)力”狀態(tài)，在高地應(yīng)力作用下，板巖及炭質(zhì)板巖段易發(fā)生擠壓性大變形，變形量大、變形速率高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、難以穩(wěn)定，具有明顯的流變現(xiàn)象。因此，特殊復(fù)雜的高地應(yīng)力環(huán)境是導(dǎo)致襯砌裂損的主要原因[13]。

3 擴(kuò)拆技術(shù)

鑒于嶺脊核心段采用原設(shè)計(jì)支護(hù)的隧道二次襯砌已經(jīng)開(kāi)裂，基本喪失承載能力，需要拆除重新施作。根據(jù)支護(hù)參數(shù)、隧道開(kāi)裂和變形監(jiān)測(cè)情況，并結(jié)合以往隧道大變形施工經(jīng)驗(yàn)，將嶺脊核心段二次襯砌開(kāi)裂段落的初期支護(hù)及原來(lái)的二次襯砌同時(shí)拆除，進(jìn)行擴(kuò)挖施工。襯砌開(kāi)裂段處理的具體措施有： 原有二次襯砌及初期支護(hù)拆除前采用套拱和圍巖徑向注漿加固，拆除后重新支護(hù)并采取加強(qiáng)支護(hù)剛度、優(yōu)化隧道斷面結(jié)構(gòu)、嚴(yán)格控制各工序施工步距、調(diào)整隧道變形預(yù)留量等措施。

3.1 套拱加固

為確保施工安全，在開(kāi)裂段采取設(shè)置內(nèi)側(cè)套拱等措施進(jìn)行安全防護(hù)及結(jié)構(gòu)臨時(shí)加固。采用H175型鋼、間距1榀/m在拱墻內(nèi)側(cè)架設(shè)臨時(shí)套拱加固，鋼架間采用φ22鋼筋縱向連接，如圖3所示。

圖3 襯砌開(kāi)裂段型鋼加固Fig. 3 Shaped steel reinforcement in lining crack section

為防止裂損區(qū)在擴(kuò)拆時(shí)繼續(xù)向兩側(cè)延伸，在保留區(qū)端頭與擴(kuò)拆段相鄰位置設(shè)置不少于3榀I20b型鋼鋼架鎖口，間距0.5 m。鋼架間采用φ22鋼筋縱向連接，噴射C30混凝土填充，如圖4所示。

圖4 襯砌保留區(qū)套拱加固Fig. 4 Cover arch reinforcement in lining reserved section

拆除段附近的斜井口或通道口采用I20b、間距0.5 m的型鋼鋼架進(jìn)行鎖口，鋼架之間采用C30噴射混凝土填充。鎖口設(shè)置長(zhǎng)度不小于5 m。

3.2 圍巖徑向加固

二次襯砌拆除前在拱墻位置設(shè)置φ42鋼花管進(jìn)行徑向注漿加固，鋼花管長(zhǎng)4 m，間距1.5 m×1.5 m。注漿采用普通水泥單液漿，水灰比為1∶1，注漿指標(biāo)采用定壓控制，注漿終壓為1.5 MPa。當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)終壓并繼續(xù)注漿10 min以上，單孔進(jìn)漿量小于20 L/min，檢查孔涌水量小于0.2 L/min，停止單孔注漿。所有注漿孔均已符合單孔結(jié)束條件，無(wú)漏漿現(xiàn)象，注漿后段內(nèi)涌水量不大于5 m3/(m·d)，進(jìn)行壓水實(shí)驗(yàn)，在1.0 MPa壓力下，進(jìn)水量小于2 L/(m·min)，結(jié)束本循環(huán)注漿。

3.3 加強(qiáng)支護(hù)剛度

襯砌開(kāi)裂意味著原有的支護(hù)剛度不夠，需要加強(qiáng)支護(hù)剛度，增大預(yù)留變形量，確保后期結(jié)構(gòu)不開(kāi)裂。加強(qiáng)的支護(hù)措施如下。

1)超前支護(hù)： 拱部120°范圍設(shè)φ42超前注漿小導(dǎo)管，長(zhǎng)3.0 m，環(huán)向間距0.4 m，縱向每2榀鋼架施作1個(gè)循環(huán)。

2)第1層支護(hù)： C30噴射混凝土厚33 cm，預(yù)留變形量40～50 cm，全環(huán)采用H175型鋼鋼架，間距0.7 m/榀； 鋼架間設(shè)置φ22連接筋，每榀鋼架設(shè)置12根長(zhǎng)4 m的φ42鎖腳錨管。

3)第2層支護(hù)： C30噴射混凝土厚25～40 cm，預(yù)留變形量40 cm，全環(huán)采用H175型鋼鋼架，間距0.7 m/榀； 鋼架間設(shè)置φ22連接筋，每榀鋼架設(shè)置8根長(zhǎng)1.5 m的φ42鎖腳錨管。

4)長(zhǎng)錨桿加固： 兩側(cè)邊墻設(shè)8 m長(zhǎng)的R38N自進(jìn)式錨桿鎖固，每側(cè)邊墻設(shè)置5根，縱向間距0.7 m，配合鋼架施工。

5)仰拱桁架： 采用H175型鋼設(shè)置仰拱桁架，縱向間距1.4 m/榀，縱向連接采用H175型鋼，間距3 m。桁架上梁位于仰拱填充頂面下20 cm處。

6)第3層支護(hù)： 全環(huán)采用C30鋼筋噴射混凝土，厚40 cm，預(yù)留變形量0～15 cm。鋼筋環(huán)向采用φ22主筋，間距20 cm；φ14縱向筋，間距25 cm；φ8箍筋，間距25 cm。

7)二次襯砌： 拱墻設(shè)置緩沖層代替土工布結(jié)構(gòu)，置于防水板外側(cè)，與初期支護(hù)密貼，緩沖結(jié)構(gòu)采用高密度閉孔橡塑海綿板，厚6 cm，密度不小于200 kg/m3。全環(huán)C35鋼筋混凝土，厚70 cm。襯砌鋼筋環(huán)向采用φ25主筋，間距20 cm，間隔雙筋布置；φ4縱向筋，間距25 cm；φ8箍筋，間距25 cm。

3.4 優(yōu)化隧道斷面結(jié)構(gòu)

擴(kuò)拆前為馬蹄形斷面(見(jiàn)圖5)，擴(kuò)拆后采用圓形隧道斷面(見(jiàn)圖6)，將襯砌周邊的不均勻受力以及側(cè)壓力進(jìn)行分散，減少作用在結(jié)構(gòu)上的剪切應(yīng)力。

圖5 擴(kuò)拆前隧道結(jié)構(gòu)斷面(單位： cm)

Fig. 5 Tunnel cross-section before dismantling and enlarging(unit: cm)

圖6 優(yōu)化后的隧道結(jié)構(gòu)斷面(單位： cm)Fig. 6 Tunnel cross-section after optimization (unit: cm)

3.5 嚴(yán)格控制各工序施工步距

擴(kuò)拆施工時(shí)，嚴(yán)格控制第1層支護(hù)、第2層支護(hù)、中上臺(tái)階長(zhǎng)錨桿、仰拱、第3層支護(hù)、二次襯砌等工序的施工步距，避免因圍巖變形導(dǎo)致支護(hù)在施工過(guò)程中失效。上臺(tái)階步距不大于5 m，中臺(tái)階步距不大于7 m，仰拱至下臺(tái)階步距控制為15～20 m，第3層支護(hù)距離仰拱不大于20 m，二次襯砌距離第3層支護(hù)不大于20 m。

3.6 調(diào)整隧道預(yù)留變形量

擴(kuò)拆施工前，分段統(tǒng)計(jì)圍巖變形情況和地質(zhì)情況，根據(jù)開(kāi)裂段落前期變形情況及圍巖情況調(diào)整隧道開(kāi)挖預(yù)留變形量。 若前期累計(jì)變形在1 000 mm以內(nèi)，按前期累計(jì)變形量的65%～85%進(jìn)行考慮，即后期預(yù)留變形量控制在650～850 mm； 若前期累計(jì)變形為1 000～1 500 mm，按前期累計(jì)變形量的55%～70%進(jìn)行考慮，即后期預(yù)留變形量控制在825～1 050 mm。

4 擴(kuò)拆方法

4.1 擴(kuò)拆施工方法選擇

隧道擴(kuò)拆施工過(guò)程先后采取了臺(tái)架法和洞碴回填機(jī)械開(kāi)挖法。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)摸索，最終采用洞碴回填機(jī)械開(kāi)挖法實(shí)現(xiàn)了隧道擴(kuò)拆的安全以及快速施工。

4.1.1 臺(tái)架法擴(kuò)拆

施工前期，襯砌開(kāi)裂段處于正常施工的主干道上，擴(kuò)拆施工采用臺(tái)架法，分上中下3個(gè)臺(tái)階，上臺(tái)階高4.08 m，中臺(tái)階高3.85 m，下臺(tái)階高3.85 m。開(kāi)挖采用弱爆破，爆破完成后立即清理碴體，梳通道路。采用該方法施工對(duì)圍巖擾動(dòng)較大，容易造成圍巖局部垮塌甚至塌方。施工過(guò)程作業(yè)面狹小，施工安全得不到保障。上臺(tái)階擴(kuò)挖后拱架拱腳無(wú)穩(wěn)固支撐點(diǎn)，造成圍巖變形加劇，容易造成隧道初期支護(hù)侵限。施工時(shí)，作業(yè)條件差，施工進(jìn)度緩慢。

4.1.2 洞碴回填機(jī)械開(kāi)挖法施工

為確保安全、防止溜坍、減小變形、杜絕拆換、加快進(jìn)度以及穩(wěn)固結(jié)構(gòu)，在前方施工完成后，在襯砌開(kāi)裂段采用洞碴進(jìn)行回填，形成三臺(tái)階法施工。上臺(tái)階高度控制在3.5 m以內(nèi)，中下臺(tái)階高度均控制在4.5 m。中下部基腳由回填碴體形成穩(wěn)固基礎(chǔ)。采用機(jī)械液壓破碎錘進(jìn)行擴(kuò)拆施工，破碎后采用人工手持風(fēng)鎬修整到擴(kuò)拆設(shè)計(jì)斷面。作業(yè)時(shí)由專人在作業(yè)面指揮，避免機(jī)械作業(yè)過(guò)程中碰撞已支護(hù)好的初期支護(hù)，減少擴(kuò)拆施工對(duì)周邊圍巖的擾動(dòng)。

4.2 洞碴回填機(jī)械開(kāi)挖法擴(kuò)拆工藝

木寨嶺隧道襯砌開(kāi)裂及其影響段共擴(kuò)拆1 054 m，其中906 m主要集中在單層及雙層初期支護(hù)段，小部分(148 m)在第3層初期支護(hù)段。原有襯砌結(jié)構(gòu)斷面尺寸小、剛度低，擴(kuò)拆后的斷面尺寸加大、剛度加強(qiáng)，高程相差2.7 m，因此需要設(shè)置漸變段逐步擴(kuò)拆成型，并在擴(kuò)拆段與非擴(kuò)拆段間設(shè)置30 m寬隔離帶，隔離帶需斷開(kāi)原有襯砌結(jié)構(gòu)。

4.2.1 漸變段施工

4.2.1.1 施工步驟

第1步在擬定開(kāi)口位置回填碴土形成作業(yè)平臺(tái)；

第2步在距離隔離帶位置3.5 m處進(jìn)行開(kāi)口，先拆除2 m二次襯砌，再進(jìn)行初期支護(hù)擴(kuò)拆工作，設(shè)置5榀拱架,由原來(lái)的馬蹄形斷面漸變?yōu)閳A形斷面；

第3步正常斷面上臺(tái)階長(zhǎng)度達(dá)到5 m時(shí)開(kāi)始同步推進(jìn)上、中臺(tái)階擴(kuò)拆施工，達(dá)到15 m時(shí)停止正向擴(kuò)拆,施作上、中臺(tái)階第2層支護(hù)；

第4步反向擴(kuò)拆漸變段及預(yù)留段至擴(kuò)拆起點(diǎn)(上中臺(tái)階同步推進(jìn))；

第5步從起點(diǎn)開(kāi)始擴(kuò)拆下臺(tái)階，至距離中臺(tái)階7 m后形成正常三臺(tái)階擴(kuò)拆施工。

4.2.1.2 開(kāi)口段縱斷面

如圖7所示。

圖7 開(kāi)口段縱斷面示意圖(單位： m)Fig. 7 Longitudinal profile of tunnel open section (unit: m)

4.2.1.3 漸變段施工注意事項(xiàng)

開(kāi)裂二次襯砌一次破除長(zhǎng)度不大于2 m，且原有二次襯砌及初期支護(hù)拆除時(shí)應(yīng)將初期支護(hù)連接鋼筋等一次切斷，避免拆除時(shí)對(duì)相鄰段結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

4.2.2 正常斷面段施工

4.2.2.1 工藝流程

開(kāi)口段施工完成后可形成正常的三臺(tái)階法施工，施工工藝流程如圖8所示，擴(kuò)拆步距如圖9所示。

4.2.2.2 關(guān)鍵技術(shù)

1)臺(tái)階形成。上臺(tái)階利用原有襯砌作為臺(tái)階支撐，上臺(tái)階長(zhǎng)5 m，支撐臺(tái)階長(zhǎng)3 m，中下臺(tái)階利用回填的碴體形成，分部分側(cè)作業(yè)。上臺(tái)階高3.5 m，中下臺(tái)階高控制在4.5 m以內(nèi)。

2)開(kāi)挖作業(yè)。上循環(huán)噴漿支護(hù)完成后，采用液壓破碎錘對(duì)上中下3臺(tái)階原有襯砌及初期支護(hù)混凝土進(jìn)行拆除。上臺(tái)階滯后掌子面3 m，每循環(huán)進(jìn)尺不大于1榀拱架間距； 中下臺(tái)階左右側(cè)錯(cuò)開(kāi)2榀拱架間距進(jìn)行施工，每次只能破除單側(cè)，進(jìn)尺不大于2榀拱架間距。人工進(jìn)行鋼筋及拱架割除，鋼筋及拱架割除后，由上到下分臺(tái)階擴(kuò)挖圍巖至擴(kuò)拆設(shè)計(jì)斷面。

圖8 正常斷面段擴(kuò)拆施工工藝圖Fig. 8 Dismantling and enlarging construction process

圖9 洞碴回填機(jī)械開(kāi)挖法擴(kuò)拆步距示意圖(單位： m)Fig. 9 Construction step of muck backfilling with mechanical excavation method (unit: m)

3)支護(hù)作業(yè)。上中臺(tái)階第1層支護(hù)施工4榀拱架后，暫停掌子面施工，在中臺(tái)階同步施工上中臺(tái)階第2層支護(hù)。上中臺(tái)階第2層支護(hù)拱架完成4榀施工后進(jìn)行上中臺(tái)階長(zhǎng)錨桿施工。

4)襯砌作業(yè)。支護(hù)7 d平均變形速率小于1 mm/d時(shí)進(jìn)行二次襯砌施工。

5 擴(kuò)拆施工組織

5.1 擴(kuò)拆施工進(jìn)度指標(biāo)

5.1.1 各工序施工時(shí)間

如表1所示。月進(jìn)度指標(biāo)為25 m。

表1 各工序施工時(shí)間Table 1 Construction schedule of each process

5.1.2 隧道襯砌滯后開(kāi)挖的最終時(shí)間

上臺(tái)階施工完成后，中臺(tái)階施工滯后上臺(tái)階施工5 d，下臺(tái)階施工滯后中臺(tái)階施工5 d，仰拱施工滯后下臺(tái)階施工20 d，第3層支護(hù)施工滯后仰拱施工10 d，二次襯砌施工滯后第3層支護(hù)施工25 d，即隧道上臺(tái)階貫通后65 d內(nèi)完成隧道襯砌施工。

5.2 人員、設(shè)備配置

5.2.1 人員配置

施工班組人員配置如表2所示。

表2 施工班組人員統(tǒng)計(jì)Table 2 Labor statistic of each construction team

5.2.2 設(shè)備配置

主要設(shè)備配備如表3所示。

表3 主要機(jī)械設(shè)備配置表Table 3 Main equipment configuration

5.3 施工對(duì)比及關(guān)鍵問(wèn)題

5.3.1 施工效率對(duì)比

根據(jù)鐵路隧道施工規(guī)范，Ⅴ級(jí)圍巖隧道采用單層初期支護(hù)時(shí)，若無(wú)變形正常施工月進(jìn)度為50 m，若出現(xiàn)變形需要進(jìn)行拆換施工月進(jìn)度不大于20 m。木寨嶺隧道嶺脊段擴(kuò)拆施工利用碴體形成三臺(tái)階，在中臺(tái)階提前施作第2層支護(hù)及長(zhǎng)錨桿系統(tǒng)，將下臺(tái)階第2層支護(hù)及長(zhǎng)錨桿系統(tǒng)與上中臺(tái)階第1層支護(hù)同步施工，仰拱、第3層支護(hù)以及二次襯砌同步施工，實(shí)現(xiàn)了高效，控制了變形，保障了施工安全，月進(jìn)度達(dá)到了25 m。臺(tái)架法拆除是單工序作業(yè)，圍巖變形不可控，施工安全難以保障，施工進(jìn)度指標(biāo)不大于15 m/月。相比之下，對(duì)于大變形的處理采用回填法擴(kuò)拆施工技術(shù)，效率提高了45%～65%。

5.3.2 關(guān)鍵問(wèn)題

開(kāi)挖支護(hù)需要實(shí)行同步，出碴是關(guān)鍵； 進(jìn)度要穩(wěn)定，仰拱是關(guān)鍵； 支護(hù)要穩(wěn)定，第3層支護(hù)是關(guān)鍵。

施工過(guò)程中，長(zhǎng)錨桿是單獨(dú)耗時(shí)，在控變形上起到了一定的作用。若取消長(zhǎng)錨桿，在一定程度上可以節(jié)約支護(hù)封閉時(shí)間。

6 三臺(tái)階回填擴(kuò)拆工法控制變形情況

6.1 監(jiān)控量測(cè)統(tǒng)計(jì)情況

木寨嶺隧道嶺脊段擴(kuò)拆采用雙層型鋼剛架支護(hù)+鋼筋濕噴混凝土支護(hù)+二次襯砌的支護(hù)體系，典型斷面變形速率如圖10所示，各施工階段變形情況如表4所示?？芍?第2層支護(hù)施作完成后，變形速率迅速減小60%； 仰拱施工后，變形速率迅速減小66%； 第3層支護(hù)施工后，變形速率降至0～2 mm/d。

圖10 典型斷面變形速率Fig. 10 Deformation rate of typical monitoring section

表4 各施工階段變形速率情況Table 4 Deformation rate of each construction phase

通過(guò)對(duì)各階段變形累計(jì)值進(jìn)行總結(jié)分析，在支護(hù)體系強(qiáng)度逐步加強(qiáng)的過(guò)程中，圍巖累計(jì)變形明顯減小。說(shuō)明隨著支護(hù)剛度逐層加強(qiáng)，圍巖塑性圈逐步趨于穩(wěn)定，同時(shí)，隧道縱向隨著距離掌子面的距離增大，變形比例在逐步減小，如圖11和圖12所示。

圖11 各階段變形累計(jì)值統(tǒng)計(jì)Fig. 11 Accumulated deformation of each construction phase

圖12 各階段變形累計(jì)值占比

Fig. 12 Proportion of accumulated deformation of each construction phase

各區(qū)段累計(jì)收斂曲線如圖13所示。對(duì)整個(gè)段落的累計(jì)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)前期推斷的預(yù)留變形量準(zhǔn)確，擴(kuò)拆過(guò)程中變形可控。

圖13 累計(jì)收斂曲線圖Fig. 13 Curve of accumulated convergence

根據(jù)量測(cè)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)得出第1層支護(hù)后變形不穩(wěn)定，需盡快進(jìn)行第2層支護(hù)以及仰拱施工，及早封閉成環(huán)。第2層支護(hù)和仰拱施工后，變形明顯減小，說(shuō)明支護(hù)結(jié)構(gòu)的盡早封閉有利于支護(hù)體系的整體受力。第3層支護(hù)完成后基本穩(wěn)定，平均變形速率不超過(guò)1 mm/d，說(shuō)明3層柔性支護(hù)能有效地控制圍巖的變形。

6.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定情況

監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示擴(kuò)拆后變形相對(duì)穩(wěn)定，重新施作的二次襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定(見(jiàn)圖14)，無(wú)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂變形情況發(fā)生。

圖14 重新施作的二次襯砌Fig. 14 Reconstructed secondary lining

6.3 結(jié)構(gòu)受力情況

6.3.1 擴(kuò)拆前應(yīng)力測(cè)試

擴(kuò)拆前，于2015年6月10日在DYK180+950斷面埋設(shè)二次襯砌測(cè)點(diǎn)，2015年6月21日模板臺(tái)車脫模測(cè)取初值，2016年2月16日終止測(cè)試。擴(kuò)拆前測(cè)試時(shí)間約為8個(gè)月，在3個(gè)月左右時(shí)出現(xiàn)了襯砌裂縫。其結(jié)構(gòu)應(yīng)力時(shí)程曲線如圖15—17所示。根據(jù)測(cè)試結(jié)果來(lái)看，擴(kuò)拆前結(jié)構(gòu)整體受力較大，接觸壓力最大值為738.49 kPa，未趨于穩(wěn)定，左側(cè)接觸壓力明顯大于右側(cè)接觸壓力，左側(cè)接觸壓力平均值約為365 kPa，右側(cè)平均值約為90 kPa，鋼筋應(yīng)力最大值為207.90 MPa，混凝土應(yīng)力最大值為左墻腰的50.24 MPa，測(cè)試斷面的結(jié)構(gòu)受力超出極限值，受力不穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)安全不可靠，因此出現(xiàn)開(kāi)裂。

圖15 擴(kuò)拆前接觸壓力曲線Fig. 15 Contact pressure curves before dismantling and enlarging

圖16 擴(kuò)拆前鋼筋應(yīng)力曲線

Fig. 16 Reinforcement stress curves before dismantling and enlarging

圖17 擴(kuò)拆前二次襯砌混凝土應(yīng)力曲線

Fig.17 Concrete stress curves of secondary lining before dismantling and enlarging

6.3.2 擴(kuò)拆后應(yīng)力測(cè)試

擴(kuò)拆后取DYK180+950斷面襯砌3個(gè)月的受力測(cè)試進(jìn)行分析。其結(jié)構(gòu)應(yīng)力時(shí)程曲線如圖18—20所示。 根據(jù)測(cè)試結(jié)果來(lái)看，擴(kuò)拆后結(jié)構(gòu)整體受力均較小，接觸壓力最大值小于310 kPa，鋼筋應(yīng)力最大值小于70 MPa，混凝土應(yīng)力最大值小于18 MPa，測(cè)試斷面的結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)安全可靠。

圖18 擴(kuò)拆后接觸壓力曲線Fig. 18 Contact pressure curves after dismantling and enlarging

圖19 擴(kuò)拆后鋼筋應(yīng)力曲線

Fig. 19 Reinforcement stress curves after dismantling and enlarging

圖20 擴(kuò)拆后二次襯砌混凝土應(yīng)力曲線

Fig. 20 Concrete stress curves of secondary lining after dismantling and enlarging

7 結(jié)論與討論

1)木寨嶺隧道的嶺脊核心段具有變形量大、速率快、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的流變特征。在襯砌擴(kuò)拆過(guò)程中，為杜絕裂損區(qū)的繼續(xù)延伸，必須對(duì)保留段的二次襯砌進(jìn)行套拱支護(hù)加固，以保證不受影響。擴(kuò)拆過(guò)程采取增大預(yù)留變形量、多層支護(hù)、主動(dòng)加固圍巖，采用更有安全保障的圓形斷面，嚴(yán)格控制各工序施工步距，選擇合適的預(yù)留變形量，以便于施工控制。

2)臺(tái)架法擴(kuò)拆施工對(duì)圍巖擾動(dòng)大，容易產(chǎn)生局部垮塌或塌方。施工時(shí)作業(yè)面狹小，施工難度大，不適用于高地應(yīng)力軟巖區(qū)段。采用洞碴回填結(jié)合液壓破碎錘進(jìn)行隧道擴(kuò)拆施工，破碎后采用人工手持風(fēng)鎬修面，極大地減少了對(duì)隧道周邊圍巖的擾動(dòng)，保護(hù)了圍巖的自穩(wěn)性。

3) 設(shè)計(jì)支護(hù)剛度足夠強(qiáng)大是擴(kuò)拆施工順利實(shí)施的前提，擴(kuò)拆施工過(guò)程中應(yīng)堅(jiān)持“以抗為主、抗放結(jié)合、邊放邊抗”的原則。

4)通過(guò)嚴(yán)格控制多層支護(hù)、仰拱封閉及二次襯砌的步距，在監(jiān)控量測(cè)和應(yīng)力測(cè)試的數(shù)據(jù)支持下，適時(shí)進(jìn)行隧道襯砌施工，有利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

雖然木寨嶺隧道襯砌擴(kuò)拆施工技術(shù)取得了成功，但在擴(kuò)拆施工過(guò)程中投入了大量的人力、物力和機(jī)械設(shè)備，致使施工進(jìn)度緩慢，施工成本巨大。在以后的施工過(guò)程中，如何提前應(yīng)對(duì)極高地應(yīng)力軟巖作用帶來(lái)的大變形、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害，盡可能地減少擴(kuò)拆施工，是需要研究和努力的方向。

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