淺埋軟弱圍巖隧道初期支護(hù)變形開裂分析及處理

(中國十九冶集團(tuán)有限公司 云南 臨滄 677000)

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)深入到了地質(zhì)條件較差的山區(qū)。在隧道開挖過程中，軟弱圍巖地層受多重因素的作用影響，使圍巖穩(wěn)定性在很大程度上有所降低，增加了施工的難度，致使初期支護(hù)容易產(chǎn)生拱頂沉降量，變形開裂和收斂[1]。為保證在軟弱圍巖隧道施工作業(yè)的安全。本文以茂蘭隧道橫洞為例，結(jié)合工程特點(diǎn)及施工難點(diǎn)，介紹隧道初期支護(hù)變形開裂的處理方法以及預(yù)防。

一、工程概況

茂蘭隧道橫洞位于云南大理至臨滄鐵路張家山站到羅閘河站區(qū)間，隧道全長6641m，設(shè)橫洞一座，橫洞小里程為DK130+192，大里程為DK133+320。隧道線路縱坡為22.8‰的單面下坡，線路平面均位于直線上。隧道洞身最大埋深約為192m，洞身有多處淺埋段，最小埋深為11米，隧道最大涌水量為17880m3/d。隧道明洞段采用明挖法施工外，其余各段均按新奧法原理[2]組織施工，光面爆破，噴錨網(wǎng)初期支護(hù)，仰拱超前，拱墻一次襯砌。

茂蘭隧道DK131+110～DK131+090線左起拱線位置初期支護(hù)發(fā)生變形開裂，該里程段最淺埋深約為30米，開裂位置距離掌子面10米，裂縫長度約12米，最大裂縫寬度約3公分。本段設(shè)計(jì)為Ⅴb復(fù)合式襯砌，超前支護(hù)采用φ42小導(dǎo)管，長度4米，環(huán)×縱為0.4m×2.4m，每環(huán)26根;加強(qiáng)支護(hù)采用全環(huán)四肢格柵鋼架，間距0.8m/榀。出現(xiàn)裂紋到裂縫達(dá)到最寬期間，拱頂最大日沉降量5cm，起拱位置最大日收斂達(dá)到4cm，詳見圖1。

圖1 初期支護(hù)變形開裂

二、初期支護(hù)變形開裂原因分析

(一) 不良地質(zhì)影響

初期支護(hù)變形開裂地段(DK131+110～DK131+090)地質(zhì)巖層主要為黑云母花崗巖。TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)顯示本段巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，存在較多裂隙、軟弱夾層，圍巖穩(wěn)定性較差，地下水量上升，存在掉塊、溜塌風(fēng)險(xiǎn)。掌子面圍巖整體性較差，主要呈層狀和塊狀，掌子面表面節(jié)理裂隙發(fā)育，夾雜碎石土，巖體較軟弱，毛開挖面隨時(shí)間松弛掉塊，巖面局部存在滲水。掌子面詳見圖2。

圖2 掌子面

(二)施工因素影響

掌子面DK131+081.2～+080.4，開挖進(jìn)尺0.8m，立架1榀，掌子面現(xiàn)場圍巖差，節(jié)理裂隙發(fā)育，挖機(jī)扒渣時(shí)，拱部滑落，形成深長寬約為3.0m×2.0m×1.5m的一個(gè)塌腔，拱架完成噴射砼后，未及時(shí)對(duì)空腔進(jìn)行回填，導(dǎo)致塌腔后裂隙蔓延擴(kuò)張，進(jìn)而引起掌子面后10米位置的初期支護(hù)出現(xiàn)變形開裂。初支變形開裂原因分析及示意圖詳見圖3。

圖3 初支變形開裂圖示意

三、初期支護(hù)開裂處理方案

本次掌子面溜塌引起的初期支護(hù)變形開裂突發(fā)性強(qiáng)、裂隙貫穿較長。針對(duì)現(xiàn)場掌子面溜塌以及初支開裂的實(shí)際情況，處理分兩步進(jìn)行：一是對(duì)初支開裂部位進(jìn)行搶險(xiǎn)處理，防止裂縫增大蔓延，二是對(duì)前方掌子面塌腔快速回填處理，三是對(duì)塌腔及裂縫整體制訂總體方案。

(一)初期支護(hù)變形開裂搶險(xiǎn)處理

為了防止變形裂縫范圍繼續(xù)擴(kuò)大，對(duì)初期支護(hù)開裂地段采取以下?lián)岆U(xiǎn)措施:

①為減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，暫停洞內(nèi)一切施工，除裂縫處理；②在初期支護(hù)變形開裂處內(nèi)側(cè)增加I18型鋼復(fù)拱架，并在每一個(gè)拱腳位置安裝鎖腳錨管然后注漿，用以增大初期支護(hù)的承受力，穩(wěn)定拱頂?shù)南鲁烈约肮把课坏氖諗?。③在裂縫區(qū)間加密布置監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)并在復(fù)拱架上也增加監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)，用于雙層監(jiān)控對(duì)比沉降，每隔2小時(shí)觀測(cè)一次，分析沉降及收斂是否達(dá)到穩(wěn)定。④在裂縫處及輻射范圍打設(shè)注漿管，安裝6米長Φ42mm注漿鋼花管并注M20水泥漿，讓漿液注滿裂隙空腔防止裂隙再次擴(kuò)大，同時(shí)漿液充填滿破碎巖體固結(jié)碎石體防止其再次下沉，詳見圖1。

注漿參數(shù)參照超前小導(dǎo)管注漿執(zhí)行，注漿時(shí)若注漿壓力達(dá)到1MPa時(shí)暫停注漿，等一小時(shí)后再換注漿管注漿，在停止注漿期間進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)測(cè)量。反復(fù)以上步驟，直至注漿不能注進(jìn)且監(jiān)控量測(cè)下沉收斂趨于穩(wěn)定后方可停止。

待注漿完成且監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)收斂趨于穩(wěn)定后，用噴射混凝土將復(fù)拱架和裂縫進(jìn)行噴射覆蓋形成整體，形成整體增大拱架支撐受力且便于觀察噴射混凝土表面是否還會(huì)出現(xiàn)裂縫。同時(shí)監(jiān)控量測(cè)每隔6小時(shí)測(cè)一次，直至不再變化，待二次襯砌澆筑至此處方可停止觀測(cè)。詳見圖4、圖5。

圖4 復(fù)拱整體布置

圖5 監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)回歸分析

(二)掌子面溜塌空腔處理

為防止掌子面空腔繼續(xù)溜塌，在初期支護(hù)上埋設(shè)Φ125mm注漿泵管，泵管口距塌腔頂20cm，泵管20cm附近埋設(shè)兩根Φ42mm小導(dǎo)管，小導(dǎo)管管口距巖面5cm，用做注漿時(shí)排氣管。注漿管埋設(shè)好，待初期支護(hù)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度之后，對(duì)塌腔進(jìn)行泵送C25噴射混凝土回填，對(duì)塌腔內(nèi)滲水采用埋管方式進(jìn)行集中引排。

為避免塌腔段隧道洞身開挖因變形過大而侵限，洞身初支立架預(yù)留變形量適當(dāng)加大，初期支護(hù)四肢格柵鋼架改用I18型鋼鋼架，且加密鋼架，鋼架間距由設(shè)計(jì)0.8米改為0.6米。前方10米隧道采用上臺(tái)階預(yù)留核心土開挖，中下臺(tái)階按原設(shè)計(jì)錯(cuò)開開挖進(jìn)行施工，上臺(tái)階每循環(huán)開挖進(jìn)尺不得超過1榀拱架間距，中下臺(tái)階每循環(huán)進(jìn)尺不得超過2榀拱架間距。同時(shí)對(duì)洞內(nèi)掌子面至二襯中間段初支的收斂、拱頂下沉加強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻次，加密量測(cè)斷面，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際圍巖情況實(shí)時(shí)調(diào)整開挖方法和支護(hù)參數(shù)。

四、初期支護(hù)變形開裂預(yù)防

(一)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)預(yù)報(bào)通過地震波反射法、鉆孔探測(cè)等方法預(yù)測(cè)隧道掌子面前方的地質(zhì)情況，如軟弱巖層、斷層、破碎帶及富水情況等不良地質(zhì)體位置及規(guī)模[3]。首先采用TSP203型超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)深度120m；再輔助以超前水平鉆探法地質(zhì)預(yù)報(bào)進(jìn)行驗(yàn)證，探測(cè)深度40m；最后在開挖前用加深炮孔法再驗(yàn)證，探測(cè)深度6m。多重探測(cè)驗(yàn)證以達(dá)到提前知曉、提前預(yù)防確保施工安全。

(二)監(jiān)控測(cè)量

現(xiàn)場監(jiān)控測(cè)量作為信息化施工的重要組成部分，能通過觀測(cè)變形及時(shí)了解地層、支護(hù)體系的受力和變形規(guī)律，判定其安全穩(wěn)定狀況。對(duì)存在有安全隱患的部位有針對(duì)性地制定應(yīng)急措施，對(duì)施工過程進(jìn)行有效控制和管理，防止災(zāi)害事故的發(fā)生。所以必須按照規(guī)范建立完整的監(jiān)控量測(cè)系統(tǒng)，有必要時(shí)加密量測(cè)斷面。

(三)加強(qiáng)支護(hù)

對(duì)軟弱圍巖地段，達(dá)到小導(dǎo)管或管棚超前支護(hù)；開挖進(jìn)尺?。槐M量不使用爆破開挖或者采用人工開挖必要時(shí)局部采用松動(dòng)爆破開挖；加強(qiáng)支護(hù)，必要時(shí)縮短拱架間距換用受力更好的拱架材料；開挖后快速支護(hù)封閉成環(huán)；增加量測(cè)頻率；再根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況適當(dāng)增加開挖預(yù)留量保證初支不侵限。

五、結(jié)語

軟弱圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較低，其開挖后圍巖自穩(wěn)時(shí)間短、易坍塌，若是開挖或支護(hù)不當(dāng)，極易出現(xiàn)較大變形甚至失穩(wěn)破壞[4]。增加了施工的難度和施工安全風(fēng)險(xiǎn)。為了提高施工綜合效率，合理選擇施工與支護(hù)方法，規(guī)范落實(shí)超前支護(hù)、地質(zhì)預(yù)報(bào)、初期支護(hù)等工作，切實(shí)保證隧道開挖作業(yè)安全順利地完成。