杏子山隧道軟弱圍巖大變形控制技術(shù)研究

張洪生

摘要：在杏子山隧道掘進(jìn)施工時(shí)對(duì)軟弱圍巖大變形的控制技術(shù)進(jìn)行了探索、研究，采取超前導(dǎo)洞或泄壓孔對(duì)圍巖地應(yīng)力進(jìn)行了釋放;設(shè)置錨桿、噴射砼封閉、預(yù)留核心土保持掌子面穩(wěn)定;設(shè)置鎖腳錨管、臨時(shí)仰拱、擴(kuò)大拱腳等措施避免下臺(tái)階落底開挖時(shí)坍塌;按柔性支護(hù)理念進(jìn)行初支設(shè)計(jì)及施工等綜合控制措施，確保了軟弱大變形圍巖隧道的安全、順利掘進(jìn)，達(dá)到了規(guī)范及設(shè)計(jì)的質(zhì)量要求。

Abstract： In the excavation construction of Xingzishan tunnel， the control technology of large deformation of weak surrounding rock was explored and studied. The stress of surrounding rock was released by using the leading hole or pressure relief hole. The anchor rod， jet raft closure and pre-installation core soil were set to maintain the stability of the face; the locking anchor pipe， the temporary inverted arch， the enlarged arch and other measures are provided to avoid the collapse of the lower step bottom excavation; the comprehensive control measures such as initial design and construction are carried out according to the flexible support concept. It ensures the safety and smooth excavation of the weak and large deformation surrounding rock tunnel and meets the quality requirements of specifications and design.

關(guān)鍵詞：鐵路隧道;軟弱大變形圍巖;控制措施;柔性支護(hù)理念

Key words： railway tunnel;weak and large deformation surrounding rock;control measures;flexible support concept

中圖分類號(hào)：U45 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）10-0145-03

0 ?引言

隨著我國(guó)鐵路路網(wǎng)的逐漸完善，隧道的建設(shè)規(guī)模、設(shè)計(jì)理念及施工技術(shù)水平也得到了極大的提高。但路網(wǎng)的完善及建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，使得大量隧道建設(shè)于地質(zhì)復(fù)雜的地區(qū)，故施工中常常遇到軟弱圍巖大變形隧道。而軟弱圍巖隧道掘進(jìn)時(shí)，因地質(zhì)條件差，外界條件復(fù)雜多變，導(dǎo)致時(shí)常出現(xiàn)隧道坍塌、工期延后、人員傷亡等事故，損失巨大，教訓(xùn)深刻。隧道建設(shè)的安全及質(zhì)量現(xiàn)狀與目前的發(fā)展形式無(wú)法相適應(yīng)，因此，解決軟弱大變形圍巖隧道建設(shè)中的施工安全和質(zhì)量問(wèn)題無(wú)疑迫在眉睫。

1 ?工程簡(jiǎn)介

新建大理至臨滄鐵路杏子山隧道起訖里程為DK80+183～DK89+050，全長(zhǎng)8867m，進(jìn)口端819m為車站雙線隧道，其余段為單線隧道。隧道位于云南省西部橫斷山系縱谷區(qū)，云嶺余脈-無(wú)量山、哀牢山結(jié)合部，屬高中山侵蝕、剝蝕地貌，地形起伏大，沖溝深切發(fā)育，呈“V”型，隧道最大埋深726m，最小埋深12m。隧區(qū)存在順層偏壓、巖溶、斷層破碎帶、軟弱膨脹圍巖、高地應(yīng)力、高地溫、有害氣體、圍巖落石等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

隧區(qū)經(jīng)歷了多期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，造成破碎帶復(fù)雜，節(jié)理密集，巖體被切割成非常破碎的狀態(tài)。故圍巖自穩(wěn)能力差，遇水軟化變形，在施工期間發(fā)生了掌子面坍塌、初支及襯砌變形破壞等事故，不僅造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失，還嚴(yán)重拖延了施工進(jìn)度，因此，急需科學(xué)有效地解決杏子山隧道軟弱大變形圍巖的施工問(wèn)題，以確保安全、順利地完成施工任務(wù)。

2 ?杏子山隧道圍巖大變形特征及原因分析

①經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)及試驗(yàn)分析，本隧道發(fā)生大變形處圍巖為粉砂巖，巖體較為破碎，取樣的粉砂巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度（Rc）處于11.0～13.6MPa區(qū)間范圍內(nèi)，平均值為12.1MPa。在隧道開挖后，掌子面自穩(wěn)能力差，需采取加固措施，方可確保裸露圍巖的穩(wěn)定。圍巖變形在初期速率快，變形量大，需設(shè)置超前支護(hù)及加強(qiáng)初期支護(hù)方可使變形收斂。按鐵路隧道軟弱圍巖等級(jí)劃分建議表的規(guī)定，劃分為軟巖。杏子山隧道圍巖的類型及產(chǎn)狀決定了其具有易形變的特征。

②隧道埋深大，設(shè)計(jì)單位檢測(cè)DK88+665斷面（隧道埋深約629m）處圍巖初始地應(yīng)力值為σmax=2.73MPa，則巖石強(qiáng)度及應(yīng)力比Rc/σmax=12.1/2.73=4.4。按《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10003-2016）的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估，為高應(yīng)力圍巖。因此，隧道掘進(jìn)過(guò)程中，軟弱圍巖在初始高地應(yīng)力的作用下有顯著的變形位移，且變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，圍巖自穩(wěn)能力差，成洞困難。

③圍巖地下水發(fā)育，在富水條件下，高地應(yīng)力的軟弱圍巖對(duì)地下水的影響非常敏感，遇水呈顯著軟化及泥化作用，圍巖強(qiáng)度降低，產(chǎn)生大變形。

3 ?軟弱圍巖大變形控制措施

控制圍巖大變形的支護(hù)技術(shù)主要有容許變形的柔性支護(hù)設(shè)計(jì)和剛性支護(hù)設(shè)計(jì)兩種完全相反的理念，因本隧道變形量大，剛性支護(hù)時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)承受圍巖變形壓力非常大，滿足施工要求的剛性支護(hù)系統(tǒng)無(wú)疑工程量大，造價(jià)高。為此，本項(xiàng)目采取柔性支護(hù)設(shè)計(jì)的理念進(jìn)行圍巖大變形的控制，施工過(guò)程采取了如下綜合控制措施。

3.1 應(yīng)力釋放試驗(yàn)

由于本隧部分地段地應(yīng)力高，隧道掘進(jìn)后圍巖應(yīng)力釋放及應(yīng)力重新分布的過(guò)程中使得圍巖變形過(guò)大，隧道水平收斂通常為30～70cm，最大值甚至達(dá)到了93.2cm。即使按柔性理念進(jìn)行設(shè)計(jì)的初支系統(tǒng)的允許形變上限值低于圍巖形變值而出現(xiàn)破壞。因此，本隧擬采取設(shè)置超前導(dǎo)洞或是超前泄壓孔使部分圍巖地應(yīng)力超前釋放，減輕施做初支時(shí)圍巖的地應(yīng)力及變形值，確保初支穩(wěn)固安全。

超前導(dǎo)洞采用圓形截面，設(shè)置于隧道斷面偏上處（如圖1所示），導(dǎo)洞斷面面積約18m2，超前于掌子面40m，并分別于超前導(dǎo)洞斷面、隧道全斷面的底部設(shè)置超前30m的？準(zhǔn)150mm泄水孔，泄水孔采用水平地質(zhì)鉆機(jī)鉆設(shè)，兼做地質(zhì)勘察。為了避免導(dǎo)洞坍塌，根據(jù)情況不同施做簡(jiǎn)單錨噴支護(hù)。對(duì)比試驗(yàn)測(cè)試表明，超前導(dǎo)洞可提前釋放變形量的25～60%，控制變形的效果非常明顯。

因超前導(dǎo)洞施做工期較長(zhǎng)，造價(jià)較高，故部分圍巖狀況較好，變形量較小的段落在隧道上部鉆設(shè)？準(zhǔn)250mm超前泄壓孔進(jìn)行應(yīng)力釋放（如圖2所示）泄壓孔超前掌子面30m以上，經(jīng)對(duì)比試驗(yàn)測(cè)試，可提前釋放變形量的20～45%，控制變形的效果較超前導(dǎo)洞要差，但具有施工簡(jiǎn)單、快速的優(yōu)勢(shì)，適用于本項(xiàng)目工期較緊的情況。

3.2 確保掌子面變形過(guò)大坍塌的技術(shù)措施

軟弱大變形圍巖隧道的掌子面通常因變形過(guò)大而發(fā)生坍塌事故，造成施工人員傷及施工機(jī)具損失，故在施工中需引起高度重視。

①超前支護(hù)。超前支護(hù)為“先支后挖”的技術(shù)措施，對(duì)隧道掌子面前方圍巖的變形具有良好的控制效果，是避免掌子面坍塌的重要措施。通常采用的超前支護(hù)為：超前大管棚、超前小導(dǎo)管及超前錨桿等幾種類型。本隧根據(jù)圍巖情況及施工條件，主要采用超前小導(dǎo)管的支護(hù)形式，其施工參數(shù)如下：

超前小導(dǎo)管采用？準(zhǔn)42熱軋無(wú)縫鋼管，長(zhǎng)度為6m，搭接不得小于1.0m，沿隧道掘進(jìn)輪廓線外布設(shè)，間距為80cm，支護(hù)范圍為拱部120°，外插角按1～2°設(shè)置。

超前小導(dǎo)管施工時(shí)需按嚴(yán)格設(shè)計(jì)參數(shù)施打和壓漿;為確保超前小導(dǎo)管與支護(hù)鋼架形成聯(lián)合支護(hù)效果，小導(dǎo)管的外露端頭焊接固定于型鋼拱架上，以真正達(dá)到加固圍巖的作用。

②掌子面設(shè)置錨桿。因項(xiàng)目工期較緊，為確保施工進(jìn)度，在掌子面打入錨桿，以控制圍巖開挖后的先行變形和掌子面變形，為后續(xù)進(jìn)行大斷面開挖創(chuàng)造條件。

掌子面設(shè)置的錨桿采用易于切割的玻璃纖維錨桿，有利于后續(xù)的掘進(jìn)，錨桿長(zhǎng)度根據(jù)具體現(xiàn)場(chǎng)情況及施工條件的不同，選用10m、15m、20m等三種類型。

③噴射砼封閉掌子面。掌子面開挖后立即噴射厚度10cm砼進(jìn)行封閉，避免圍巖裸露加速風(fēng)化而變形膨脹，以維持掌子面的穩(wěn)定。

④開挖預(yù)留核心土。隧道掘進(jìn)時(shí)掌子面預(yù)留核心土。以往施工經(jīng)驗(yàn)表明，此措施是防水掌子面失穩(wěn)坍塌的有效方法，且施工簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)可行，在本項(xiàng)目中運(yùn)用較多。

3.3 控制下臺(tái)階落底開挖時(shí)坍塌的技術(shù)措施

為確保施工進(jìn)度，在采取上述的防護(hù)措施后，通常采用上、下臺(tái)階法開挖。臺(tái)階法的下臺(tái)階落底開挖時(shí)，圍巖坍塌風(fēng)險(xiǎn)極高。因?yàn)槁涞讜r(shí)上臺(tái)階的初支基礎(chǔ)處于懸空狀態(tài)，無(wú)支撐著力點(diǎn)，容易引起圍巖及初支失穩(wěn)而坍塌。為此，下臺(tái)階開挖時(shí)安全保障的關(guān)鍵在于為上臺(tái)階的初支結(jié)構(gòu)提供一個(gè)穩(wěn)固的支撐基礎(chǔ)來(lái)控制初支拱腳下沉。本隧采取如下措施：

①鎖腳錨管技術(shù)措施。在上臺(tái)階型鋼拱架的拱腳處設(shè)置鎖腳錨管，將上臺(tái)階初支壓力傳遞至圍巖上，錨管設(shè)置方向盡量平行于拱腳的切線方向，以提高承載能力。

每個(gè)拱腳處設(shè)置4根長(zhǎng)7m鎖腳錨管。

②臨時(shí)仰拱技術(shù)措施。設(shè)置臨時(shí)仰拱，讓上臺(tái)階的初支封閉成環(huán)，能有效地控制上臺(tái)階初支的沉降變形，確保下臺(tái)階的安全掘進(jìn)。

③擴(kuò)大拱腳的技術(shù)措施。擴(kuò)大上臺(tái)階拱腳的基礎(chǔ)寬度，以降低地基壓強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)上臺(tái)階初支穩(wěn)固。

上臺(tái)階初支基礎(chǔ)需要有足夠的寬度來(lái)分散壓力，通常為0.8～1.0m，寬度不足時(shí)，初支沉降過(guò)大，達(dá)不到安全要求。為了確?；字С辛?，擴(kuò)大拱架斜撐設(shè)置鋼板支墊。擴(kuò)大拱腳設(shè)置如圖3所示。

3.4 開挖方法及初支方案

①開挖方法。因工期緊，在情況允許的條件下通常采用進(jìn)度較快的二臺(tái)階法。部分地質(zhì)較差的Ⅴ、Ⅵ圍巖地段，也適當(dāng)采用了CRD法、三臺(tái)階七步法施工，掘進(jìn)方案的選擇以確保安全為首要考慮因素。

②初期支護(hù)方案。開挖后，立即對(duì)開挖面噴射5cm厚度的鋼纖維砼封閉圍巖，避免圍巖暴露加速風(fēng)化及變形，引起坍塌。

加強(qiáng)鋼拱架等初支承壓能力，采用I20b工字鋼鋼拱架，設(shè)置間距加密為60cm。因?yàn)閲鷰r地應(yīng)力和變形量大，鋼拱架需承受巨大的圍巖壓力，常出現(xiàn)初支變形破壞情況。為此，在鋼拱架的邊墻兩側(cè)各安置了一個(gè)可收縮接頭，使鋼拱架長(zhǎng)度可收縮30cm，收縮接頭的設(shè)置使得鋼拱架更為柔性地隨圍巖形變，從而降低圍巖對(duì)鋼拱架的壓力。初支噴射鋼纖維砼，厚度增加至30cm。

上臺(tái)階設(shè)置擴(kuò)大拱腳，在拱架每處拱腳處設(shè)置鎖腳錨管，錨管與鋼架焊接牢固。系統(tǒng)錨桿采用1.0m×1.0m間距，梅花型布置的？準(zhǔn)25自進(jìn)式中空注漿錨桿。

同時(shí)按3.0m×3.0m間距，梅花型布置的？準(zhǔn)42注漿管進(jìn)行圍巖注漿，長(zhǎng)度6m，通過(guò)注入漿液，將破碎圍巖包裹、聯(lián)結(jié)成整體，避免地下水軟化圍巖，減低圍巖變形值。

大變形段隧道初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)如圖4所示。

③仰拱及襯砌。仰拱及時(shí)跟進(jìn)施做，盡量緊跟掌子面，且滯后不得超過(guò)30m，使支護(hù)封閉成環(huán)，提高支護(hù)的承壓能力。同時(shí)襯砌施做也要及時(shí)，但不能一味求快，需在圍巖地應(yīng)力及變形充分釋放后，即圍巖收斂變形趨于穩(wěn)定后再及時(shí)澆筑襯砌，以避免襯砌承壓過(guò)大，在圍巖壓力下破損。

4 ?圍巖變形加固控制效果

選取了采取以上大變形綜合控制措施的DK88+530、DK88+580、DK88+630典型斷面與采用原支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)施工的DK88+365類似圍巖斷面，進(jìn)行圍巖收斂變形量的對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

從表1可看出，采取了以上大變形綜合控制措施的3個(gè)斷面的拱頂下沉及水平收斂值均較對(duì)比斷面大幅降低，變形值處于可控范圍內(nèi)。表明本項(xiàng)目所采取的綜合措施對(duì)于控制圍巖大變形是科學(xué)有效的，確保了施工安全及隧道結(jié)構(gòu)安全。

5 ?軟弱圍巖大變形控制的其他技術(shù)措施

5.1 加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

由于地質(zhì)勘察技術(shù)的發(fā)展水平所限及地質(zhì)勘察點(diǎn)位難以覆蓋全段落，現(xiàn)場(chǎng)施工所揭示的實(shí)際地質(zhì)情況與設(shè)計(jì)勘察所提供資料間存在差異，需根據(jù)地質(zhì)情況的不同，對(duì)超前支護(hù)、施工及初支的技術(shù)參數(shù)作相應(yīng)的調(diào)整及修改，以確保施工安全及施工質(zhì)量。本隧在施工時(shí)建立了由5人組成的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)及監(jiān)控量測(cè)小組，專門進(jìn)行地質(zhì)的超前預(yù)報(bào)技術(shù)工作。

5.2 加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)

本隧施工時(shí)還高度重視監(jiān)控量測(cè)等信息化手段的應(yīng)用。進(jìn)行的監(jiān)控量測(cè)主要包含水平收斂、拱頂下沉，淺埋隧道段還設(shè)置地表沉降觀測(cè)量點(diǎn)。

隧道收斂采用人員持尺量測(cè)耗時(shí)、耗力、干擾大，本項(xiàng)目應(yīng)用了全站儀加貼片反射法進(jìn)行變形及位移的量測(cè)，并配備手提電腦對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件處理及分析。能夠?qū)⒆冃渭拔灰频牧繙y(cè)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果以最快的時(shí)間反饋與施工現(xiàn)場(chǎng)，確保了軟弱大變形圍巖隧道施工的安全、順利進(jìn)行。

6 ?結(jié)束語(yǔ)

軟弱圍巖隧道施工的質(zhì)量事故、安全事故時(shí)有發(fā)生，造成了財(cái)產(chǎn)損失、人員傷亡和巨大的社會(huì)影響，故進(jìn)行軟弱圍巖大變形隧道施工時(shí)，要認(rèn)清軟弱圍巖發(fā)生變形的原因及發(fā)展規(guī)律，采取針對(duì)性的有效控制措施，嚴(yán)格進(jìn)行工序操作、超前地質(zhì)勘察及監(jiān)控量測(cè)，可完全避免軟弱圍巖大變形隧道質(zhì)量及安全事故的發(fā)生，確保施工人員生命及隧道結(jié)構(gòu)的安全。

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