基于核心土加固的破碎炭質(zhì)板巖隧道大變形施工控制技術(shù)研究

林 超，馮海洋，陳科鋒，張俊儒

(1.西南交通大學(xué)木工程學(xué)院，四川成都 610031；2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031；3.中鐵十二局集團(tuán)有限公司，山西太原 030024 )

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)逐步趨于完善，區(qū)域性差異得到了很大的改觀。大(理)臨(滄)鐵路作為促進(jìn)少數(shù)民族地區(qū)開發(fā)開放，協(xié)調(diào)區(qū)域發(fā)展的重要基礎(chǔ)工程，同時(shí)也是“一帶一路”中緬國際大通道的重要區(qū)段，其修建對(duì)于西部地區(qū)振興發(fā)展具有重要意義。杏子山隧道作為大臨鐵路的控制性工程，其順利貫通對(duì)于保證整條線路按時(shí)通車具有積極意義。

杏子山隧道在修建過程中，進(jìn)口炭質(zhì)板巖段出現(xiàn)圍巖大變形，給隧道施工帶來極大困難。蘭渝鐵路木寨嶺隧道作為國內(nèi)炭質(zhì)板巖隧道的典型工程，其修建過程中同樣遇到了圍巖大變形情況。針對(duì)木寨嶺隧道炭質(zhì)板巖大變形，國內(nèi)眾多學(xué)者從多方面對(duì)其進(jìn)行了研究。宋勇軍[1]、張永興[2]、李建偉[3]等從炭質(zhì)板巖蠕變特性入手，得到了炭質(zhì)板巖在不同含水率條件下的蠕變特性及蠕變參數(shù)。劉陽[4]等通過分析炭質(zhì)板巖大變形發(fā)生的影響因素，揭示了木寨嶺隧道炭質(zhì)板巖大變形機(jī)理，并提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。王維富[5]重點(diǎn)揭示了炭質(zhì)板巖地層特性，總結(jié)了炭質(zhì)板巖地層隧道施工要點(diǎn)。木寨嶺隧道炭質(zhì)板巖大變形段與杏子山隧道相比，具有三個(gè)明顯不同的特征：一是木寨嶺隧道炭質(zhì)板巖段地應(yīng)力較高[6]，屬于高地應(yīng)力軟巖大變形，而杏子山隧道炭質(zhì)板巖段并無明顯高地應(yīng)力；二是木寨嶺隧道屬于雙洞單線分離式隧道，其隧道開挖斷面小于杏子山隧道進(jìn)口段；三是杏子山隧道炭質(zhì)板巖地層相較于木寨嶺隧道更加軟弱破碎，采用挖掘機(jī)即可進(jìn)行開挖作業(yè)。因此，木寨嶺隧道炭質(zhì)板巖大變形段施工控制技術(shù)對(duì)于杏子山隧道并不能完全適用。本文針對(duì)杏子山隧道炭質(zhì)板巖大變形特點(diǎn)，在深入分析大變形原因的基礎(chǔ)上，提出一套適用于無高地應(yīng)力破碎炭質(zhì)板巖大斷面隧道的施工控制技術(shù)，可為今后類似地質(zhì)條件下隧道的施工提供參考。

1 工程概況

杏子山隧道位于新建大臨鐵路六五谷站～若巴谷站區(qū)間，六五谷車站伸入隧道內(nèi)，設(shè)計(jì)行車速度為160km/h，隧道全長8 867m。隧道埋深27～726.9m；進(jìn)口端819m為車站雙線隧道，開挖斷面143.64m2，高度11.24m，寬度14.47m。

杏子山隧道進(jìn)口段圍巖以黑色及灰黑色碳質(zhì)板巖為主，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，極易剝落掉塊。同時(shí)該段炭質(zhì)板巖具有較強(qiáng)的崩解性、強(qiáng)風(fēng)化性及流變特性，工程物理力學(xué)性質(zhì)很差。進(jìn)口段圍巖裂隙水發(fā)育，圍巖遇水后呈流塑狀，使圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)一步降低。同時(shí)，杏子山隧道地處川滇地區(qū)的活動(dòng)塊體中，受地質(zhì)構(gòu)造的影響較強(qiáng)，進(jìn)一步加劇了杏子山隧道進(jìn)口碳質(zhì)板巖段的大變形情況(圖1、圖2)。

圖1 杏子山隧道現(xiàn)場(chǎng)揭?guī)r示意

圖2 地質(zhì)縱斷面

2 炭質(zhì)板巖大變形特征及其原因分析

2.1 大變形破壞特征

2.1.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞

杏子山隧道進(jìn)口炭質(zhì)板巖段初期支護(hù)施作完成后，隨著掌子面向前不斷推進(jìn)，后方初期支護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土開裂掉塊嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅隧道施工人員生命安全。同時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)鋼拱架各處出現(xiàn)不同程度的扭曲變形，邊墻位置尤其嚴(yán)重，局部位置甚至出現(xiàn)鋼拱架扭斷現(xiàn)象?，F(xiàn)場(chǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞情況見圖3。

圖3 支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞

2.1.2 初期支護(hù)整體錯(cuò)動(dòng)

如圖4所示，初期支護(hù)施作后不久，前方初期支護(hù)結(jié)構(gòu)與后方初期支護(hù)結(jié)構(gòu)整體產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)破壞，拱部出現(xiàn)較大環(huán)向裂縫。

圖4 初期支護(hù)錯(cuò)動(dòng)

2.1.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形侵限

杏子山隧道進(jìn)口炭質(zhì)板巖段初期支護(hù)在預(yù)留變形量60cm條件下，仍侵入隧道二襯凈空，以DK80+440斷面為例，根據(jù)圍巖監(jiān)控量測(cè)資料，拱頂最大沉降值達(dá)到94.8cm，單側(cè)最大收斂值達(dá)到45.2cm，支護(hù)結(jié)構(gòu)侵入二襯達(dá)34.8cm。

2.2 大變形原因分析

2.2.1 圍巖物理力學(xué)性質(zhì)影響

取DK80+446掌子面左右兩側(cè)巖體作XRD成分測(cè)定，測(cè)試結(jié)果顯示巖石樣品以白云母和斜綠泥石這種片狀極解理的硅酸鹽礦物為主，占總含量的50 %～60 %，其次以碎屑礦物石英(石英的主要成分為SiO2)為主，其相對(duì)含量占30 %以上，另外還含有少量金紅石(主要含量為TiO2)，其相對(duì)含量占3 %～4 %，蒙脫石、伊利石、高嶺石等具有膨脹特性的黏土礦物含量較少，可見杏子山隧道的炭質(zhì)板巖并不具有膨脹性?，F(xiàn)場(chǎng)開挖出的巖體抗崩解性極差，其在外力或水作用下迅速崩解成薄片狀，部分巖體在水作用下甚至軟化成泥，呈流塑狀。巖體的易崩解性在宏觀上變現(xiàn)為巖體應(yīng)力釋放后的體積增長，即產(chǎn)生擴(kuò)容。

2.2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度較弱

支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度較弱是隧道大變形的主觀因素。由于支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度較弱，不能抵抗圍巖荷載，圍巖變形逐漸增大，圍巖變形的增大使得內(nèi)部巖體應(yīng)力得到釋放，巖體持續(xù)擴(kuò)容，松動(dòng)圈范圍也逐漸增大[9]，兩者形成惡性循環(huán)。且隨著圍巖變形的增大，支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力逐漸降低，最終失穩(wěn)。同時(shí)，由于鋼拱架僅在鋼架連接位置設(shè)置縱向連接，使得初期支護(hù)沿縱向剛度較低，整體穩(wěn)定性較差，當(dāng)圍巖壓力沿縱向不均勻分布時(shí)，易產(chǎn)生如圖4所示的環(huán)向裂縫破壞。同時(shí)，邊墻位置拱架由于縱向連接較弱，在偏心力作用下，易產(chǎn)生壓桿失穩(wěn)破壞[10]，形成不規(guī)則扭曲變形，邊墻位置鋼架失穩(wěn)使得整環(huán)支護(hù)結(jié)構(gòu)基本失去承載能力，加重大變形情況。

2.2.3 開挖方式影響

采用三臺(tái)階預(yù)留核心土開挖工法，初期支護(hù)閉合時(shí)間過長，不利于支護(hù)結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮承載能力，過長的閉合時(shí)間也不利于承載拱的形成。同時(shí)，由于采用該開挖方法不利于對(duì)超前核心土進(jìn)行預(yù)支護(hù)，核心土擠出變形過大，使得圍巖卸載范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，圍巖自承能力進(jìn)一步削弱，掌子面開挖過后擴(kuò)容現(xiàn)象更加明顯。

3 破碎炭質(zhì)板巖大變形控制技術(shù)

通過以上對(duì)杏子山隧道圍巖大變形原因的分析可知，杏子山隧道圍巖大變形主要是由于炭質(zhì)板巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層破碎，圍巖自承能力差，加之核心土未加固、初期支護(hù)閉合時(shí)間長等因素使圍巖卸載范圍擴(kuò)大，巖體擴(kuò)容持續(xù)增加，巖體體積的增大又進(jìn)一步削弱了圍巖的自承能力。同時(shí)，由于支護(hù)結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度及剛度較弱，在產(chǎn)生一定的變形量后邊墻處鋼架產(chǎn)生失穩(wěn)破壞，支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力急劇下降，圍巖變形持續(xù)增大。因此，對(duì)于杏子山隧道進(jìn)口破碎炭質(zhì)板巖段大變形。(1)改進(jìn)開挖方法，縮短支護(hù)結(jié)構(gòu)閉合間隔。(2)應(yīng)對(duì)超前核心土進(jìn)行預(yù)支護(hù)，減小圍巖卸載范圍。(3)增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度，有效提高支護(hù)結(jié)構(gòu)抵抗圍巖荷載的能力。

3.1 超前核心土預(yù)加固

3.1.1 超前大管棚

由于杏子山隧道炭質(zhì)板巖破碎，卸載引起的擴(kuò)容現(xiàn)象明顯，超前大管棚可在拱架與未開挖巖體間形成拱梁，對(duì)掌子面前方拱部以上巖體施加預(yù)支護(hù)，從而減小圍巖卸載范圍，提高圍巖承載能力。超前管棚采用φ108mm無縫鋼花管，設(shè)置范圍上臺(tái)階拱部180 °，長度12m，環(huán)向間距0.3m，搭接長度4m，每循環(huán)70根，采用水泥-水玻璃雙液漿。同時(shí)，超前管棚之間配合一環(huán)φ42mm小導(dǎo)管，防止鋼拱架施工時(shí)拱部圍巖大范圍崩解掉落，影響施工安全。

3.1.2 加固超前核心土

杏子山隧道圍巖巖體破碎，隧道開挖后掌子面擠出邊形過大，不利于控制隧道前方圍巖預(yù)收斂及承載拱的形成。在原有三臺(tái)階預(yù)留核心土開挖工法基礎(chǔ)上，以玻璃纖維錨桿加固超前核心土代替預(yù)留核心土。采用玻璃纖維錨桿加固超前核心土，不僅能有效提高核心土強(qiáng)度及剛度，同時(shí)可在掌子面前方形成較大施工作業(yè)面，有利于施工機(jī)械進(jìn)駐作業(yè)，加快施工進(jìn)度。同時(shí)，也為縮短各臺(tái)階長度提供了條件，有利于初期支護(hù)提早閉合?，F(xiàn)場(chǎng)玻璃纖維錨桿加固核心土見圖5。

圖5 玻璃纖維錨桿加固核心土

超前核心土預(yù)加固采用φ25mm玻璃纖維錨桿，長度12m，間距0.6m×0.6m，梅花形布置，搭接長度4m。采用水泥單液漿注漿。

3.2 臨時(shí)仰拱及鎖腳管棚加固

杏子山隧道圍巖水平收斂較大，水平收斂過大導(dǎo)致隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)輪廓發(fā)生改變，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力不合理，水平收斂進(jìn)一步增大將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力急劇下降。上導(dǎo)及中導(dǎo)初期支護(hù)施作完成后采用臨時(shí)仰拱及鎖腳管棚加固，可有效控制圍巖水平收斂，保持初期支護(hù)合理受力輪廓，為初期支護(hù)的閉合爭(zhēng)取時(shí)間。臨時(shí)仰拱采用I20b工字鋼，噴射混凝土厚25cm。鎖腳管棚采用φ89mm無縫鋼花管，長度7m，上臺(tái)階每處拱腳設(shè)置4根，中臺(tái)階每處拱腳設(shè)置4根，角度斜向下，鎖腳與拱架用“L”型鋼筋滿焊連接。杏子山隧道大變形支護(hù)體系見圖6。

圖6 大變形支護(hù)體系

3.3 設(shè)置縱向連接器

鑒于初期支護(hù)結(jié)構(gòu)整環(huán)相對(duì)錯(cuò)動(dòng)及邊墻位置鋼架扭曲變形嚴(yán)重，因此有必要增強(qiáng)鋼拱架間的縱向連接，以提高鋼架間噴射混凝土抗剪能力及支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。型鋼鋼架采用I25b工字鋼，全環(huán)設(shè)置，間距0.6m。鋼拱架間采用I18工字鋼作為縱向連接器進(jìn)行縱向連接。縱向連接器上臺(tái)階共設(shè)置7處，中臺(tái)階每側(cè)設(shè)置2處，施工時(shí)應(yīng)注意將縱向連接器與鋼架垂直放置，并注意焊接質(zhì)量(圖7)。

圖7 縱向連接器

4 大變形控制效果分析

4.1 初期支護(hù)外觀對(duì)比分析

杏子山隧道大變形段采取大變形施工控制措施后，初期支護(hù)表面僅出現(xiàn)少許微小裂縫，無混凝土剝落掉塊現(xiàn)象發(fā)生，鋼架未發(fā)生扭曲變形，支護(hù)結(jié)構(gòu)整體性完整。大變形控制措施前后初期支護(hù)表面對(duì)比效果見圖8。

圖8 初期支護(hù)表面對(duì)比

4.2 圍巖變形對(duì)比分析

圍巖收斂變形時(shí)程曲線是反映隧道大變形控制技術(shù)實(shí)施效果最直接的證據(jù)。為掌握破碎炭質(zhì)板巖大變形控制技術(shù)的實(shí)施效果，選取DK80+440、DK80+470、DK80+475三個(gè)斷面進(jìn)行拱頂下沉及凈空變化對(duì)比分析。其中DK80+470及DK80+475斷面采用了大變形施工控制技術(shù)(圖9～圖11)。

圖9 DK80+440斷面圍巖收斂時(shí)程曲線

圖10 DK80+470斷面圍巖收斂時(shí)程曲線

圖11 DK80+475斷面圍巖收斂時(shí)程曲線

由圖9～圖11所示，在預(yù)留變形量為60cm條件下，未采用大變形控制措施時(shí)，拱頂最大沉降值94.8cm，單側(cè)最大收斂值45.2cm，支護(hù)結(jié)構(gòu)侵入二襯達(dá)34.8cm。且由圖知，中導(dǎo)開挖對(duì)拱頂沉降影響很大，中導(dǎo)未開挖之前拱頂累計(jì)沉降尚能穩(wěn)定在350cm，中導(dǎo)開挖后，拱頂沉降快速增長且無收斂趨勢(shì)。當(dāng)采用大變形施工控制措施后，圍巖拱頂沉降及凈空收斂得到有效控制，拱頂沉降在經(jīng)過前期的快速變形階段后，沉降速率變緩且趨于穩(wěn)定。中導(dǎo)及下導(dǎo)開挖對(duì)拱頂沉降有一定影響，但影響程度較小，支護(hù)結(jié)構(gòu)經(jīng)過短暫調(diào)整后便可重新恢復(fù)到小變形速率的穩(wěn)定階段。拱頂最終沉降穩(wěn)定在430cm內(nèi)，未侵入二襯凈空，滿足隧道施工要求。

4.3 圍巖壓力及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力對(duì)比分析

為了掌握杏子山隧道破碎炭質(zhì)板巖大變形段圍巖壓力大小及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)DK80+432、DK80+470、DK80+475三個(gè)斷面圍巖壓力及初期支護(hù)鋼拱架內(nèi)力進(jìn)行測(cè)試，通過對(duì)圍巖壓力及鋼架內(nèi)力變化特征的對(duì)比分析，可進(jìn)一步從力學(xué)角度分析大變形控制技術(shù)的實(shí)施效果。

4.3.1 圍巖壓力對(duì)比分析

由圖12～圖14可知，未采用大變形控制措施時(shí)，拱頂圍巖壓力在初期支護(hù)完成后增長較快，在前5日便增大至0.418MPa，且中導(dǎo)開挖對(duì)拱頂圍巖壓力影響較大，中導(dǎo)開挖使拱頂圍巖壓力釋放50 %左右。采用大變形控制措施后，拱頂圍巖壓力在前幾日增長較快，后逐漸趨于穩(wěn)定，其值穩(wěn)定在0.2MPa左右，且中下導(dǎo)開挖對(duì)拱頂圍巖壓力釋放影響較小，這充分說明玻璃纖維錨桿及超前大管棚加固掌子面巖體的施工控制措施能夠有效減小圍巖的卸載范圍，提高開挖后圍巖的自承能力，拱部巖體在開挖后經(jīng)過前幾日的應(yīng)力調(diào)整便可達(dá)到比較穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖12 DK80+440圍巖壓力時(shí)程曲線

圖13 DK80+470圍巖壓力時(shí)程曲線

圖14 DK80+475圍巖壓力時(shí)程曲線

同時(shí)，與未采用大變形控制措施時(shí)相比，采用大變形控制措施后，邊墻位置初期支護(hù)完成后圍巖壓力快速增長且數(shù)值較大，最大達(dá)1.169MPa，說明臨時(shí)仰拱能有效控制邊墻位置圍巖的收斂變形，增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)抵抗圍巖荷載的能力。

4.3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力對(duì)比分析

初期支護(hù)鋼架極限抗壓強(qiáng)度為260MPa，極限抗拉強(qiáng)度為380MPa。由圖15～圖20可知，未采用大變形施工控制措施時(shí)，鋼架應(yīng)力增長速率較快，多數(shù)位置在10d以內(nèi)便達(dá)到極限強(qiáng)度，且鋼架應(yīng)力跳躍式變化情況明顯，這是支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的表現(xiàn)。采用大變形控制措施后，鋼架應(yīng)力增長速率明顯下降，多數(shù)位置鋼架經(jīng)過長時(shí)間應(yīng)力增長最終達(dá)到鋼架極限強(qiáng)度，鋼架應(yīng)力增長比較穩(wěn)定，說明采用大變形施工控制措施后，支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到較大提升，鋼架承載能力得到充分發(fā)揮。

圖15 DK80+440鋼架內(nèi)側(cè)應(yīng)力時(shí)程曲線

圖16 DK80+440鋼架外側(cè)應(yīng)力時(shí)程曲線

圖17 DK80+470鋼架內(nèi)側(cè)應(yīng)力時(shí)程曲線

圖18 DK80+470鋼架外側(cè)應(yīng)力時(shí)程曲線

圖19 DK80+475鋼架內(nèi)側(cè)應(yīng)力時(shí)程曲線

圖20 DK80+475鋼架外側(cè)應(yīng)力時(shí)程曲線

5 結(jié)論

實(shí)踐證明，杏子山隧道進(jìn)口破碎炭質(zhì)板巖段大變形施工控制技術(shù)是切實(shí)可行的。針對(duì)類似破碎炭質(zhì)板巖大斷面隧道，提出以下意見和建議：

(1)由于巖體破碎，卸載后引起圍巖擴(kuò)容現(xiàn)象明顯，施工中因注意對(duì)掌子面前方巖體進(jìn)行預(yù)加固，削減圍巖應(yīng)力釋放范圍。玻璃纖維錨桿注漿及超前大管棚將是有效的預(yù)加固措施。采用何種預(yù)加固措施及加固范圍大小應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程情況確定。

(2)對(duì)于類似破碎炭質(zhì)板巖隧道，縮短支護(hù)結(jié)構(gòu)閉合時(shí)間有利于減小隧道松動(dòng)圈范圍，在減小圍巖壓力的同時(shí)也有利于隧道承載拱的形成，有利于隧道的長期穩(wěn)定。

(3)加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及剛度是控制破碎炭質(zhì)板巖隧道大變形最直接有效的措施。支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度較低易導(dǎo)致隧道產(chǎn)生一定變形后支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)，從而使支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力急劇下降，加劇隧道大變形。加強(qiáng)鋼架縱向連接器設(shè)置對(duì)于控制支護(hù)結(jié)構(gòu)變形可以起到四兩撥千斤的效果。