軟弱圍巖偏壓小凈距隧道施工技術(shù)

向 龍, 王 俊, 唐 銳, 唐 協(xié), 周文墨

(1.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610041；2.四川交大工程檢測(cè)咨詢有限公司，四川成都 610041)

隨著我國(guó)公路路網(wǎng)不斷向西部艱險(xiǎn)山區(qū)延伸，隧道修建難度不斷提高。西部艱險(xiǎn)山區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造極其復(fù)雜，區(qū)域內(nèi)廣泛分布著變質(zhì)砂巖、板巖、千枚巖等變質(zhì)軟巖。隧道施工過(guò)程中，圍巖在層理面與地下水的耦合作用下多次出現(xiàn)大變形現(xiàn)象。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)軟巖隧道大變形開(kāi)展了廣泛深入地研究。Terzaghi[1]首次提出了擠出性巖石和膨脹性巖石的概念。前者指侵入隧道后沒(méi)有明顯體積變化的巖石，后者則是指由于膨脹作用而侵入隧道的巖石。Anagnostou[2]認(rèn)為，擠出主要取決于圍巖強(qiáng)度和隧道覆蓋層厚度。陳宗基[3]將圍巖收斂變形機(jī)理劃分為塑性楔體、流動(dòng)變形、圍巖膨脹、擴(kuò)容、撓曲五個(gè)方面；何滿朝等[4]認(rèn)為軟巖變形破壞機(jī)制可分為與深部軟巖本身分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)、與力源有關(guān)、與洞室結(jié)構(gòu)與巖體結(jié)構(gòu)面的組合特性有關(guān)的三個(gè)方面。夏彬偉[5]開(kāi)展三維模型試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了深埋隧道軟弱巖體的破壞失穩(wěn)機(jī)理。馬騰飛等[6]分析了具有不同傾角的多層節(jié)理巖體在高地應(yīng)力條件下的開(kāi)挖變形破壞規(guī)律。左雙英等[7]針對(duì)層狀巖體的各向異性特征，將巖體的破壞模式細(xì)分為5 種。

從上述分析可以看出，目前關(guān)于軟巖隧道大變形的研究多集中于圍巖力學(xué)特性和地下水的影響上面。實(shí)際工程中，由于地形地貌限制，特殊情況下在軟巖地層中不得不修建小凈距偏壓隧道。小凈距偏壓隧道后行洞施工對(duì)先行洞擾動(dòng)大，進(jìn)一步惡化先行洞圍巖受力條件，圍巖變形遲遲難以收斂。再加上偏壓條件下，隧道兩側(cè)受力不均勻，圍壓可能沿軟弱面滑移。兩種因素耦合作用下，相較于普通隧道，小凈距偏壓隧道大變形更為嚴(yán)重，需要開(kāi)展針對(duì)性地深入研究。因此，本文以峨眉至漢源高速公路圓木溝隧道為工程背景，基于理論分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)小凈距偏壓軟巖隧道大變形現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)分析，揭示隧道開(kāi)挖后圍巖的非對(duì)稱形變規(guī)律，以期為該類巖體中隧道開(kāi)挖支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

峨眉至漢源高速公路圓木溝隧道位于四川省峨眉市金口河區(qū)和平鄉(xiāng)解放村境內(nèi)，處于四川盆地西緣，為盆地向青藏高原東部的過(guò)渡地帶，整體地勢(shì)西高東低。隧址區(qū)處于共安斷裂與金口河斷裂之間，在隧道右側(cè)發(fā)育有金口河擠壓破碎帶，使隧道巖體較破碎-極破碎。隧道圍巖巖性較單一，主要為炭質(zhì)板巖、板巖等，隧道巖層走向與路線走向一致，巖層優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀為150°∠70°。板巖具有明顯的層狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度較低，巖體表現(xiàn)出明顯的各向異性的特點(diǎn)。同時(shí)，由于巖體具有力學(xué)強(qiáng)度低、風(fēng)化速度快以及遇水易軟化、膨脹或崩解等不良工程性質(zhì)，隧道開(kāi)挖后導(dǎo)致隧道圍巖的變形及穩(wěn)定問(wèn)題十分復(fù)雜。隧道左右線凈距僅為14～17m，是典型的小凈距偏壓隧道。同時(shí)地面線橫坡約30～35 °，存在明顯的偏壓現(xiàn)象(圖1)。

圖1 圓木溝隧道進(jìn)口地質(zhì)平面

圓木溝隧道施工中出現(xiàn)了明顯的軟巖大變形現(xiàn)象，K70+875先行洞右洞變形量達(dá)到32cm，后行洞左洞達(dá)到29cm，如圖2、圖3所示。后期施工中K70+902～K70+917拱腳處急劇變形量達(dá)到了約80cm，初期支護(hù)發(fā)生侵限，見(jiàn)圖4。

圖2 先行洞K70+875斷面位移累計(jì)變化量

圖3 先行洞K70+875斷面位移日變化率

圖4 K70+902初期支護(hù)開(kāi)裂及侵限

2 圓木溝隧道大變形機(jī)理分析與施工控制措施

2.1 大變形機(jī)理分析

結(jié)合圓木溝隧道圍巖地質(zhì)情況，通過(guò)理論分析，隧道發(fā)生大變形的原因主要有以下幾點(diǎn)：

(1)圍巖巖性差，圍巖為強(qiáng)風(fēng)化碳質(zhì)軟巖，破碎嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)面無(wú)序發(fā)育，為典型的V級(jí)圍巖。

(2)圍巖裂隙水豐富，圍巖施加初期支護(hù)后，部分地下水封閉在初支內(nèi)。地下水的長(zhǎng)時(shí)間侵泡導(dǎo)致圍巖發(fā)生軟化、泥化、膨脹等現(xiàn)象，圍巖失去自穩(wěn)能力，造成較大的拱頂下沉和洞周收斂。

(3)偏壓影響，隧道左右洞覆土厚度相差近15m。

(4)上下臺(tái)階開(kāi)挖，鎖腳錨桿偏弱。施工周期長(zhǎng)，開(kāi)挖面封閉不及時(shí)，下臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)導(dǎo)致上臺(tái)階初期支護(hù)急速下沉。

(5)二次襯砌滯后。

(6)左右洞為小凈距隧道，施工工序未嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求執(zhí)行。

(7)隧道反坡施工，地下水及施工用水未及時(shí)排除，侵泡地基軟化，導(dǎo)致進(jìn)一步沉降。

(8)系統(tǒng)錨桿施工不規(guī)范，超前小導(dǎo)管注漿未達(dá)到預(yù)期效果，未能使圍巖及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)形成有效受力體。

2.2 施工控制措施

針對(duì)圓木溝隧道圍巖條件差以及進(jìn)口地形地貌特殊等特點(diǎn)，施工中主要采取了以下工程措施。

2.2.1 洞口斜交套拱技術(shù)進(jìn)洞

由于右線隧道地形為凹形斜坡，采用正交套拱將導(dǎo)致挖方量劇增，并影響邊坡穩(wěn)定性，故右線隧道采用斜交套拱進(jìn)洞。套拱與地形方向一致。套拱內(nèi)設(shè)置3榀20b工字鋼，各榀鋼架間焊接環(huán)向連接鋼筋。

2.2.2 開(kāi)挖順序

軟巖小凈距偏壓隧道合理開(kāi)挖順序?qū)λ淼绹鷰r穩(wěn)定和支護(hù)措施選擇有很大的影響。后開(kāi)挖埋深較淺一側(cè)對(duì)偏壓邊坡圍巖具有卸荷作用，導(dǎo)致埋深較深一側(cè)的既有隧洞出現(xiàn)較大位移以及承受偏壓圍巖壓力；而先開(kāi)挖埋深較淺一側(cè)可提前釋放偏壓側(cè)壓力，減少埋深較深一側(cè)后期偏壓力及變形。因此，先開(kāi)挖淺埋側(cè)隧道優(yōu)于先開(kāi)挖深埋側(cè)隧道。偏壓側(cè)偏壓力卸荷情況與先行洞及后行洞間距及開(kāi)挖時(shí)間差有關(guān)，設(shè)計(jì)中先行洞與后行洞掌子面錯(cuò)開(kāi)距離應(yīng)大于30m，先行洞采用常規(guī)臺(tái)階法施工，后行采用CD施工(根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)軟弱圍巖監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理)；初期支護(hù)應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)并封閉或落底，保證圍巖、中巖墻、支護(hù)處于有利受力狀態(tài)；后行洞的初期支護(hù)(落底成環(huán)后的)應(yīng)超前先行洞二次襯砌15m；為減輕后行洞開(kāi)挖爆破對(duì)先行洞二次襯砌的影響，先行洞二次襯砌應(yīng)落后于后行洞掌子面30m以上，并滿足圍巖的穩(wěn)定條件。隧道爆破應(yīng)進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，并進(jìn)行試爆，測(cè)定震動(dòng)值，嚴(yán)格控制爆破震動(dòng)。施工時(shí)應(yīng)重點(diǎn)控制爆破對(duì)中巖墻的危害。相鄰爆破分段起爆間隔時(shí)間應(yīng)不小于100ms(圖5)。

圖5 施工工法

2.2.3 大變形侵限處理技術(shù)

2.2.3.1 強(qiáng)化初期支護(hù)以及鋼架封閉成環(huán)

(1)靈活調(diào)整系統(tǒng)錨桿布置方式：加強(qiáng)掌子面管理，分析巖層走向、傾向與隧道軸線關(guān)系，調(diào)整錨桿、小導(dǎo)管布置方式，即垂直或大角度相交于巖層；在順層側(cè)加強(qiáng)錨桿布置數(shù)量；根據(jù)侵限位置采用長(zhǎng)短錨桿結(jié)合方式，加固圍巖體。

(2)加強(qiáng)鎖腳錨桿：增長(zhǎng)鎖腳錨桿及增加鎖腳錨桿數(shù)量，鎖腳錨桿調(diào)整為鎖腳小導(dǎo)管，減少初期支護(hù)沉降。

(3)設(shè)置臨時(shí)仰拱，初支及時(shí)封閉成環(huán)：上臺(tái)階開(kāi)挖后在上臺(tái)階仰拱處設(shè)置臨時(shí)鋼架橫支撐，形成臨時(shí)仰拱，封閉成環(huán)；下臺(tái)階開(kāi)挖并施作初期支護(hù)后，加強(qiáng)鎖腳錨桿。變形較大時(shí)，及時(shí)澆筑仰拱及回填仰拱，作為反壓回填及橫向混凝土支撐，約束初期支護(hù)鋼架內(nèi)側(cè)位移(圖6)。

圖6 加強(qiáng)鎖腳錨桿及臨時(shí)仰拱

2.2.3.2 圍巖注漿加固

注漿加固，對(duì)于水量豐富地段，應(yīng)事先采取預(yù)注漿方式進(jìn)行封閉，以求達(dá)到增大圍巖抗力系數(shù)的目的。周邊注漿有效加固范圍為隧道開(kāi)挖輪廓線外3.5m，注漿孔孔口環(huán)向間距150cm，縱向間距150cm，梅花型布置，注漿孔孔徑φ46mm，孔口設(shè)50cm長(zhǎng)φ48×5mm熱軋無(wú)縫鋼管作為孔口管，注漿孔與隧道軸線呈90 °(拱頂若鉆孔困難，可調(diào)整為60 °)，孔深300cm。注漿材料以堵水為主時(shí)采用水泥-水玻璃雙液漿，C∶S=1∶(0.4～0.6)(體積比)，水泥漿水灰比0.8∶1～1∶1，水泥采用42.5普通硅酸鹽水泥，水玻璃模數(shù)2.8，水玻璃濃度35 °Be’；以加固圍巖為主時(shí)采用純水泥漿(圖7)。

圖7 注漿加固圍巖

2.2.3.3 加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，實(shí)施動(dòng)態(tài)支護(hù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)管理

施工中動(dòng)態(tài)管理，加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，對(duì)沉降、圍巖內(nèi)位移、初期支護(hù)與二次襯砌之間圍巖壓力及鋼筋應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)采取相應(yīng)的施工措施。在開(kāi)挖過(guò)程中做好動(dòng)態(tài)信息收集，根據(jù)監(jiān)控量測(cè)單位提供的實(shí)時(shí)信息指導(dǎo)施工，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，以確保巖體的穩(wěn)定以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。參考現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況以及調(diào)研資料等[3][6]，結(jié)合該項(xiàng)目情況，實(shí)施動(dòng)態(tài)支護(hù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)管理，如下：

(1)最大侵限尺寸d<10cm的：按原設(shè)計(jì)施工。

(2)最大侵限尺寸10cm≤d<15cm的：適當(dāng)加強(qiáng)初期支護(hù)強(qiáng)度，加強(qiáng)鋼架型號(hào)及鋼架間距。

(3)最大侵限尺寸15cm≤d<25cm的：加強(qiáng)初期支護(hù)強(qiáng)度，加強(qiáng)鋼架型號(hào)及鋼架間距；加強(qiáng)鎖腳錨桿及上下臺(tái)階處增加一道橫向臨時(shí)鋼支撐(上臺(tái)階封閉成環(huán))；擴(kuò)大拱腳鋼板；二次襯砌結(jié)構(gòu)加強(qiáng)(加厚二次襯砌厚度、混凝土強(qiáng)度以及鋼筋等措施)。

(4)最大侵限尺寸d≥25cm的：在以上加固措施基礎(chǔ)上，增加預(yù)留變形量；施工工法調(diào)整為CD法；圍巖注漿加固；進(jìn)一步加強(qiáng)初期支護(hù)及二次襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)，初期支護(hù)仰拱全封閉；二次襯砌緊跟。

(5)以上支護(hù)參數(shù)供參考，具體工程應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。

2.2.3.4 換拱處理

K70+902～K70+917急劇性變形達(dá)到了約80cm，初期支護(hù)嚴(yán)重侵限，采取換拱處理。

(1)施作臨時(shí)鋼支撐時(shí)拱腳處虛碴需清理干凈，同時(shí)拱腳采用槽鋼托梁防止因拱腳泡水產(chǎn)生不均勻下沉而失去支撐作用。

(2)由于圓木溝隧道存在反坡排水情況，對(duì)于地下水應(yīng)及時(shí)排除，避免地下水浸泡基礎(chǔ)軟化，引起沉降變形。

(3)換拱過(guò)程中設(shè)置臨時(shí)環(huán)向鋼架加強(qiáng)初支，確保換拱安全；拆換鋼拱架時(shí)應(yīng)自上而下逐榀更換。

(4)換拱采用微震爆破拆除初期支護(hù)[7]，采用微震爆破換拱時(shí)要采用輔助工法和減震防護(hù)措施。

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)對(duì)于軟弱圍巖下偏壓小凈距隧道施工，優(yōu)先開(kāi)挖埋深較淺具有卸荷作用，具有提前釋放內(nèi)側(cè)較深洞室圍巖偏壓力及變形位移，優(yōu)于先開(kāi)挖埋深較大側(cè)。

(2)施工嚴(yán)格遵守“短進(jìn)尺，弱爆破，快封閉，勤量測(cè)，緊二襯，強(qiáng)支護(hù)”，特別是快速封閉初期支護(hù)對(duì)控制沉降變形尤其重要。具體方法為：

①掌子面(圍巖)穩(wěn)定較好情況：在隧道掌子面具有較好自穩(wěn)能力下，建議采用“短進(jìn)尺、弱爆破、全斷面，快封閉”的施工原則，不建議采用上下臺(tái)階法等施工(二次開(kāi)挖急劇加大了沉降)。

②掌子面(圍巖)穩(wěn)定性差情況：在隧道掌子面自穩(wěn)能力較差情況下，建議采用“快封閉，強(qiáng)支護(hù)”的原則，可上下臺(tái)階法但需要在上下臺(tái)階處增加臨時(shí)仰拱封閉，或者根據(jù)地質(zhì)情況采用CRD等小斷面施工，且步步封閉成環(huán)的施工方法。

③其他措施：在施工過(guò)程中結(jié)合地質(zhì)情況等，配合超前管棚、超前小導(dǎo)管、掌子面錨桿、加強(qiáng)鎖腳錨桿、掌子面噴混凝土、注漿等措施。

④及時(shí)二次襯砌：施工過(guò)程中加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，實(shí)施動(dòng)態(tài)支護(hù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)。

(3)在后期監(jiān)測(cè)二次襯砌內(nèi)力數(shù)據(jù)顯示，隧道拱頂圍巖壓力小，兩側(cè)內(nèi)力大，建議后期加強(qiáng)拱頂二次襯砌、初期支護(hù)及圍巖之間空隙注漿。

(4)初期支護(hù)與圍巖形成有效粘聚力異常重要(初期支護(hù)與圍巖形成有效整體)，可以通過(guò)增加鎖腳錨桿數(shù)量，或者周邊圍巖注漿加強(qiáng)圍巖地層參數(shù)進(jìn)行加強(qiáng)。

(5)設(shè)計(jì)中圍巖變形速率<0.2mm/d時(shí)，施作二襯承擔(dān)殘余荷載，但是部分變形較大情況應(yīng)及時(shí)實(shí)作加強(qiáng)的二次襯砌，同時(shí)考慮炭質(zhì)板巖后期蠕變長(zhǎng)期存在，其他地段二次襯砌結(jié)構(gòu)亦進(jìn)行加強(qiáng)。