馬爾康二號隧道碳質(zhì)千枚巖段的施工

蘇 暢

(四川興蜀公路建設(shè)發(fā)展有限責(zé)任公司，四川 成都 610012)

0 引 言

隨著國家交通事業(yè)的不斷發(fā)展，隧道施工中不可避免地會遇到穿越軟弱圍巖層、圍巖大變形段、隧道失穩(wěn)等地質(zhì)災(zāi)害的情況[1-4]。軟弱圍巖的物理、力學(xué)特性決定了它對隧道工程的危害是巨大的。普通公路隧道工程很少在特殊地段的初期支護(hù)中采用雙層拱架支護(hù)形式[5-11]，它相較于常規(guī)的襯砌支護(hù)能起到更為顯著的效果。此次以G317線汶川至馬爾康二級改建公路工程馬爾康二號隧道為例，對碳質(zhì)千枚巖地質(zhì)病害和初支雙層拱架施工技術(shù)予以研究，對于施工過程及后期運營的安全性、經(jīng)濟(jì)性具有重要的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

國道317線汶川至馬爾康公路(以下簡稱汶馬路)是四川省12條出省通道之一，是川藏北線(國道317線)成都至西藏那曲公路的起始路段，也是四川省二級公路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的重要公路骨架之一，兼有省州之間輻射線和進(jìn)藏通道的重要作用。

馬爾康二號隧道位于阿壩州州府馬爾康城區(qū)，屬于國道317線繞城段。隧道樁號為K200+285～K201+981，設(shè)計速度60 km·h-1，為二級公路單洞雙向行車隧道，建筑限界凈高5.0 m，凈寬10.0 m。該隧道為傍山隧道，全長1 696 m。隧址區(qū)屬構(gòu)造侵蝕中高山峽谷地貌，梭磨河在該段彎曲，隧道軸線上山脊最高高程為2 880 m，隧道附近梭磨河最低高程2 603 m，相對高差約280 m。隧道沿線地貌均為梭磨河左岸斜坡區(qū)，基巖大面積裸露，地形陡峭，坡度一般為40°～60°，多陡崖分布。區(qū)內(nèi)旱、雨季分明，工程區(qū)內(nèi)地下水有松散堆積層孔隙水和基巖裂隙水兩大類型，主要受河水、大氣降水和高山融雪水補給，對巖體無明顯腐蝕性。

2 隧道原設(shè)計圍巖情況及地質(zhì)病害

2.1 原設(shè)計圍巖情況

該隧道圍巖主要為砂板巖、炭質(zhì)千枚巖、變質(zhì)砂巖和板巖等，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，基巖有少量滲水，圍巖穩(wěn)定性較差，屬于不穩(wěn)定圍巖。原設(shè)計圍巖劃分見表1，隧道各襯砌類型的支護(hù)參數(shù)見表2。

表1 原設(shè)計圍巖劃分

表2 襯砌支護(hù)參數(shù)

2.2 地質(zhì)病害概況

馬爾康二號隧道的施工方式為進(jìn)口和出口同時掘進(jìn)，洞身以深埋Ⅲ級圍巖為主。

隧道進(jìn)口端K200+380～K200+650(270 m)的設(shè)計襯砌類型為Ⅲ型襯砌，根據(jù)施工過程中第三方的超前地質(zhì)預(yù)報資料和實際開挖揭示的圍巖情況，原設(shè)計支護(hù)參數(shù)不能滿足要求，而業(yè)主也根據(jù)圍巖的實際情況，按正常變更程序分段對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，按Ⅳ、Ⅴ型襯砌實施。其中K200+380～K200+410段由Ⅲ型調(diào)整為Ⅳ型襯砌，當(dāng)掌子面樁號到K200+420時，K200+380～K200+410初支左側(cè)拱架(臨山側(cè))發(fā)生變形并侵入二襯斷面，施工方按設(shè)計要求進(jìn)行換拱和加固處治。

當(dāng)掌子面開挖至K200+626時(襯砌類型已調(diào)整為Ⅴ型HW150@80 cm)，K200+613、K200+626左側(cè)拱頂出現(xiàn)塌方和大量涌水，業(yè)主、專家組、設(shè)計、監(jiān)理及施工方共同確定了塌方處治方案，將K200+626～K200+646段拱架調(diào)整為HW175@50 cm，其他襯砌參數(shù)也相應(yīng)地增強。當(dāng)開挖和初支至樁號K200+646，圍巖為碳質(zhì)板巖含千枚巖，且有大量涌水，初期支護(hù)噴射混凝土開裂剝落，型鋼出現(xiàn)扭曲褶皺變形。第三方監(jiān)控量測報告反映，拱頂下沉及周邊收斂已超過預(yù)警值，存在嚴(yán)重的安全隱患。采用HW150@100 cm型鋼臨時護(hù)拱加強支撐，對侵限部位作換拱加固處置。

隧道出口端K201+403～K200+863設(shè)計襯砌類型為Ⅲ型，與進(jìn)口端類似，根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報和實際掌子面圍巖情況分段調(diào)整為Ⅳ、Ⅴ型襯砌形式。其中K201+393～K201+336段圍巖調(diào)整為Ⅴ型襯砌HW150@80 cm，當(dāng)開挖和初期支護(hù)到樁號K201+341時，也出現(xiàn)初支噴射混凝土開裂、型鋼拱架變形。鑒于此，施工方將型鋼間距自行調(diào)整為50～60 cm，但拱頂下沉、周邊收斂及初支變形的現(xiàn)象仍未得到有效的控制。施工方立即為變形段增設(shè)HW150@100 cm型鋼臨時護(hù)拱加強支撐，確保施工安全；對侵限部位作換拱處理，并確保二襯厚度。

3 圍巖地質(zhì)特性

(1)發(fā)生地質(zhì)病害的圍巖主要為碳質(zhì)板巖夾變質(zhì)粉砂巖及千枚巖，地下水為裂隙滲水，局部地方有涌水。

(2)巖體破碎，節(jié)理發(fā)育，巖體間結(jié)合力較差，開挖洞身后圍巖自穩(wěn)能力較差，圍巖強度低，遇水軟化，應(yīng)力重新分布，易產(chǎn)生塑性變形。

(3)巖體結(jié)構(gòu)面處膠結(jié)力小，易滑塌，開挖過程中掌子面處巖層沿結(jié)構(gòu)面滑移錯位，連帶著結(jié)構(gòu)面周圍的巖體產(chǎn)生較大的松弛變形，導(dǎo)致未支護(hù)段落滑塌，已支護(hù)段落變形。

4 失穩(wěn)原因分析

(1)馬爾康二號隧道為傍山偏壓隧道，地表全強風(fēng)化，覆蓋層巨厚，最厚約60 m，從地質(zhì)縱斷面、現(xiàn)有的地形與地質(zhì)資料以及隧道洞身實際揭示的地質(zhì)條件分析，隧道洞身縱向可能處于巖土分界面附近，開挖后圍巖成拱效應(yīng)微弱，支護(hù)結(jié)構(gòu)受到的壓力極大，導(dǎo)致初支經(jīng)常變形、開裂。

(2)隧道開挖掘進(jìn)顯示，圍巖主要為強風(fēng)化碳質(zhì)板巖、千枚巖夾變質(zhì)石英巖，巖體裂隙發(fā)育且破碎，現(xiàn)場地質(zhì)情況復(fù)雜，掌子面軟硬互呈，不同部位應(yīng)力產(chǎn)生差異；從開挖產(chǎn)狀分析，北西向、北東向、南北向構(gòu)造均有，構(gòu)造疊加，節(jié)理發(fā)育，存在斷層及褶皺，圍巖整體穩(wěn)定性差；千枚巖遇水軟化，強度快速降低，并逐漸變成粉末狀，長期不收斂，導(dǎo)致開挖后形成裂隙；施工期間正值馬爾康雨季，地下水增多，進(jìn)一步使隧道圍巖不斷變差。

(3)從上述進(jìn)、出口端3處初支變形的情況來看，圍巖為碳質(zhì)千枚巖，且處于富含地下水段。雖然也對原設(shè)計襯砌支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了增強調(diào)整，采用格柵拱架、HW175型鋼拱架并加密拱架間距等，但是采用的都是單層鋼架支護(hù)，在實際施工過程中并未取得預(yù)期效果，時常發(fā)生初支噴射混凝土剝落掉塊、鋼架扭曲變形、拱頂坍塌，必須及時采用臨時鋼架支撐才能穩(wěn)定。這說明了單層鋼架在應(yīng)對這種特殊圍巖時支護(hù)能力不足，原設(shè)計襯砌支護(hù)參數(shù)偏弱。本文限于篇幅，也只列舉了上述3處初支變形段，在實際施工過程中馬爾康一號、二號隧道還有多處發(fā)生類似情況，導(dǎo)致馬爾康隧道總體施工進(jìn)度緩慢，建設(shè)成本不可控。

5 雙層拱架支護(hù)

5.1 雙層拱架支護(hù)參數(shù)

(1)Ⅴ特2型襯砌斷面設(shè)計如圖1所示。

圖1 Ⅴ特2型襯砌斷面

(2)適用于洞身Ⅴ級特別軟弱及地下水豐富的圍巖段，采用雙層型鋼拱架支護(hù)(仰拱為單層)，初期支護(hù)型鋼鋼架分2層施作，第一層鋼架間距1.0 m，初步噴射混凝土封閉后，緊接著在兩榀鋼架之間架立第二層鋼架，復(fù)噴使初期支護(hù)總厚度控制在35 cm左右。鋼架安裝見圖2。

圖2 鋼架安裝

(2)系統(tǒng)徑向錨桿采用Φ42注漿小導(dǎo)管代替，上臺階拱部180°范圍內(nèi)布置，間距l(xiāng) m×1 m對圍巖進(jìn)行注漿加固。小導(dǎo)管用熱軋無縫鋼管制成，直徑42 mm，壁厚4 mm，單根管長4.5 m。管壁鉆注漿孔，孔徑為8 mm，孔間距20 cm，呈梅花形布置，尾部30 cm不鉆注漿孔作為止?jié){段。

(3)超前支護(hù)采用與系統(tǒng)錨桿相同的小導(dǎo)管，在相鄰兩榀鋼架連續(xù)布置，兩環(huán)為一組，小插角5°～10°，大插角30°～40°，環(huán)向間距0.4 m，拱部120°范圍內(nèi)交錯布置，端部焊接在鋼架上。兩組小導(dǎo)管之間縱向間距3 m，小插角導(dǎo)管的水平搭接長度不小于1.0 m。

(4)小導(dǎo)管注漿采用孔內(nèi)多次間歇式注漿，采用標(biāo)號42.5以上的普通硅酸鹽水泥，水灰比約為0.5～0.6，現(xiàn)場試配確定，在富水段可以適當(dāng)添加水玻璃。

從進(jìn)口樁號K200+646到出口樁號K201+341，二號隧道洞身開挖尚剩余695 m，后期施工過程中發(fā)現(xiàn)采取上述雙層拱架支護(hù)參數(shù)進(jìn)行支護(hù)均取得了良好的效果，很好地控制了隧道沉降和收斂，保證了施工質(zhì)量和安全，同時也避免了二次返工處理，大大加快了施工進(jìn)度。

5.2 雙層拱架支護(hù)的技術(shù)要點

雙層拱架支護(hù)應(yīng)根據(jù)地質(zhì)圍巖級別，并在超前地質(zhì)預(yù)報及監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的指導(dǎo)下施工。

兩層鋼拱架應(yīng)連續(xù)施工，以免第一層鋼架長期單獨受力；上臺階鋼架腳落底應(yīng)穩(wěn)固，臺階底面應(yīng)做成反弧狀。隧道掌子面涌水較大時，應(yīng)按設(shè)計要求進(jìn)行堵排水處理，確保工作面不積水。

若遇變形加劇、靠近斷層軟弱破碎帶、隧道涌水等情況，應(yīng)提高監(jiān)控量測頻率，并通過超前地質(zhì)預(yù)報探明前方地質(zhì)條件，為工程決策提供必要依據(jù)。

6 結(jié) 語

(1)在馬爾康二號隧道軟弱碳質(zhì)千枚巖涌水圍巖段使用雙層拱架支護(hù)能確保施工安全和工程質(zhì)量，但工序繁復(fù)使隧道掘進(jìn)時間延長，在設(shè)計上對局部處理欠佳，相較一般單層拱架支護(hù)每延米造價增幅較大，增加了建設(shè)投資成本，但確保開挖、支護(hù)、二次襯砌施工一次性通過，避免了返工處治隧道病害，縮短了建設(shè)周期，節(jié)省了資金投入。

(2)結(jié)合本工程對軟弱碳質(zhì)千枚巖圍巖隧道施工中出現(xiàn)的問題進(jìn)行歸納總結(jié)，充分利用超前地質(zhì)預(yù)報和監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析，經(jīng)過反復(fù)研討和對比方案，并在施工中不斷修正、完善支護(hù)參數(shù)的不足，形成了一套有較大殘余構(gòu)造應(yīng)力的千枚巖地質(zhì)大變形隧道的施工方案，為以后遇到類似地質(zhì)的隧道提供了很好的借鑒。