不良地質隧道初期支護變形特征及處理對策*

王文芳

(蘭州石化職業(yè)技術學院 730060)

引言

隨著我國交通基礎設施的不斷完善, 在復雜地質條件下修建隧道已經(jīng)非常普遍, 然而在復雜地質環(huán)境中修建隧道常遇到突水突泥、 巖爆、 高溫熱害、 軟巖大變形等災害[1]。 這給隧道的正常施工帶來極大的困難, 如蘭渝鐵路木寨嶺、 胡麻嶺和桃樹坪隧道、 宜萬鐵路的野三關隧道、 大瑞鐵路大柱山隧道等工程的地質災害, 嚴重影響了隧道的正常建設[2-5]。 國內學者對不良地質隧道的建設有不同的觀點, 部分學者認為加強勘察設計精度, 避開不良地質； 也有部分學者認為圍巖災害機理沒搞清楚, 支護手段不夠科學[6-8]。 但是目前的物探手段不能完全搞清楚復雜的地質狀況, 工程建設過程中遇到不良地質隧道不可避免。 本文結合某隧道施工中出現(xiàn)的軟巖變形問題, 簡要介紹圍巖的變形特征、 分析變形原因,制定了針對性的處理措施, 控制了初期支護變形, 順利完成了施工。

1 工程及地質概況

某鐵路隧道全長9585m, 為單管雙線隧道,直線段線間距4.4m, 曲線段線間距4.6m, 最大毛洞開挖跨度14.5m, 開挖高度12.5m, 開挖面積142m2。 隧道所處的地質構造極其復雜, 經(jīng)歷了三期較明顯的構造運動, 分別為前震旦紀、 中生代及新生代構造運動, 受多期構造運動疊加的影響, 隧道穿越3 條斷層、 2 個褶皺帶, 其中F1斷層750m,X3向斜270m。 隧道巖體節(jié)理裂隙發(fā)育, 風化嚴重, 存在高地應力、 承壓水、 斷層破碎帶地層, 施工難度較大。 隧道穿越X3向斜核部時, 發(fā)生初期支護變形、 混凝土掉塊, 鋼架扭曲和斷裂, 初支侵限等施工災害。

2 變形段特征及原因分析

2.1 變形特征

當隧道掘進至X3向斜核部時, DK27 +985 ～DK28 +035 段初期支護出現(xiàn)了變形, 在完成初期支護3 天后噴射混凝土開始掉皮、 鼓包, 大量的線狀和股狀水從掉皮處流出, 肉眼觀察鋼架和連接筋已近嚴重扭曲變形, 局部鋼架已經(jīng)扭斷, 其中DK27 +985 ～998 段拱頂1.5m 范圍內掉皮,DK27 +998 ～DK28 +035 拱頂至右側拱墻底部掉皮嚴重, 鋼架已經(jīng)扭斷。

統(tǒng)計初期支護變形趨于穩(wěn)定時的最大變形量(圖1), DK27 +985 ～ DK28 +000 段主要為拱部下沉； DK28 +000 ～DK28 +035 段主要為拱腰收斂, 已經(jīng)嚴重侵限, 最大侵限33.9cm。 在鉆爆掘進時, 右側拱腰部位曾出現(xiàn)17cm/h 的收斂,爆破震動過程中圍巖變形較快。 上半斷面開挖支護24h 內, 右側拱腳收斂2cm ～4cm, 拱頂下沉5cm ～7cm； 左側拱腳收斂 2cm ～3.5cm, 停止鉆爆掘進后, 流水部位支護變形趨于穩(wěn)定。

圖1 支護變形趨于穩(wěn)定時的最大變形量散點圖Fig.1 Maximum deflection scaller diagram of plateaued propping deformation

2.2 原因分析

受多期構造運動疊加的影響, 此段地層為斷裂構造兼具壓扭性推覆構造特征及張扭性斷裂特征[9]。 開挖掌子面揭示地層呈水平層狀結構, 硬質圍巖間夾有軟弱層, 泥狀強風化軟弱層與硬質破碎層交錯出現(xiàn), 夾層厚度、 產狀變化頻繁, 軟弱夾層厚度1m ～4m, 巖層節(jié)理面中夾有0.2mm～3mm 泥狀礦物, 巖石間的粘聚力、 摩擦力降低, 又因承壓水的影響, 造成該段隧道施工期間多次發(fā)生涌水突泥災害, 致使支護結構變形開裂而發(fā)生變形。

從支護方面考慮, 此段按Ⅲ級加強圍巖支護參數(shù)設計, 采用錨網(wǎng)噴+ 型鋼鋼架聯(lián)合支護,I16 鋼架間距 1.5m,φ22 砂漿錨桿長 3.5m,φ8鋼筋網(wǎng)片間距25cm ×25cm, C25 噴射混凝土厚25cm。 開挖后揭示的掌子面地層為Ⅴ級圍巖, 設計的支護參數(shù)較低, 不能滿足結構安全要求。

綜合分析認為, 圍巖強烈變形主要有以下三個原因: (1)受向斜構造影響, 巖體破碎, 糜棱巖化嚴重, 圍巖的自穩(wěn)能力差； (2)地層存在高水頭承壓水是主要原因, 隧道開挖后改變了水路通道, 大量的承壓水流向支護面形成了較大的壓力； (3)隧道圍巖自穩(wěn)性差, 采用光面爆破大進尺使圍巖受擾動比較嚴重。

3 處理方案

分析了變形原因, 參照類似工程的技術[10-12], 制定以下四個方面的措施: (1) 對DK27 +985 ～DK28 +000 段初期支護變形段拱墻部位徑向注漿加固, 提高圍巖的自穩(wěn)能力, 最大限度地控制變形； (2)對變形不嚴重、 侵入二襯限界小于1/4 的段落拱墻部位進行徑向注漿加固, 二次襯砌加強設計, 全斷面鋪設防水板, 先墻后拱法施工； (3)變形較嚴重的DK28 +000 ～DK28 +020 段拱墻部位徑向注漿加固, 右側邊墻底至拱頂部位更換拱架； (4)對 DK28 +020 ～DK28 +035 正在變形地段用長錨桿+大網(wǎng)片+高強微纖維混凝土進行補強加固。

3.1 徑向注漿

徑向注漿采用φ32 鋼花管(圖2), 長3.5m,環(huán)縱向間距均為1.0m, 在支護面上梅花形布置,施工過程中視變形情況調整間距。 將縱向5m 范圍劃為一個工作區(qū)段(圖3), 依次施工。

圖2 鋼花管構造Fig.2 Steel piping structure

注漿材料為水泥+ 水玻璃雙液漿, 水灰比0.7 ～0.9, 水泥: 水玻璃 =1∶0.5, 水玻璃模數(shù)3, 波美度35, 水泥強度等級 P.O42.5。 注漿壓力控制在0.2MPa ～1.5MPa, 注漿遵循“先底層,后頂層, 先兩邊, 后中間”的步驟, 將水圍堵至一點, 然后集中引出。

3.2 先墻后拱法施做二襯

先墻后拱法是指先施做二次襯砌拱墻混凝土, 然后施做仰拱。 在拱墻二襯的保護下開挖仰拱, 避免仰拱開挖對初期支護的影響； 此外先施做拱墻部位的二襯可以限制圍巖變形, 為大里程段徑向注漿和換拱作業(yè)提供安全通道。

圖3 注漿孔布置示意Fig.3 Grouting hole arrangement schematic

施工前先將墻腳部位仰拱開挖成型, 鋪設防水板, 立好模板, 做好此段仰拱鋼筋和防水措施, 澆筑條形基礎, 為襯砌臺車提供通道(施工步驟見圖4), 然后處理初支護基面, 鋪設防水板, 架立仰拱橫撐, 澆筑二次襯砌混凝土。

圖4 先墻后拱法施工示意Fig.4 Wall first arch after construction schematic

3.3 換拱作業(yè)

換拱作業(yè)為全部處理過程最重要的環(huán)節(jié), 稍有不慎就會出現(xiàn)安全事故, 安全風險極大。 換拱作業(yè)之前, 對拆換段斷面初期支護進行臨時的扇形木支撐和對口撐加固, 先徑向注漿, 然后從拆換段的中心部位向小里程拆換, 拆除時以肢為單位, 逐肢更換, 更換完畢后將鋼架與注漿用的鋼花管尾部焊接, 施工時注意控制斷面尺寸, 確保襯砌限界。 更換兩肢鋼架后掛φ12@20cm×20cm鋼筋網(wǎng)片, 噴射C25 纖維混凝土, 重復上述工序, 直至所有鋼架更換完畢。

整個變形處理過程耗時兩個月, 嚴重影響了工期, 變形處理后, 量測數(shù)據(jù)顯示, 二次襯砌拱頂下沉 1mm/t, 拱腰、 跨中、 拱腳最大收斂1mm/t, 仰拱澆筑后, 拱頂停止下沉, 拱腰、 拱腳、 跨中、 墻腳部位停止收斂, 滿足驗收標準[13,14], 證明變形整治措施是合理的, 整治處理成功。

4 調整正常段施工方法

在正常段施工中遵循“超前探、 小斷面、 管超前、 短進尺、 強支護、 快閉合、 勤量測、 仰拱先行、 襯砌緊跟”的原則。 先做超前地質預報,摸清地質情況, 按照Ⅴ級加強支護參數(shù)施工: 用格柵鋼架代替型鋼鋼架, 間距調整為0.6m ～0.8m, 并視圍巖穩(wěn)定情況調整進尺； 超前小導管長4.0m, 環(huán)向間距調整為22cm, 縱向搭接1.0m, 外插角 10° ～ 12°, 注水泥 + 水玻璃雙液漿加固巖層； 用自進式錨桿代替普通砂漿錨桿；用φ12@20cm×20cm 鋼筋網(wǎng)片代替φ8@25cm ×25cm 網(wǎng)片； 噴射 C25 纖維混凝土厚 25cm； 縱向連接筋雙層內外交錯布置, 環(huán)向間距80cm； 將三臺階開挖法變?yōu)槠卟阶鳂I(yè)法, 臺階長控制在5m ～7m, 仰拱距下臺階25m, 襯砌距仰拱25m；用弱震動控制爆破代替光面爆破, 將預留變形量調整為25cm, 視圍巖情況適當調整。 支護完成后, 在支護面垂直鉆5m 的深孔, 為承壓水提供通道, 釋放水壓力。

調整施工方法后, 初期支護變形控制滿足規(guī)范[13,14]的要求。

5 結語

針對隧道初期支護變形原因和特征, 提出了要充分發(fā)揮圍巖的自承能力, 通過預留泄水孔、徑向注漿、 換拱、 自進式錨桿+格柵鋼架、 高強纖維混凝土等初期支護方法組合使用來控制變形是有效的。 在軟弱圍巖隧道初期支護變形、 坍塌等特殊的情況下, 采用先墻后拱法施做二次襯砌, 確保施工安全, 最大限度降低風險和損失。原設計的隧道圍巖級別與開挖后揭示的圍巖級別相差較大, 證明地勘資料欠準確, 建議對特殊構造區(qū)隧道進行勘測時要盡可能地搞清楚地質情況, 為設計和施工人員提供依據(jù)。