富水破碎巖層隧道變形原因及控制措施研究

魏紅濤

x摘要：在隧道圍巖破碎且富水的情況下，隧道施工存在順層滑塌、塌方、支護(hù)變形侵限等諸多難點(diǎn)。由中鐵十五局集團(tuán)承擔(dān)施工任務(wù)的玉磨鐵路曼勒一號(hào)隧道存在上述施工難題，為了減少隧道施工中的塌方次數(shù)、抑制支護(hù)變形，在施工中采用了泄水引排、超前支護(hù)、控制施工等控制措施。通過對(duì)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的分析，檢驗(yàn)上述施工措施的有效性。實(shí)踐證明，上述施工措施在提高圍巖富水且破碎帶的施工效率上是有效的。

Abstract： Under the condition that the surrounding rock of tunnel is broken and water is abundant， there are many difficulties in tunnel construction， such as bedding collapse， collapse， deformation and invasion of support. In order to reduce the times of tunnel collapse and restrain the deformation of support， the control measures such as drainage and drainage， advanced support and construction control are adopted. Through the analysis of the monitoring data， the effectiveness of the above construction measures is tested. Practice has proved that the above construction measures are effective in improving the construction efficiency of water-rich and broken zone in surrounding rock.

關(guān)鍵詞：富水破碎帶;變形控制;推進(jìn)式施工;落底施工

Key words： water-rich fracture zone;deformation control;propulsive construction;bottom drop construction

中圖分類號(hào)：U455? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）16-0096-03

1? 工程概況

曼勒一號(hào)隧道位于滇南地區(qū)勐臘縣境內(nèi)勐遠(yuǎn)～曼勒區(qū)間，全長(zhǎng)8280m，最大埋深600m。地層巖性主要砂巖夾泥巖、頁巖，圍巖中厚～厚層狀，受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響，巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育，結(jié)構(gòu)面間結(jié)合程度差，此外，圍巖局部存在軟弱夾層，故巖體整體破碎;另一方面，地下水類型為基巖裂隙水且發(fā)育，開挖后，拱部地下水呈淋雨?duì)?，掌子面及后方初支處多處可見地下水呈線狀，受地下水發(fā)育的影響，前述圍巖遇水易軟化、易崩解。該段原設(shè)計(jì)為Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖，現(xiàn)階段施工中，已多次出現(xiàn)順層滑塌、塌方，支護(hù)變形等施工難題。

2? 富水破碎圍巖隧道的工程現(xiàn)狀

在地層巖性及地下水共同影響下，曼勒一號(hào)隧道掌子面開挖后圍巖自穩(wěn)時(shí)間短，甚至開挖后根本無法自穩(wěn);受巖層產(chǎn)狀等因素共同影響，地下水主要賦存形成為基巖裂隙水，掌子面開挖后，地下水不是集中流出，而是以分散水的形式從裂隙中流出，施工時(shí)若施工方法不當(dāng)或支護(hù)不強(qiáng)，圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)極易發(fā)生變形，如掌子面溜塌、側(cè)壁開挖施工中局部掉塊抑或塌方事故（見圖1掌子面溜塌、富水， 見圖2初期支護(hù)開裂、變形）。

根據(jù)現(xiàn)階段，富水破碎圍巖施工現(xiàn)狀，該段發(fā)生溜塌或大變形的段落，發(fā)生在掌子面位置或掌子面后方15～30m處。具體表現(xiàn)形式如下：

2.1 變形數(shù)值大，變形速率快

掌子面開挖后，拱頂沉降和水平位移的變化率較大，水平收斂量是拱頂下沉量的三倍左右，隧道擠壓性顯著。圍巖30d周邊累計(jì)收斂473mm，最大變形率46mm/d，致使初期支護(hù)侵限（見圖3拱頂沉降速率、拱頂累計(jì)沉降量變化曲線，見圖4水平收斂速率變化曲線）。

2.2 變形不均勻、造成局部侵限

由于兩側(cè)邊墻為圍巖產(chǎn)狀不同，導(dǎo)致兩側(cè)初支受力不均勻，在同一斷面上，水平收斂明顯大于拱頂下沉，B、C單元部分鋼架侵入二次襯砌。

3? 變形原因

3.1 地質(zhì)因素

首先，開挖揭示該段圍巖巖性為砂巖夾泥巖、頁巖，弱風(fēng)化帶（W2），局部夾軟弱層，該套巖層在遇水并風(fēng)化的條件下，巖體快速軟化崩解[1]，故巖體開挖后自穩(wěn)時(shí)間短或無法自穩(wěn);其次，巖層層理不清晰，巖體破碎，結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，層間結(jié)合程度差;然后地下水發(fā)育，拱頂可見淋雨?duì)顫B水，掌子面及后方初支多處可見地下水呈線狀、淋雨?duì)盍鞒?，故變形?shù)值大，變形速率快。再次，圍巖產(chǎn)狀與隧道軸線結(jié)合方式不相同的情況下，圍巖對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的載荷程度不同[2]，本隧道在該里程上，圍巖產(chǎn)狀變化頻繁，隧道左右兩側(cè)邊墻支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)不同產(chǎn)狀圍巖的的受力程度不同或相同產(chǎn)狀圍巖因支護(hù)結(jié)構(gòu)所在位置的不同，因此，不同里程上，隧道左右兩側(cè)收斂變形速率及總變形量均有差別[3]。

3.2 勘察設(shè)計(jì)缺陷

曼勒一號(hào)隧道目前開挖揭示的巖層，圍巖破碎且富水，但原設(shè)計(jì)為Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖，實(shí)際圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，故施工中采用的原設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)不足以抵抗圍巖變形，致使初支結(jié)構(gòu)多處侵限。

3.3 施工因素

①開挖支護(hù)封閉不及時(shí)，為富水破碎巖繼續(xù)風(fēng)化提供空間和時(shí)間條件。不能以環(huán)狀結(jié)構(gòu)體系參與受力，未充分發(fā)揮環(huán)狀支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力。

②作業(yè)人員對(duì)隧道圍巖條件的變化情況及復(fù)雜性認(rèn)識(shí)不足，支護(hù)措施不到位或針對(duì)性不強(qiáng)。這當(dāng)中有勘測(cè)設(shè)計(jì)不全面的問題，也有施工方面的原因，出現(xiàn)問題如能果斷有針對(duì)性采取應(yīng)變加強(qiáng)措施，也可防止事故或減小損失。

4? 施工控制措施

針對(duì)曼勒一號(hào)隧道地層巖性及地下水發(fā)育狀況，為了減少隧道施工中的塌方次數(shù)、抑制支護(hù)變形等，中鐵十五局集團(tuán)玉磨鐵路項(xiàng)目部組織人員詳細(xì)研判了地層巖性、分析了監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，并試驗(yàn)了多種支護(hù)措施，以抑制支護(hù)結(jié)構(gòu)及圍巖變形。

4.1 施工總體思路

針對(duì)該段富水破碎圍巖的特性，隧道施工中須遵循“早預(yù)報(bào)、管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤測(cè)量”的施工原則[4]，故在該段富水破碎圍巖施工中，制定了“泄水引排，超前支護(hù)，控制進(jìn)尺”等措施。

4.2 富水破碎圍巖變形控制技術(shù)

富水破碎圍巖施工的核心技術(shù)就是在保證開挖施工的同時(shí)，控制圍巖或支護(hù)變形及坍塌。具體控制措施：

4.2.1 超前預(yù)報(bào)

首先，針對(duì)該段地層巖性較為復(fù)雜的實(shí)際情況，提前掌握掌子面前方巖體完整程度等信息，當(dāng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)所描述的圍巖等級(jí)與原設(shè)計(jì)不符時(shí)，有針對(duì)性的加強(qiáng)支護(hù)措施。其次，為了提高超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性[5]，該段施工采用地質(zhì)圍巖分析為基礎(chǔ)，各類預(yù)報(bào)措施（物探預(yù)報(bào)、鉆探預(yù)報(bào)、電法預(yù)報(bào)）相互結(jié)合驗(yàn)證并綜合評(píng)判，以提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性;再次，針對(duì)該段巖性及水文現(xiàn)狀，增加了瞬變電磁的預(yù)報(bào)措施。

4.2.2 泄水引排

針對(duì)該段地下水發(fā)育無明顯規(guī)律可循的特點(diǎn)，首先，采用瞬變電磁對(duì)該段地下水較為集中位置做初步探測(cè)[6]，然后針對(duì)地下水賦存的深度，施做入巖角度不同及深度適當(dāng)?shù)男顾?，泄水孔孔徑?10mm。

為了減緩開挖后臨空面的圍巖風(fēng)化并將前述的散水集中引排，開挖作業(yè)完成排險(xiǎn)后，立即對(duì)圍巖裸露面施作噴射混凝土，混凝土厚8cm。

在鋼拱架及噴射混凝土等初支施工中，對(duì)局部存在裂隙股狀水處埋設(shè)Φ60mm波紋管進(jìn)行引排（見圖5裂隙股水引排示意圖）。

4.3 超前支護(hù)

為了抑制開挖后，拱頂?shù)某两?，?duì)原設(shè)計(jì)的超前支護(hù)措施加強(qiáng)，具體方法如下：拱部設(shè)置Φ89大管棚超前預(yù)支護(hù)[7]，管棚縱向間距6m，管棚范圍由原設(shè)計(jì)的拱部120°調(diào)整為180°范圍，長(zhǎng)9m/根，環(huán)向間距40cm，29根/環(huán)，開挖前在管棚之間增設(shè)單排Φ42×4mm小導(dǎo)管作為超前支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)，縱向間距2.4m，長(zhǎng)4.5m/根，28根/環(huán);大外插小導(dǎo)管外插角10°～15°，小外插角大管棚外插角1°～3°，施工時(shí)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況作調(diào)整。針對(duì)現(xiàn)階段施工中，地下水發(fā)育的現(xiàn)狀，對(duì)前述大管棚及小導(dǎo)管注漿材料及注漿工藝做如下專項(xiàng)設(shè)計(jì)：

①注漿材料：水泥-水玻璃雙液漿或水泥漿液（水量大處采用雙液漿，水量相對(duì)較小處采用水泥漿）;

②水泥：P.O42.5;水玻璃：波美度Be=40;水泥漿：水玻璃漿液=1：0.8;水泥漿水灰比=0.5～0.8：1;

③注漿壓力：初壓0.5～1.0MPa，終壓1.5～2.0MPa;

④注漿前應(yīng)先在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行注漿試驗(yàn)，通過現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)來確定注漿參數(shù)并結(jié)合實(shí)際情況，以保證現(xiàn)場(chǎng)施工。

4.4 控制施工

為減小大爆破施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)，該段施工中的開挖及支護(hù)施工均做了專項(xiàng)設(shè)計(jì)，具體措施如下：

①控制開挖進(jìn)尺，減少施工擾動(dòng)。該段總體施工設(shè)計(jì)開挖采用三臺(tái)階法[8]施工：上臺(tái)階高度控制為2.8～3.3m，長(zhǎng)度為5～7m，中臺(tái)階高度控制為2.8～3.3m，長(zhǎng)度為5～7m，下臺(tái)階高度為2.5～2.8m。采用機(jī)械配合人工的開挖法施工，避免爆破震動(dòng)影響;同時(shí)控制上、中、下臺(tái)階開挖進(jìn)尺，上臺(tái)階每循環(huán)0.6m，中、下臺(tái)階每循環(huán)開挖進(jìn)尺不得大于2榀拱架，并嚴(yán)格控制中、下臺(tái)階不允許對(duì)稱開挖，必須左右側(cè)錯(cuò)開不少于3榀且不少于2.4m，特別地，為了避免初期支護(hù)長(zhǎng)時(shí)間暴露而引起的累計(jì)變形量過大，該段采用“推進(jìn)式”施工，其核心要點(diǎn)是掌子面掘進(jìn)的后方工序優(yōu)先，用后方工序“壓迫”掌子面推進(jìn)。為達(dá)到推進(jìn)式施工的目的，上中下三臺(tái)階同步掘進(jìn)。該工法使各部開挖及支護(hù)自上而下分成三個(gè)小單元進(jìn)行開挖，縮小開挖斷面，減少隧道圍巖變形。

②加強(qiáng)支護(hù)，控制落底。根據(jù)圍巖累計(jì)變形量及仰拱二襯施工進(jìn)度，實(shí)際施工中，因受初支收斂變形量的影響，采取了“以空間換時(shí)間”的方式，預(yù)留變形量調(diào)整為40cm[9]。

為了加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖變形的承載力，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)做如下的加強(qiáng)措施：鋼架采用I20工字鋼，原設(shè)計(jì)邊墻的Φ22砂漿錨桿變更為Φ42徑向注漿小導(dǎo)管，間距1.2m×1.0m（環(huán)×縱），單根長(zhǎng)3m，注漿工藝同前述超前支護(hù)處。

為了防止中下臺(tái)階施工中拱架短時(shí)間懸空造成的坍塌等事故，該段采取控制落底[10]措施，具體工法如下：每榀鋼架增加8根鎖腳錨管，兩側(cè)采用Φ42×4mm小導(dǎo)管，每根長(zhǎng)度由4m調(diào)整為4.5m，于上下臺(tái)階鋼架接頭處各設(shè)置2根，并施作臨時(shí)橫撐（I18工字鋼）加強(qiáng)，縱向每?jī)砷O(shè)置一處。拱腳30cm范圍采用風(fēng)鎬進(jìn)行開挖，拱架底墊16mm鋼墊板落地，加強(qiáng)鎖腳錨管的施工質(zhì)量控制，錨管斜向下20角度[11]（施工過程中鎖腳錨管的設(shè)置角度和方向應(yīng)結(jié)合巖層傾角及走向、節(jié)理發(fā)育方向等進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整），用兩根“L型”鋼筋（Ф22螺紋鋼）與鋼架焊接牢固并嚴(yán)格注漿。

③監(jiān)控量測(cè)：主要進(jìn)行拱頂下沉和水平收斂檢測(cè)，并對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。建立等級(jí)管理、信息反饋制度，負(fù)責(zé)及時(shí)將監(jiān)控量測(cè)信息反饋指導(dǎo)施工及加強(qiáng)或減弱支護(hù)措施的依據(jù)。

根據(jù)《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》（Q/CR 9218-2015）要求，曼勒一號(hào)隧道施工過程中拱頂下沉、凈空變化監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置在同一斷面上，從DK448+718里程處開始，按Ⅴ級(jí)圍巖斷面3m/道布設(shè)圍巖變形監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)并適當(dāng)加密，里程分別為DK448+718、+721、+724、+727、+730、+733（共6組），沉降和收斂在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

為更好的掌握隧道開挖后初支變形的具體情況，先初測(cè)監(jiān)控量測(cè)斷面中各測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)位移變化值，按X. Y.Z軸方向的三維坐標(biāo)值獲得初始讀數(shù)并記錄，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，及時(shí)繪制各斷面初支累計(jì)沉降、收斂及變形速率的時(shí)程曲線圖。

5? 結(jié)束語

根據(jù)曼勒一號(hào)隧道現(xiàn)場(chǎng)施工和監(jiān)控量測(cè)反饋的實(shí)際情況，目前施工現(xiàn)場(chǎng)采取的控制措施使得圍巖及支護(hù)變形得到有效控制，且坍塌等施工事故頻率明顯降低。通過施工工法的調(diào)整及施工組織的改進(jìn)，目前該隧道掘進(jìn)平穩(wěn)，平均進(jìn)度為0.6m/d，此進(jìn)度在現(xiàn)階段仍需進(jìn)一步提高，后續(xù)施工施工中，根據(jù)監(jiān)控量測(cè)及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，不斷優(yōu)化前述的支護(hù)加強(qiáng)控制措施及控制落底措施。

參考文獻(xiàn)：

[1]程崇國(guó)，江星宏.公路隧道施工坍塌預(yù)防技術(shù)研究[J].公路交通技術(shù)，2018，34（06）：97-104.

[2]趙作富，陳建，胡國(guó)軍，羅建輝.巖層傾角與隧道走向間關(guān)系對(duì)大斷面隧道圍巖穩(wěn)定性的影響[J].公路與汽運(yùn)，2014（05）：190-194.

[3]郭健，陽軍生，陳維，沈東，劉濤，柴文勇.基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的炭質(zhì)板巖隧道圍巖大變形與襯砌受力特征研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2019，38（04）：832-841.

[4]孟凡軍.復(fù)雜地質(zhì)條件下鐵路隧道施工技術(shù)研究[D].西南交通大學(xué)，2007.

[5]涂孝波，易萍華，陳亮.綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在銅盤山隧道中的應(yīng)用[J].重慶建筑，2019，18（04）：54-57.

[6]江球.煤層火燒區(qū)富水性瞬變電磁法探測(cè)研究[D].長(zhǎng)安大學(xué)，2018.

[7]王炳智.軟弱圍巖隧道管棚超前預(yù)支護(hù)技術(shù)研究[D].重慶交通大學(xué)，2018.

[8]胡守云，吳廷堯.三明鐵路隧道三臺(tái)階法開挖施工圍巖變形特征研究[J].施工技術(shù)，2016，45（19）：86-90.

[9]王華松.炭質(zhì)頁巖隧道大變形原因及應(yīng)對(duì)措施研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2018（03）：70-72.

[10]張洪生.杏子山隧道軟弱圍巖大變形控制技術(shù)研究[J].價(jià)值工程，2019，38（10）：145-147.

[11]王永春.順層偏壓隧道極軟巖綜合施工技術(shù)研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2018（03）：66-69，85.