泥質(zhì)砂巖地層隧道圍巖變形特征及支護(hù)施工技術(shù)

薛 光

(中鐵十七局集團(tuán)第二工程有限公司，陜西 西安 710016)

1 引言

當(dāng)處于含水率較低的環(huán)境時，泥質(zhì)砂巖具備較強的自穩(wěn)能力，若含水率偏高將出現(xiàn)滲流現(xiàn)象，不利于圍巖穩(wěn)定性且伴隨有變形甚至塌方[1]?？紤]到泥質(zhì)砂巖自穩(wěn)能力欠佳的特點，掌握圍巖變形特性至關(guān)重要，在此基礎(chǔ)上提出合適的支護(hù)方法以提升圍巖穩(wěn)定性。

紅石灣隧道總長度5273.59 m，分布有砂質(zhì)新黃土及黏質(zhì)新黃土、沖洪積(Q2al+pl)中砂、砂巖。該處地下水較豐富，以孔隙潛水和基巖裂隙水為主，遇降雨天氣將大幅加大水量。根據(jù)現(xiàn)場勘察結(jié)果可知正常狀況下隧道用水量為1201 m3/d。施工現(xiàn)場含不良地質(zhì)，易出現(xiàn)落石、土體滑塌等問題。

2 變形情況及特點分析

2.1 圍巖變形情況概述

YK25+172～YK25+195段隧道施工中，該處中心線設(shè)置于山體斜坡處，與之相距30m處存在1條河道，與隧道中心線分布大體一致，二者趨近于平行。YK25+172處斷面埋深達(dá)37 m，相較于隧道頂標(biāo)高而言該處的河道低標(biāo)高比其略大9 m。隧道所處位置較為特殊，其中心線穿越4條沖溝。根據(jù)線路地質(zhì)特點采取小樁號向大樁號推進(jìn)的開挖方式，分別于拱頂、拱腰與邊墻處布設(shè)合適數(shù)量的測點，各斷面測點數(shù)量均為5個。

整合圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析斷面拱頂下沉與水平收斂問題，經(jīng)處理后獲得相應(yīng)結(jié)果：持續(xù)開挖之下YK25+195斷面處無論是拱頂下沉還是水平收斂現(xiàn)象與時間均呈線性變化的特性，可以得出變形速度不變的結(jié)論；開挖持續(xù)至7月17日時，該斷面的拱頂下沉為11 mm，并伴隨有12.46 mm的水平收斂現(xiàn)象。

YK25+190斷面監(jiān)測結(jié)果表明，自7月12日開始持續(xù)至7月15日這一階段的施工狀況都較為良好，未出現(xiàn)明顯變形現(xiàn)象，但持續(xù)至同月17日，此時拱頂下沉已由前一節(jié)段的5 mm迅速提升至58.5 mm，水平收斂則由4.38 mm增加到33.22 mm。

通過YK25+185斷面的監(jiān)測結(jié)果可以得知，自7月13日開始持續(xù)至同月16日這一階段的施工狀況良好，但到17日拱頂下沉達(dá)到109.4 mm，水平收斂15.02 mm。

根據(jù)YK25+180斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)得知，該處的施工狀況與YK25+185處大體一致。由此得知除了YK25+195斷面外，其余的區(qū)域(即YK25+190～YK25+180)均出現(xiàn)明顯的變形現(xiàn)象，主要集中在7月的16日至17日。進(jìn)一步分析7月17日的相關(guān)數(shù)據(jù)得知，YK25+172～YK25+195區(qū)段存在明顯的圍巖變形，并生成3條環(huán)向裂縫。

2.2 圍巖變形特征分析

2.2.1 圍巖變形量大

分析圍巖變形監(jiān)測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，YK25+195斷面僅存在微量的變形現(xiàn)象，6 d內(nèi)拱頂下沉11 mm，水平收斂12.46 mm；相較之下，YK25+190、YK25+185以及YK25+180三處均出現(xiàn)了明顯的變形現(xiàn)象。開挖作業(yè)持續(xù)至7月17日時，該工作日YK25+185處產(chǎn)生的拱頂下沉量已經(jīng)迅速提升至109.4 mm，且又以YK25+193處最為明顯，截止7月18日8時該處出現(xiàn)的拱頂下沉量已經(jīng)達(dá)到1011.1 mm，與此同時水平收斂也迅速提升至811.46 mm。

2.2.2 圍巖變形速率快

根據(jù)YK25+195斷面的數(shù)據(jù)，可求得該處拱頂下沉與水平收斂的平均增長速度分別為1.58 mm/d、1.75 mm/d；通過對YK25+190、YK25+185以及YK25+180三處的數(shù)據(jù)得知，由于變形現(xiàn)象極為明顯，因此最大拱頂下沉速率最大值為50.60 mm/d，水平收斂速率最大值也達(dá)到了8.00 mm/d。各斷面對比后得知YK25+193處的變形現(xiàn)象最為嚴(yán)重，拱頂下沉量達(dá)到658.3 mm/d，與其它監(jiān)測斷面相比該處的水平收斂速率也最大，達(dá)到530.05 mm/d。

2.2.3 圍巖破壞類型各異

以斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)為準(zhǔn)綜合考慮現(xiàn)場圍巖破壞情況，得知圍巖變形幅度較大的區(qū)域出現(xiàn)更為明顯的破壞現(xiàn)象，但各圍巖段所呈現(xiàn)出的破壞形式有所不同，主要可分為環(huán)向通縫、側(cè)墻裂縫兩類，但均出現(xiàn)了裂縫不斷增加的趨勢。其中又以YK25+193處出現(xiàn)的裂縫最為明顯，根據(jù)現(xiàn)場檢查結(jié)果得知該處鋼拱架已經(jīng)出現(xiàn)大范圍變形現(xiàn)象。

3 圍巖變形支護(hù)控制措施

由于泥質(zhì)砂巖的特殊性，受隧道開挖的影響極易出現(xiàn)圍巖變形現(xiàn)象，在拖慢工程進(jìn)度的同時對施工質(zhì)量造成不良影響，嚴(yán)重時將威脅到施工人員的安全[2]。泥質(zhì)砂巖施工環(huán)境中必須控制好圍巖變形問題這隧道安全施工而言極為關(guān)鍵。經(jīng)分析后得知，泥質(zhì)砂巖環(huán)境中展開隧道施工作業(yè)時必須確保初期支護(hù)結(jié)構(gòu)具備較高的剛度，并及時完成仰拱與二襯等結(jié)構(gòu)的施工作業(yè)，各道工序之間應(yīng)形成緊密銜接的關(guān)系，否則會加大圍巖變形概率。從隧道圍巖變形的機(jī)理出發(fā)，輔以科學(xué)的測試與檢驗方法，提出圍巖變形控制措施以提升圍巖的穩(wěn)定性[3]。

3.1 臨時支護(hù)體系控制圍巖變形

隧道圍巖出現(xiàn)大范圍變形現(xiàn)象后，項目部分析具體成因并采取針對性處理措施，設(shè)置臨時鋼護(hù)拱以達(dá)到補強初期支護(hù)的效果，控制圍巖變形現(xiàn)象且阻止變形向小里程方向延展[4]。對此，針對圍巖變形段上臺階處采取加固措施，于該處澆筑C30砼，形成厚度為80 cm的仰拱結(jié)構(gòu)；除此之外，圍巖變形段需設(shè)置原木與鋼管，在兩類材料的共同作用下形成豎向支撐裝置，達(dá)到加固的效果。通過上述手段控制隧道圍巖變形，使其達(dá)到幾乎穩(wěn)定的狀態(tài)。

3.2 提高支護(hù)體系整體剛度

YK25+172～YK25+195段的原工藝方法為噴射C20砼，形成厚度為24 cm的支護(hù)結(jié)構(gòu)；考慮到變形帶來的不良影響，變形預(yù)留量設(shè)置為15 cm；使用到φ6.5 mm光圓鋼筋，構(gòu)成緊密鋼筋網(wǎng)；系統(tǒng)錨桿的設(shè)置，拱部120°內(nèi)均使用φ25中空錨桿，余下區(qū)域均為φ22砂漿錨桿，各構(gòu)件長度均為3.5 m，搭建過程中環(huán)、縱向間距分別為100 cm、80 cm；搭建H15格柵鋼架選擇φ22 mm螺紋鋼材料；選擇φ42 mm超前小導(dǎo)管，通過此材料構(gòu)成超前支護(hù)體系。但考慮到隧道穩(wěn)定性要求，在原有方案的基礎(chǔ)上做出調(diào)整，具體方案為初支選擇格柵鋼架形式，形成的截面尺寸為22 cm×22 cm；拱腳與拱腰鎖腳施工環(huán)節(jié)，均使用φ89 mm無縫鋼管補強，不同區(qū)域長度有所不同，介于6～9 m，注漿材料為水玻璃雙液漿；以C20混凝土為原材料，經(jīng)噴射后形成厚度為50 cm的初支結(jié)構(gòu)，將此部分作為支撐護(hù)殼；關(guān)于空洞的填充作業(yè)選擇C20混凝土。搭建超前小導(dǎo)管采取雙層布置方式，內(nèi)、外層均為Φ42 m×4.5 m導(dǎo)管，環(huán)向間距均為40 cm，注漿材料選擇水玻璃雙液漿。

3.3 加快仰拱、二襯施工進(jìn)度

泥質(zhì)砂巖自穩(wěn)能力不足，經(jīng)施工后圍巖穩(wěn)定性欠佳，考慮到圍巖自承能力有限的問題，應(yīng)合理施作二次襯砌，通過該結(jié)構(gòu)承受圍巖荷載[5]。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果得知泥質(zhì)砂巖環(huán)境下開挖后將直接影響到圍巖穩(wěn)定性，使其出現(xiàn)明顯的變形現(xiàn)象，同時收斂速率較慢，在尚未滿足技術(shù)要求時便出現(xiàn)了破壞。受此影響二次襯砌施工的難度加大，若根據(jù)規(guī)范確定施工時機(jī)將缺乏可行性。對此應(yīng)從實際情況出發(fā)，結(jié)束初期支護(hù)作業(yè)后便要設(shè)置二次襯砌，盡可能做到盡早封閉成環(huán)以抵御圍巖變形問題。

3.4 施工中減少對圍巖的擾動

換拱作業(yè)采取微型爆破的方式，必要時輔以破碎錘。每結(jié)束1榀拱架施工作業(yè)后均要安排專員檢查洞內(nèi)情況。換拱鋼拱架搭設(shè)作業(yè)時選擇20b工字鋼，鎖腳處選擇φ89 mm無縫鋼管，根據(jù)施工要求長度為6～9 m不等，注漿作業(yè)使用的是水玻璃雙液漿。完成起始端3～5 m換拱作業(yè)后要及時拆除仰拱，以達(dá)到封閉成環(huán)的效果并遵循先豎撐后斜撐的方式[6，7]。具體而言，首先將下一榀拱架加固，無誤后方可拆除本拱架的臨時支撐，最后進(jìn)行拆換作業(yè)。

4 結(jié)語

泥質(zhì)砂巖自穩(wěn)能力偏弱，在此環(huán)境下難以保證圍巖的穩(wěn)定性，需采取鋼護(hù)拱、臨時仰拱等相綜合的方式，全面提升圍巖穩(wěn)定性，將圍巖變形幅度控制到最小，為隧道施工作業(yè)創(chuàng)造安全的環(huán)境。