高地應(yīng)力水平軟巖隧道初期支護(hù)施工技術(shù)研究及應(yīng)用

胡波

中鐵十局集團(tuán)西北工程有限公司 陜西西安 710000

新建蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運(yùn)通道土建工程MHTJ-6標(biāo)段一工區(qū)施工里程為 DK303+330～DK309+800，正線長(zhǎng)度6.47km，合同總價(jià)為3.77億元，主要工程量郝家坪隧道1184.59m/1座，喬坪村特大橋561.26m/1座，延安隧道進(jìn)口4700m/1座，1號(hào)斜井輔助坑道532m/1座，橋隧過(guò)渡段路基12.15m。施工地點(diǎn)位于陜西省延安市安塞縣建華鎮(zhèn)境內(nèi)[1]。

其中延安隧道在施工中經(jīng)歷了洞口淺埋偏壓、土石界面、富水砂質(zhì)新黃土等地質(zhì)都順利通過(guò)。但在進(jìn)洞3745米后圍巖地質(zhì)逐漸變差，開(kāi)挖揭示掌子面主要為泥巖、砂巖互層，薄～中厚層結(jié)構(gòu)，巖層產(chǎn)狀呈水平，節(jié)理較發(fā)育，層間結(jié)合力差，常見(jiàn)5-10cm薄夾層，裂隙發(fā)育明顯，本段埋深在73-119m之間，為高地應(yīng)力水平軟巖不良地質(zhì)。在施工中出現(xiàn)了初支變形、拆換等現(xiàn)象。嚴(yán)重影響施工工期并時(shí)時(shí)刻刻危及著現(xiàn)場(chǎng)施工人員的安全。本文就隧道通過(guò)此不良圍巖地質(zhì)所采用的施工技術(shù)進(jìn)行研究及應(yīng)用。

1 高地應(yīng)力水平軟巖變形機(jī)理

1.1 軟巖的概述

軟巖一般是軟質(zhì)巖石的通稱(chēng)，是指在工程力作用下能產(chǎn)生顯著塑性變形的工程巖體，具有強(qiáng)度低、孔隙度大、膠結(jié)程度差、受構(gòu)造面切割及風(fēng)化影響顯著等特點(diǎn)。多為泥巖、粉砂巖和泥質(zhì)砂巖等單軸抗壓強(qiáng)度小于25 MPa的巖石，是天然形成的復(fù)雜的地質(zhì)介質(zhì)。

1.2 水平軟巖的變形機(jī)理

通過(guò)查閱資料及巖的蠕變?cè)囼?yàn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行總結(jié)，當(dāng)所施加的荷載小于某一荷載水平時(shí)，水平軟巖處于穩(wěn)定變形狀態(tài)；當(dāng)所施加的荷載大于臨界荷載水平時(shí)，巖石出現(xiàn)明顯的塑性變形加速現(xiàn)象，產(chǎn)生不穩(wěn)定變形。

隧道開(kāi)挖前巖體處于三向受壓的高地應(yīng)力環(huán)境，巖體具有一定的強(qiáng)度處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。開(kāi)挖卸荷后原有天然應(yīng)力狀態(tài)破壞，卸荷導(dǎo)致圍巖應(yīng)力急劇變化，地應(yīng)力以能量的形式一部分隨開(kāi)挖而釋放，圍巖發(fā)生瞬間回彈變形，切向應(yīng)力增大而徑向應(yīng)力減小，并在洞壁達(dá)到極限；另一部分則向圍巖深部轉(zhuǎn)移，發(fā)生應(yīng)力重新分布和局部區(qū)域應(yīng)力集中，不斷調(diào)整以后達(dá)到與當(dāng)前環(huán)境相適應(yīng)的新平衡狀態(tài)，開(kāi)挖使巖體所處的環(huán)境由高應(yīng)力場(chǎng)的高圍壓狀態(tài)變?yōu)榈蛧鷫呵腋邞?yīng)力差的狀態(tài)，雖然巖體的變形破壞是巖體結(jié)構(gòu)的變形、改組和失穩(wěn)，但在本質(zhì)以及表現(xiàn)形式上與巖石的變形破壞是一致的，最直接的因素也是主應(yīng)力差的大小和巖體自身強(qiáng)度，巖石在一定的臨界圍壓下會(huì)出現(xiàn)屈服平臺(tái)，呈現(xiàn)塑性流動(dòng)現(xiàn)象，巖體由脆性向延性或者韌性轉(zhuǎn)化。巖體的變形和破壞特征是巖體應(yīng)力和巖體強(qiáng)度這一對(duì)矛盾體共同決定的。開(kāi)挖卸荷使巖體應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整過(guò)程中，巖體產(chǎn)生相應(yīng)的變形，變形使巖體機(jī)構(gòu)面張開(kāi)、滑移，由此使得巖體強(qiáng)度和模量隨之顯著降低，強(qiáng)度和模量的降低又反過(guò)來(lái)影響圍巖應(yīng)力的調(diào)整，如此這樣地重復(fù)使得圍巖塑性區(qū)不斷擴(kuò)展并向深部巖體逐層推進(jìn)。巖體變形的不斷發(fā)展就表現(xiàn)出了洞室邊墻和拱頂塌落等。

高地應(yīng)力軟巖隧道圍巖變形破壞機(jī)理與其原巖的高地應(yīng)力狀態(tài)想聯(lián)系的。原巖應(yīng)力較高，一旦開(kāi)挖，內(nèi)應(yīng)力釋放和回彈，引起相應(yīng)的應(yīng)力調(diào)整和變形，導(dǎo)致隧道破壞失穩(wěn)。

1.3 水平軟巖的變形類(lèi)型

根據(jù)理論分析及大量實(shí)踐，水平軟巖變形力學(xué)機(jī)制主要有三大類(lèi)，即物化膨脹類(lèi)，應(yīng)力擴(kuò)容類(lèi)，結(jié)構(gòu)變形類(lèi)。各類(lèi)有根據(jù)引起的引起變形的嚴(yán)重程度有分為：A、B、C、D四個(gè)層級(jí)。此段水平軟巖屬結(jié)構(gòu)變形類(lèi)的層理形和軟弱夾層形。

2 高地應(yīng)力水平軟巖的危害

根據(jù)施工情況觀察，高地應(yīng)力水平軟巖造成危害的主要特點(diǎn)有：

（1）初期支護(hù)施工5-7d左右，距離掌子面25-50m之間，初支拱部2m范圍內(nèi)出現(xiàn)噴混裂縫脫皮現(xiàn)象[2-4]。隨掌子面掘進(jìn)，裂縫延伸發(fā)展，形成縱向裂縫。掌子面暫停施工時(shí)，裂縫縱向發(fā)展停止。

（2）開(kāi)裂初期拱部噴混形成細(xì)小裂縫，縱向間斷不連續(xù)，長(zhǎng)度一般0.5～2m，寬度1～5mm，初期僅為初支砼裂縫起皮，隨著變形量增大，砼表面剝落，格柵主筋外露，主筋有彎曲變形現(xiàn)象，呈V字形，并有侵限現(xiàn)象。

（3）監(jiān)控量測(cè)情況。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，除開(kāi)裂部位外，拱部沉降、周邊收斂值、速率值較小，均未達(dá)到預(yù)警值，無(wú)明顯異常。初期1-4d變形速率較大，5-7d后速率減小，10-15d變形數(shù)值和速率趨于穩(wěn)定。根據(jù)量測(cè)數(shù)據(jù)顯示開(kāi)裂部位拱部沉降數(shù)據(jù)大，但周邊收斂較?。?-2cm之間）。

（4）仰拱開(kāi)挖時(shí)拱部初支變化明顯，往往會(huì)加劇初支變形掉塊情況，量測(cè)速率增大。

3 高地應(yīng)力水平軟巖的方案研究

3.1 試驗(yàn)段方案研究

高地應(yīng)力水平軟巖隧道施工可借鑒的經(jīng)驗(yàn)少，施工過(guò)程存在盲目性，主要原因是對(duì)其變形力學(xué)機(jī)制不清楚，不同的軟巖在其特定的地質(zhì)力學(xué)環(huán)境中所表現(xiàn)出的變形機(jī)制不同。

對(duì)于此種圍巖，在施工中截取小段落采用以下兩種試驗(yàn)方案：

（1）加強(qiáng)支護(hù)方案，調(diào)整支護(hù)參數(shù)，抵抗圍巖應(yīng)力。DK309+135～DK309+165段采用加強(qiáng)支護(hù)試驗(yàn)段，圍巖由Ⅲ級(jí)變Ⅳ級(jí)，采用Ⅳb復(fù)合式襯砌，初支采用H180格柵鋼架，間距0.75m，全環(huán)布置，仰拱初支H130格柵鋼架隔榀成環(huán)。

（2）限阻器方案，初支拱部增加限阻器，吸收應(yīng)力產(chǎn)生變形，延緩應(yīng)力釋放。DK309+165～DK309+195段采用限阻器試驗(yàn)段圍巖由Ⅲ級(jí)變更為Ⅳ級(jí)，采用Ⅳb復(fù)合式襯砌，初支鋼架采用H150格柵鋼架，間距1m，拱部增加H150鋼板型限阻器。

3.2 效果對(duì)比分析

（1）加強(qiáng)試驗(yàn)段。DK309+135～DK309+165段30米按照Ⅳ級(jí)圍巖，Ⅴb支護(hù)參數(shù)施工。

試驗(yàn)結(jié)果：經(jīng)觀察對(duì)比，采用Vb加強(qiáng)支護(hù)（H180格柵鋼架）與Ⅳb支護(hù)（H150格柵鋼架）參數(shù)相比，拱部裂縫明顯減少，但5-10d內(nèi)DK309+135～DK309+145段先后有多處拱部砼剝皮掉塊，隨著掌子面掘進(jìn)，后續(xù)初支拱部砼仍然有不同程度掉塊脫落，形成縱向裂縫，長(zhǎng)度0.3-2m，主筋受壓彎曲變形，裂縫延伸至DK309+158處未發(fā)展。

試驗(yàn)結(jié)論：水平巖層高地應(yīng)力段落初支采用Ⅴb支護(hù)對(duì)裂縫發(fā)展有一定遏制作用，但拱部混凝土受壓破壞后，應(yīng)力調(diào)整分布格柵主筋繼續(xù)受力至彎曲變形，說(shuō)明圍巖水平應(yīng)力作用明顯，Vb加強(qiáng)支護(hù)不能徹底阻止裂縫產(chǎn)生發(fā)展。

（2）限阻器施工段。DK309+165～DK309+195試驗(yàn)段初支拱部增加H150鋼板型環(huán)向限阻器，監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)按照間距5m加密布置。

試驗(yàn)結(jié)果：第一循環(huán)限阻器隔板出現(xiàn)彎曲變形，試驗(yàn)段結(jié)束后，初支拱部有25米限阻器隔板受壓彎曲變形，一般為1～2.5cm，最大變形量（橫向4cm），彎曲變形出現(xiàn)在施工完成后5d-7d，說(shuō)明水平應(yīng)力作用明顯，但拱部噴混無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象。

試驗(yàn)結(jié)論：根據(jù)試驗(yàn)段結(jié)果，繼續(xù)采用H150鋼板型限阻器方案施工解掘進(jìn)60米，限阻器隔板變形值較小（＜4cm），初支穩(wěn)定，監(jiān)控量測(cè)穩(wěn)定無(wú)異常，拱部噴混無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象，取得了預(yù)期效果。

4 隧道初支限阻器施工技術(shù)

根據(jù)初支拱部混凝土破壞形態(tài)，鋼筋彎曲狀態(tài)，水平圍巖隧道開(kāi)挖后存在水平應(yīng)力釋放作用，導(dǎo)致混凝土受壓破壞，鋼筋變形。限阻器結(jié)構(gòu)采用鋼板焊接成均有一定剛度和柔性的鋼構(gòu)件，拱部縱向剛度加強(qiáng)，與格柵鋼架承擔(dān)圍巖水平作用力，在應(yīng)力釋放下，橫向隔板首先受壓力彎曲變形，水平變形收斂后，利用C25噴混填塞空腔，確保后期鋼架、混凝土共同受力工作。該方法是一種柔性支護(hù)措施，容許圍巖變形、釋放地應(yīng)力、降低支護(hù)壓力，同時(shí)又對(duì)圍巖松弛和過(guò)分變形進(jìn)行約束，能確保圍巖的穩(wěn)定性。

4.1 施工步驟及質(zhì)量控制要點(diǎn)

（1）施工步驟如下：下料→限阻器焊接制作→格柵鋼架加工→限阻器連接安裝→立架固定→隔板空腔填塞土工布→噴射混凝土→清理、注漿→下一循環(huán)。

（2）質(zhì)量控制要點(diǎn)：①限阻器及格柵鋼架必須在加工場(chǎng)統(tǒng)一制作安裝，確保各單元加工質(zhì)量，同時(shí)節(jié)約現(xiàn)場(chǎng)拼裝時(shí)間。②限阻器焊接質(zhì)量合格，采用二保焊工藝，鋼板、連接件焊縫飽滿，無(wú)明顯焊接質(zhì)量缺陷。③加強(qiáng)測(cè)量控制，立架時(shí)確保其縱向在隧頂同一中心線上，上下循環(huán)連接牢靠，限阻器與鋼架采用M20螺栓栓接，以便共同受力。④?chē)姖{作業(yè)前作業(yè)成品保護(hù)，隔板空腔必須采用土工布填充包裹，避免噴射混凝土進(jìn)入。⑤限阻器變形穩(wěn)定后二襯施做前，及時(shí)對(duì)空腔采用C25噴混填充處理，初支與圍巖之間空隙采用埋管注漿（1：1水泥漿）封閉。

4.2 限阻器施工結(jié)構(gòu)圖及照片

H150鋼板型限阻器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)語(yǔ)

延安隧道高地應(yīng)力水平巖層段落，初支拱部受?chē)鷰r高地應(yīng)力作用，導(dǎo)致初支混凝土受擠壓開(kāi)裂，采用普通的支護(hù)加強(qiáng)措施無(wú)法解決砼開(kāi)裂和裂縫發(fā)展問(wèn)題。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)改進(jìn)的限阻器方案，通過(guò)在初支拱部增加限阻器構(gòu)件，應(yīng)力釋放期間能有效地吸收應(yīng)力而產(chǎn)生一定變形，延緩了應(yīng)力釋放對(duì)初支結(jié)構(gòu)的破壞，通過(guò)加強(qiáng)試驗(yàn)段、限阻器試驗(yàn)段應(yīng)用效果對(duì)比，該方案有效的解決了水平巖層段落高地應(yīng)力初支破壞受損的難題，保證了初支工程質(zhì)量；避免了初支砼脫落掉塊，實(shí)現(xiàn)了安全施工，為后續(xù)此類(lèi)地質(zhì)圍巖施工提供了借鑒。