隧道軟弱圍巖變形特征及處治技術(shù)研究

鄧勝強(qiáng)

摘要：文章以廣西河池至百色高速公路機(jī)場隧道軟弱圍巖段處治為例，總結(jié)分析了隧道軟弱圍巖變形的特征，提出了針對掌子面擠出變形、拱腳圍巖下沉變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及隧底軟弱圍巖處治等成套處治技術(shù)，成功解決了機(jī)場隧道軟弱圍巖段大變形問題，對后續(xù)類似工程問題具有參考意義。

關(guān)鍵詞：隧道;軟弱圍巖;變形;鋼管樁;處治技術(shù)

With the treatment of the weak surrounding rock section of Guangxi HechiBaise Expressway airport tunnel as the example，this article summarizes and analyzes the deformation characteristics of weak surrounding rock of the tunnel，proposes the complete set of treatment techniques for extrusion deformation of work face，subsidence deformation of the surrounding rock at arch foot，deformation of retaining structure，and treatment of weak surrounding rock at the tunnel bottom，which successfully solves the large deformation problem of the weak surrounding rock section of airport tunnel，and has reference significance for subsequent similar engineering problems.

Tunnel;Weak surrounding rock;Deformation;Steel pipe pile;Treatment technology

0 引言

軟弱圍巖一般指強(qiáng)度低、孔隙度大、膠結(jié)程度差、受構(gòu)造面切割及風(fēng)化影響顯著的松散軟弱地層條件。對于隧道工程而言，在一定的應(yīng)力水平或埋深條件下，軟弱圍巖區(qū)段易產(chǎn)生較大的施工變形。[1]

隨著我國高速公路網(wǎng)絡(luò)體系的不斷發(fā)展和完善，隧道所占高速公路里程比重日漸增大，新建隧道軟弱圍巖占比也逐步增加。軟弱圍巖隧道施工中存在的圍巖變形

量大、初期支護(hù)侵限嚴(yán)重、變更設(shè)計(jì)頻繁等問題也越發(fā)突出。而軟弱圍巖隧道的變形特征與處治技術(shù)也是當(dāng)前隧道工程界研究的熱點(diǎn)問題之一。

本文以廣西河池至百色高速公路機(jī)場隧道軟弱圍巖處治為例，進(jìn)行分析總結(jié)。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

河百高速公路機(jī)場隧道進(jìn)口位于河池市金城江區(qū)拔貢鎮(zhèn)岜向村西北側(cè)約150 m處，出口位于南丹縣車河鎮(zhèn)楓木店村東南側(cè)約1 km;為分離式長隧道，左線設(shè)計(jì)長度為1 815.0 m，右線設(shè)計(jì)長度為1 850.0 m。

隧道出口ZK4+455～ZK4+495段位于丹池大斷裂構(gòu)造破碎帶內(nèi)，圍巖擠壓破碎和泥化嚴(yán)重。掌子面圍巖巖體結(jié)構(gòu)已基本破壞，整體呈散體狀結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為黏土夾全～強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r。巖體穩(wěn)定性極差，無自穩(wěn)能力，開挖后極易出現(xiàn)坍塌，有地下水滲出，土的含水量高且處于飽和狀態(tài)，基底承載力較低。

1.2 圍巖及設(shè)計(jì)襯砌類型

設(shè)計(jì)圍巖級別為V級圍巖，襯砌支護(hù)采用S5-P型式：超前支護(hù)采用42 mm超前小導(dǎo)管，環(huán)向間距為40 cm，縱向間距為250 cm，長度為430 cm;初期支護(hù)型鋼拱架型鋼型號為Ⅰ20b，間距@=50 cm;鎖腳采用42×4 mm注漿鎖腳小導(dǎo)管，每環(huán)12根，長度為3.5 m。開挖方式采用三臺階預(yù)留核心土法施工。

1.3 病害及緊急處治措施

隧道ZK4+455掌子面施工過程中，在完成上臺階開挖及支護(hù)后，繼續(xù)中臺階開挖時(shí)，掌子面圍巖出現(xiàn)擠出和塌方，靠近掌子面上臺階的初支鋼架出現(xiàn)凹凸和下沉;同時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示初期支護(hù)沉降量有加大趨勢，局部累計(jì)沉降達(dá)9.3 cm，隧道處于危險(xiǎn)狀態(tài)。

險(xiǎn)情發(fā)生后，在立即停止掌子面開挖施工的同時(shí)，對掌子面采用了C25噴射混凝土進(jìn)行封閉，并用108×8 mm注漿鋼管樁（每榀4根，角度不同）對上臺階型鋼拱架拱腳進(jìn)行注漿加固，注漿鋼管樁與初期支護(hù)鋼架焊接。經(jīng)上述緊急處治后，隧道變形得以有效控制。

2 軟弱圍巖變形特征分析

通過對機(jī)場隧道沉降變形段監(jiān)測資料及現(xiàn)場情況進(jìn)行對比分析，得出隧道軟弱圍巖變形主要來自于兩部分：隧道圍巖變形和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形。

2.1 隧道圍巖變形

對隧道圍巖變形進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)其變形又包含兩部分：掌子面擠出變形和拱腳圍巖下沉變形。

（1）掌子面擠出變形：由于圍巖受構(gòu)造帶影響，破碎及泥化嚴(yán)重，自穩(wěn)能力差，隨著隧道中臺階的逐漸開挖，隧道掌子面開挖斷面的擴(kuò)大，掌子面圍巖受力條件進(jìn)一步變差，往臨空側(cè)的變形加大，導(dǎo)致掌子面拱頂出現(xiàn)擠出和塌方。

（2）拱腳圍巖下沉變形：由于軟弱圍巖承載力較低，不能滿足初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的基底承載力要求，支護(hù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)圍巖產(chǎn)生壓縮或沉降變形，導(dǎo)致隧道出現(xiàn)下沉開裂，即原初期支護(hù)設(shè)計(jì)中臺階拱腳處的42×4 mm注漿鎖腳小導(dǎo)管加固，不足以承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)的荷載。

2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形

支護(hù)結(jié)構(gòu)變形是由于支護(hù)材料強(qiáng)度滿足不了軟弱圍巖變形對其產(chǎn)生的附加應(yīng)力要求，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)的材料產(chǎn)生彈性或塑性變形，支護(hù)鋼架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)凹凸變形，從而引發(fā)隧道變形開裂，即原來設(shè)計(jì)Ⅰ20b型鋼拱架強(qiáng)度已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場圍巖形變要求。

3 隧道軟弱圍巖變形處治措施

合理的處治方案，應(yīng)是具有針對性、能對癥下藥的。本文根據(jù)機(jī)場隧道現(xiàn)場地質(zhì)情況，研究和分析其軟弱圍巖變形特征及緊急處治措施方案的效果，總結(jié)提出了針對掌子面擠出變形、拱腳圍巖下沉變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及隧底軟弱圍巖處治等成套處治技術(shù)。

3.1 掌子面擠出變形控制措施

機(jī)場隧道ZK4+455掌子面出現(xiàn)險(xiǎn)情后，采用C25噴射混凝土封閉掌子面，起到了非常好的作用。即在開挖后的掌子面立即噴射50～100 mm厚的混凝土，使掌子面暴露的時(shí)間盡可能縮短，以防止隧道開挖初期掌子面圍巖松弛甚至崩塌，從而控制掌子面的擠出變形[2]。

3.2 拱腳圍巖下沉變形控制措施

隧道中臺階、下臺階及仰拱開挖前，在隧道每榀拱架兩側(cè)拱腳處分別向下打設(shè)108×8 mm注漿鋼管樁（見圖1），鋼管樁與拱腳焊接，鋼管及漿液擴(kuò)散后保證拱腳地基承載力，鋼管樁長度與角度可根據(jù)現(xiàn)場情況確定。

圍巖狀況相對較好時(shí)，可酌情取消上臺階和中臺階拱腳處注漿鋼管樁。

3.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制

隧道軟弱圍巖較差，變形較大，且初期支護(hù)鋼架出現(xiàn)凹凸等塑性變形時(shí)，應(yīng)采用強(qiáng)度更高的Ⅰ20a型鋼拱架代替之前的Ⅰ20b型鋼拱架，以增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度，確保初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的彈性變形在可控范圍內(nèi)，防止初期支護(hù)結(jié)構(gòu)因自身強(qiáng)度不足產(chǎn)生塑性變形。

3.4 隧底軟弱圍巖處治

隧底軟弱圍巖處治的目的是通過合理可行的處治手段，提高隧道圍巖的地基承載力，使之能滿足設(shè)計(jì)要求。

隧底軟弱圍巖處治主要有換填處治及微型樁復(fù)合地基處治等方法。換填處治適用于軟弱圍巖厚度較小路段;而機(jī)場隧道出口ZK4+455～ZK4+495段軟弱圍巖深度較大，采取了微型樁復(fù)合地基處治方案。具體處治方案如下：

（1）微型樁尺寸及間距設(shè)計(jì)：經(jīng)計(jì)算后隧底微型樁采用50×5 mm鋼花管注漿加固，縱向間距為60 cm，橫向間距為80 cm，長度≥7 m。

（2）樁頂墊層設(shè)計(jì)：鋼管樁施工完成并達(dá)到一定強(qiáng)度后，清除二襯仰拱標(biāo)高最低點(diǎn)下110 cm厚巖土，在底層鋪設(shè)30 cm的級配良好的碎石，碎石直徑≤3 cm。

（3）墊臺設(shè)計(jì)：鋪設(shè)碎石墊層后，澆筑80 cm厚混凝土（C30）墊臺。墊臺內(nèi)設(shè)有總共兩層16 mm鋼筋網(wǎng)，間距20×20 cm，凈保護(hù)層為5 cm。

4 結(jié)語

機(jī)場隧道出口ZK4+455～ZK4+495段軟弱圍巖沉降變形，經(jīng)及時(shí)有效處治后，歷經(jīng)一年多的通車運(yùn)營，目前隧道狀況良好，未出現(xiàn)沉降變形及開裂等不良現(xiàn)象。這說明處治過程中對隧道軟弱圍巖變形特征的分析是正確的，采用的成套處治技術(shù)是可行的和可靠的。由此，可得出以下結(jié)論：

（1）隧道軟弱圍巖變形包括軟弱圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形兩部分。

（2）掌子面及時(shí)封閉能有效控制掌子面擠出變形。

（3）臺階拱腳處合理設(shè)置鋼管樁能有效地控制軟弱圍巖變形。

（4）隧道軟弱圍巖段應(yīng)適當(dāng)提高初期支護(hù)型鋼拱架的自身強(qiáng)度。

（5）微型樁復(fù)合地基能有效解決軟弱圍巖段隧底地基承載力不足的問題。

本文通過對機(jī)場隧道軟弱圍巖段變形處治工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，提出成套的相關(guān)處治措施，以期積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]李文江，孫明磊，朱永全，等.軟弱圍巖隧道臺階法施工中拱腳穩(wěn)定性及其控制技術(shù)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31（Z1）：2 792-2 737.

[2]李鵬飛，趙 勇，劉建友.隧道軟弱圍巖變形特征與控制方法[J].中國鐵道科學(xué)，2014，35（5）：55-61.