炭質(zhì)頁(yè)巖隧道大變形綜合控制技術(shù)研究

田 文 平

(中鐵二十局集團(tuán)第六工程有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸事業(yè)的快速發(fā)展，交通隧道的建設(shè)開始進(jìn)入各類地質(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)域，為隧道的修建帶來了許多困難。當(dāng)在軟弱圍巖中修建隧道時(shí)，大變形問題是困擾工程人員的一類常見問題[1]。

西安—成都鐵路客運(yùn)專線阜川隧道是全線的控制工程之一。隧道在施工中遭遇炭質(zhì)頁(yè)巖區(qū)段，多次出現(xiàn)初支破壞、圍巖溜塌、二襯開裂等病害，工期及成本受到嚴(yán)重影響。通過采用一套系統(tǒng)、全面的大變形控制措施，隧道最終成功通過炭質(zhì)頁(yè)巖區(qū)段。本工程經(jīng)驗(yàn)可為今后類似工程提供有益參考。

1 工程背景

阜川隧道位于陜西省勉縣境內(nèi)，位于大巴山中低山區(qū)，地形起伏較大，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。隧道起訖里程為DgK271+936.21～DgK280+951.53，為雙線隧道，全長(zhǎng)9 015.32 m，最大埋深約456 m。

1.1 地層巖性

隧道工程主要涉及志留系及奧陶系地層，巖性以灰?guī)r、泥巖、頁(yè)巖為主，其中大變形區(qū)段主要為炭質(zhì)頁(yè)巖。如圖1所示，炭質(zhì)頁(yè)巖為一種含有大量碳化有機(jī)質(zhì)的灰黑色泥質(zhì)巖石，薄層狀構(gòu)造，強(qiáng)度近似泥土，變形模量小，遇水易崩解，自穩(wěn)能力極差，是一種典型的工程軟巖。

1.2 隧道斷面及支護(hù)體系

隧道斷面形式為三心圓，支護(hù)體系為錨噴支護(hù)加鋼筋混凝土二次襯砌。Ⅴ級(jí)圍巖段的隧道橫斷面設(shè)計(jì)見圖2。

1.3 施工方法

隧道采用新奧法施工，其中Ⅲ級(jí)圍巖采用短臺(tái)階法，Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖采用三臺(tái)階法。開挖進(jìn)尺約為2 m，仰拱一次開挖長(zhǎng)度為4 m～6 m。

2 施工中的主要病害

阜川隧道2號(hào)斜井至成都端出口段為大變形段。該段埋深在110 m～220 m之間，圍巖多為頁(yè)巖夾炭質(zhì)頁(yè)巖。受不利圍巖條件影響，隧道施工中出現(xiàn)擠壓型大變形，嚴(yán)重危害施工進(jìn)度及安全性。施工中出現(xiàn)的主要病害如下。

2.1 初支鋼架嚴(yán)重變形

如圖3所示，此類病害初期表現(xiàn)為初支混凝土局部掉塊，隨后鋼架變形迅速發(fā)展，產(chǎn)生鼓包、折疊、扭曲、撕裂等問題，一般需進(jìn)行拆換拱架才可繼續(xù)施工，危險(xiǎn)性極大。

2.2 圍巖失穩(wěn)、溜塌

由于炭質(zhì)頁(yè)巖的分布具有不可預(yù)知性，當(dāng)掌子面附近存在炭質(zhì)頁(yè)巖破碎腔時(shí)，掌子面極易出現(xiàn)突發(fā)性失穩(wěn)，從而導(dǎo)致破碎腔內(nèi)巖體隨著掌子面的破壞傾瀉而出(見圖4)。

2.3 二襯開裂、滲水

如圖5所示，在大變形段附近，二襯開裂、鋼筋暴露、滲漏水病害頻發(fā)，局部區(qū)域甚至需要增設(shè)臨時(shí)套拱才得以維持穩(wěn)定。這說明即使在初支變形基本穩(wěn)定后施作二襯，二襯后期仍將承受較大的荷載。

3 軟弱圍巖隧道大變形控制機(jī)理

軟弱圍巖隧道發(fā)生大變形的根本原因有兩個(gè)方面[2]：

1)圍巖力學(xué)性質(zhì)差;2)支護(hù)體系能力不足。

因此需從以上兩個(gè)方面同時(shí)著手解決大變形問題：

1)改善圍巖性質(zhì)，調(diào)動(dòng)圍巖自身承載能力；2)提高支護(hù)體系的強(qiáng)度和剛度。運(yùn)用圍巖—支護(hù)特征曲線理論[3]可很好地解釋這一問題。

如圖6所示，圖中橫坐標(biāo)為隧道徑向位移，縱坐標(biāo)為隧道穩(wěn)定所需支護(hù)力，Pi為原始地應(yīng)力。圖中曲線Ⅰ,Ⅱ?yàn)閮蓷l典型的圍巖特征曲線，其中曲線Ⅱ代表的圍巖力學(xué)性能較好的情況；曲線①,②為兩條典型的支護(hù)特征曲線，曲線斜率代表支護(hù)剛度，平直段代表支護(hù)達(dá)到極限強(qiáng)度。顯然，曲線②所代表的支護(hù)在強(qiáng)度和剛度上都要大于曲線①。

當(dāng)隧道的圍巖—支護(hù)關(guān)系由曲線Ⅰ及曲線①表征的情況下，支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度不足，兩曲線無(wú)交點(diǎn)。這意味著支護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)法穩(wěn)定圍巖。若在這種情況下施作二襯，則支護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)法承擔(dān)的圍巖荷載將轉(zhuǎn)嫁至二襯，導(dǎo)致二襯開裂破壞。若單純加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)至曲線②所示的情況，則兩條曲線仍無(wú)法相交，仍有圍巖失穩(wěn)、支護(hù)破壞的可能。因此，需同時(shí)對(duì)圍巖性質(zhì)加以改良，提高圍巖性質(zhì)至曲線Ⅱ。此時(shí)兩條曲線相交于點(diǎn)B，支護(hù)結(jié)構(gòu)便可以穩(wěn)定圍巖。

4 炭質(zhì)頁(yè)巖隧道大變形綜合控制措施

從軟弱圍巖隧道大變形控制機(jī)理出發(fā)，阜川隧道項(xiàng)目部以經(jīng)過反復(fù)地實(shí)踐摸索，得出了一套針對(duì)炭質(zhì)頁(yè)巖隧道大變形的綜合控制措施。

4.1 采用雙層支護(hù)結(jié)構(gòu)

阜川隧道在大變形段采用雙層支護(hù)結(jié)構(gòu)，支護(hù)形式及支護(hù)參數(shù)為：

1)第一層支護(hù)：全環(huán)設(shè)H175型鋼鋼架，0.6 m/榀。拱墻設(shè)φ8@200鋼筋網(wǎng)。噴射混凝土采用30 cm厚C30混凝土。

2)第二層支護(hù)：全環(huán)設(shè)Ⅰ22a型鋼鋼架，0.6 m/榀。噴射厚26 cm的C30混凝土。設(shè)置φ22@1 000縱向連接筋，并設(shè)置4道/環(huán)的Ⅰ18縱連型鋼。

采用雙層支護(hù)結(jié)構(gòu)旨在提升支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)兼顧“先柔后剛，剛?cè)岵?jì)”的理念[4]，符合軟巖隧道大變形控制的原理。雙層支護(hù)結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，受力機(jī)理明確，無(wú)需額外施工機(jī)具和人員配合，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

4.2 施作臨時(shí)橫撐及臨時(shí)仰拱

如圖7所示，上臺(tái)階開挖后，立即采用Ⅰ20a工字鋼設(shè)置臨時(shí)仰拱，并噴射厚20 cm的C30混凝土；下臺(tái)階開挖后，于中臺(tái)階拱腳處采用Ⅰ20a工字鋼設(shè)置臨時(shí)橫撐(每2榀撐1榀)。這一措施是為了使支護(hù)結(jié)構(gòu)盡早形成封閉形狀，改善支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，同時(shí)一定程度上控制上臺(tái)階拱腳的下沉和擠入。

4.3 徑向注漿加固

炭質(zhì)頁(yè)巖隧道在開挖后，隧道周圍的圍巖會(huì)產(chǎn)生一定范圍的松動(dòng)圈。松動(dòng)圈內(nèi)圍巖的節(jié)理裂隙會(huì)有一定量的張開，造成巖體力學(xué)性能的劣化[5]，但也為注漿加固圍巖提供了可能。阜川隧道徑向注漿通過替代系統(tǒng)錨桿的φ42小導(dǎo)管進(jìn)行。小導(dǎo)管長(zhǎng)4.0 m，間距1.2 m×1.0 m(環(huán)向×縱向)，梅花形布置。漿液采用普通水泥漿初注配合水泥—水玻璃雙液漿進(jìn)行補(bǔ)漿。水泥漿水灰比1∶1，雙液漿體積比控制在1∶1～1∶0.6范圍內(nèi)。注漿控制壓力取1.0 MPa～2.0 MPa，達(dá)到終壓后持續(xù)10 min。實(shí)踐證明，隧道周圍一定范圍的炭質(zhì)頁(yè)巖具有良好的可注性，且注漿后其力學(xué)性能可得到明顯改善。

4.4 采用弱爆破配合機(jī)械開挖

炭質(zhì)頁(yè)巖在擾動(dòng)后會(huì)松散泥化，力學(xué)性能顯著降低。因此通過采用弱爆破，配合銑挖機(jī)或挖掘機(jī)開挖，可減小對(duì)隧道周邊巖體的擾動(dòng)，最大限度地保留圍巖的天然承載力。

4.5 采用大直徑鎖腳錨管

阜川隧道原設(shè)計(jì)采用長(zhǎng)4 m的R32砂漿錨桿作鎖腳錨桿。而實(shí)際施工中部分?jǐn)嗝娴逆i腳錨桿出現(xiàn)了拉斷的情況。因此在上、中臺(tái)階拱腳處增設(shè)長(zhǎng)6 m的T76自進(jìn)式鎖腳錨管，每榀鋼架各兩根，并且采用Ⅰ20a型鋼與鋼架作縱向連接(見圖8)，有效地控制了支護(hù)結(jié)構(gòu)的下沉。

4.6 提高預(yù)留變形量

在擠壓性大變形的條件下，原設(shè)計(jì)預(yù)留變形量已無(wú)法滿足要求。因此大變形段的預(yù)留變形量增加至100 cm，其中70 cm為第一層支護(hù)的預(yù)留變形量，第二層支護(hù)為30 cm。這一舉措使支護(hù)結(jié)構(gòu)在各階段都有充分的變形空間，在降低圍巖荷載的同時(shí)不影響到二襯施作的凈空要求。

5 效果驗(yàn)證

圖9和圖10分別為DgK278+045斷面(未采取控制措施)和DgK278+130斷面(采取控制措施)的實(shí)測(cè)位移時(shí)程曲線。從圖中可以得到以下結(jié)論：1)在采用大變形控制措施前，隧道變形呈現(xiàn)出典型的“擠壓型大變形”特點(diǎn)，即初始變形速率高、變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、各部位變形量值尤其是邊墻收斂較大。2)DgK278+045斷面的拱頂下沉和中臺(tái)階收斂均大于60 cm，已超過最大預(yù)留變形量，需進(jìn)行初支拆換擴(kuò)挖以滿足二襯施作凈空要求，風(fēng)險(xiǎn)極高。3)采用大變形控制措施后，隧道各部位變形量值明顯降低。相較DgK278+045斷面，DgK278+130斷面的拱頂下沉及上、中、下臺(tái)階收斂分別降低了24.04 cm,20.14 cm,56.01 cm和23.15 cm，降幅分別為37.18%,63.65%,78.43%和76.60%。4)從圖10中可以明顯看出，采用大變形控制措施后，隧道各部位變形除最終量值顯著降低外，變形也能較早趨于穩(wěn)定。這就避免了二襯因承受額外圍巖壓力而產(chǎn)生病害。

6 結(jié)語(yǔ)

1)炭質(zhì)頁(yè)巖隧道在施工中易發(fā)生大變形，常見病害形式有初支鋼架嚴(yán)重變形、圍巖失穩(wěn)溜塌、二襯開裂滲水等。

2)控制炭質(zhì)頁(yè)巖隧道大變形的關(guān)鍵，是在提高支護(hù)剛度、強(qiáng)度的同時(shí)改善圍巖性能，雙管齊下，標(biāo)本兼治。

3)通過設(shè)置雙層支護(hù)、臨時(shí)仰拱和臨時(shí)橫撐，外加采用大直徑鎖腳錨管，可提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，改善支護(hù)結(jié)構(gòu)受力。徑向注漿加固、弱爆破配合機(jī)械開挖可減小開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)，提高圍巖的強(qiáng)度，調(diào)動(dòng)圍巖自承載能力。

4)采用上述大變形綜合控制措施可顯著降低隧道各部位的變形量，并使各部位變形更早地趨于穩(wěn)定。如此可在保證支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖不失穩(wěn)的同時(shí)，降低二襯承受的圍巖荷載，從而使隧道安全平穩(wěn)地通過大變形地段。