軟弱炭質(zhì)頁巖隧道大變形監(jiān)測及其控制技術(shù)

楊 凱， 孫潤方， 晏啟祥， 萬 斐， 李 黎

(1. 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；2. 中鐵二局第一工程有限公司，貴州貴陽550007)

隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展、綜合國力的不斷提升及高新技術(shù)的不斷應(yīng)用，我國隧道及地下工程得到了前所未有的迅速發(fā)展[1]。中國已經(jīng)是世界上隧道工程數(shù)量最多、發(fā)展速度最快、地質(zhì)及結(jié)構(gòu)形式最復(fù)雜的國家[2]。東部地區(qū)已經(jīng)形成了完善、發(fā)達(dá)的交通網(wǎng)絡(luò)，西部地區(qū)還需進(jìn)一步改善，鐵路及公路網(wǎng)絡(luò)逐步向西部延伸，不僅隧道數(shù)量和總長會(huì)不斷提升，隧道建設(shè)的難度也會(huì)增長，長、大、深埋是今后較長時(shí)期內(nèi)隧道建設(shè)面臨的問題，有眾多的新難題需要攻克，諸如涌突水、高地溫、高原凍害問題、巖爆以及隧道大變形等[3-4]。其中，隧道大變形是一種造成施工困難、嚴(yán)重影響施工安全、拖慢施工進(jìn)度、增加工程經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)的嚴(yán)重災(zāi)害[5-9]。國內(nèi)外專家和學(xué)者對隧道大變形的分級、機(jī)理和施工控制技術(shù)等方面進(jìn)行了大量的研究，每條大變形隧道都根據(jù)自身?xiàng)l件因地制宜地提出了一套自己特有的解決辦法[10-14]，但施工過程中都會(huì)采用信息化設(shè)計(jì)與施工技術(shù)，即監(jiān)測施工中圍巖的位移和變形、構(gòu)件的應(yīng)力和應(yīng)變，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果來調(diào)整支護(hù)參數(shù)和開挖工法，實(shí)現(xiàn)安全快速的施工[15-19]。

宗思隧道在施工過程中受到大變形問題的困擾，致使初支開裂、侵限、鋼拱架扭曲、橫撐彎曲、施工現(xiàn)場多次發(fā)生溜坍，嚴(yán)重影響隧道的施工進(jìn)度和安全。因此，在宗思隧道展開監(jiān)控量測作業(yè)，以期為掌握圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，圍巖級別變更、初期支護(hù)和二次襯砌的參數(shù)調(diào)整提供依據(jù)，達(dá)到規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)、安全施工和安全運(yùn)營的目的。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)概況

新建麗香鐵路南起麗江，向北跨越金沙江至香格里拉，是滇藏鐵路云南段的一部分。作為麗香鐵路重點(diǎn)控制性工程之一的宗思隧道，起訖里程為DK124+770～DK126+975，隧道全長2 205m，隧道最大埋深190m，隧道縱斷面見圖1。隧道位于青藏高原東南緣的滇西地震帶，附近分布著區(qū)域性右旋走滑活動(dòng)斷裂-中甸斷裂，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈、地震活動(dòng)頻繁。隧道穿越窄條狀孤立山丘，地勢較陡，匯水條件較差，降雨大部分均排泄至兩側(cè)的河中。隧道分為出口和進(jìn)口兩個(gè)工區(qū)對頭掘進(jìn)，均采用三臺階預(yù)留核心土法組織施工，采用挖掘機(jī)帶破碎頭進(jìn)行開挖，上臺階每次進(jìn)尺1榀拱架，中、下臺階每次進(jìn)尺2榀拱架。初期支護(hù)采用I18型鋼鋼架，系統(tǒng)錨桿長3m，在拱墻部位鋪設(shè)φ8mm鋼筋網(wǎng)，隧道斷面形式見圖2。

圖1 宗思隧道縱斷面示意

圖2 宗思隧道V級加強(qiáng)型襯砌示意(單位:cm)

隧道勘察確定洞身深埋段圍巖為V級，開挖揭示出的地層巖性均為薄片狀炭質(zhì)頁巖，與線路夾角為50～70 °，受褶皺、斷裂和地震的影響，區(qū)內(nèi)巖層扭曲變形嚴(yán)重，節(jié)理裂隙發(fā)育、層間結(jié)合性差，巖體結(jié)構(gòu)松散破碎，手掰即碎。巖體的強(qiáng)度低，單軸抗壓強(qiáng)度Rc≤5MPa，屬極軟質(zhì)巖石，浸水后立即出現(xiàn)軟化、泥化現(xiàn)象，具有塑性蠕動(dòng)變形的特性。隧道圍巖穩(wěn)定性較差，遇水后會(huì)自行坍塌。

1.2 隧道大變形情況

由于隧道圍巖穩(wěn)定性極差，隧道變形量大，變形速度快且持續(xù)時(shí)間長，造成嚴(yán)重的初支侵限，鋼架扭曲變形、接頭開裂(圖3)，掌子面和初期支護(hù)塌方時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度與施工人員安全。圍巖變形較大，最大拱頂沉降為328.7mm，最大上臺階收斂662.8mm，最大中臺階收斂738.9mm，最大單次收斂速率151.8mm/d。初期支護(hù)侵入二次襯砌凈空，必須對侵限部位進(jìn)行處理或換拱，前期施工的184m隧道中侵限段長度達(dá)99m，占總進(jìn)尺的53.8 %。

圖3 初支變形及破壞情況

2 大變形監(jiān)測及結(jié)果

2.1 大變形監(jiān)測

宗思隧道在施工過程中受到軟巖大變形問題的困擾，因此對拱頂沉降、凈空收斂、洞內(nèi)圍巖壓力、鋼架內(nèi)力、錨桿軸力和圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，監(jiān)測元器件的埋設(shè)位置見圖4。

圖4 監(jiān)測元器件埋設(shè)位置

2.2 監(jiān)測結(jié)果

2.2.1 洞周變形

通過對宗思隧道進(jìn)口工區(qū)和出口工區(qū)的32個(gè)斷面統(tǒng)計(jì)分析得出，拱頂沉降變形量一般達(dá)到600～700mm，凈空收斂一般達(dá)到700～800mm，最大拱頂沉降為737.3mm，最大凈空收斂為919.0mm，水平收斂大約為拱頂沉降的2倍，即以水平收斂為主。圖5為DK124+860斷面的累計(jì)變形曲線，從圖中可以看出在中臺階開挖后位移發(fā)生突變，隧道邊墻明顯鼓出，最大變形速率甚至達(dá)到150mm/d，下臺階開挖并支護(hù)后水平收斂仍在繼續(xù)增長，隧道變形仍未收斂，需要加強(qiáng)支護(hù)或換拱處理。

圖5 DK124+850累計(jì)變形曲線

2.2.2 圍巖壓力

通過在隧道內(nèi)埋設(shè)振弦式土壓力盒來監(jiān)測圍巖壓力，監(jiān)測結(jié)果見圖6。DK126+850斷面在拱頂和仰拱右側(cè)承受較大的圍巖壓力，最大為0.633MPa，在右邊墻出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大為0.193MPa；DK126+840斷面在左、右拱腰和仰拱右側(cè)的圍巖壓力較大，最大達(dá)到0.827MPa，邊墻位置圍巖壓力很??；DK126+827斷面在拱頂圍巖壓力較大，達(dá)到0.762MPa，其余部位的圍巖壓力很??；DK124+957斷面在拱頂、右邊墻、仰拱左側(cè)出現(xiàn)3個(gè)高圍巖壓力區(qū)域，最大值為0.365MPa。圍巖壓力測試結(jié)果表明，各個(gè)斷面的圍巖壓力分布不對稱，拱部范圍的圍巖壓力較大，邊墻圍巖壓力較小。

圖6 圍巖壓力分布(單位：MPa)

2.2.3 鋼架內(nèi)力

圖7為不同斷面的鋼架內(nèi)力分布圖。鋼架主要處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力為181.7MPa，還未超出Q235鋼的屈服強(qiáng)度235MPa，部分測試位置處于受拉狀態(tài)，最大拉應(yīng)力為61.9MPa。鋼架處于受拉時(shí)沒有充分發(fā)揮其支護(hù)作用，一側(cè)受拉一側(cè)受壓時(shí)鋼架承受較大的彎矩，兩側(cè)受拉時(shí)可能向外鼓出變形，需要加強(qiáng)支護(hù)。從鋼架的應(yīng)力分布可以看出，鋼架的應(yīng)力呈不對稱分布，頂拱部位始終承受較大的內(nèi)力。

圖7 鋼架內(nèi)力分布(單位：MPa，“+”表示受拉，“-”表示受壓)

2.2.4 錨桿軸力

通過對3m長的錨桿進(jìn)行軸力監(jiān)測得到，拱頂最大值為33.83kN，左拱腰最大值為54.91kN，右拱腰最大值為11.28kN，左邊墻最大值10.23kN，右邊墻最大值2.39kN。各部位錨桿軸力值較小且離散，未能有效錨固。現(xiàn)場測得松動(dòng)圈厚度為5.0～5.7m，因此將錨桿長度調(diào)整為8m，測得的長錨桿軸力時(shí)程曲線和軸力分布分別見圖8、圖9。錨桿軸力隨時(shí)間起伏不定，整體上看前期會(huì)迅速增長，部分測點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)下降的情況，后期逐漸平穩(wěn)。錨桿受拉力較強(qiáng)點(diǎn)在5.3m處，大致位于松動(dòng)圈的界面上。因此，短錨桿支護(hù)效果很差，長錨桿對增強(qiáng)巖體整體性、減少圍巖作用在初支結(jié)構(gòu)上的荷載有一定的作用，但錨桿并未發(fā)揮其最大作用。

(a) DK126+653

(b) DK125+093圖8 錨桿軸力時(shí)程曲線

圖9 錨桿軸力分布(單位：kN)

圖10 波速隨孔深變化關(guān)系

2.2.5 圍巖松動(dòng)圈

隧道開挖后應(yīng)力發(fā)生重分布，導(dǎo)致圍巖形成松動(dòng)區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)，松動(dòng)區(qū)因圍巖破碎而波速較低。在DK126+777斷面采用聲波法測試圍巖松動(dòng)圈，隧道兩側(cè)各布置2個(gè)測孔，孔深均為10m，測試結(jié)果見圖10。1#測孔超過5.2m后，圍巖波速有了明顯增加，2#測孔在5.0m以淺圍巖波速均低于2 000m/s，3#測孔在5.4m位置波速發(fā)生較大變化，4#測孔在5.7m處波速發(fā)生突變。因此，該測試斷面圍巖松動(dòng)圈厚度值為5.0～5.7m。

3 大變形控制技術(shù)

3.1 優(yōu)化斷面形狀

宗思隧道隧址區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，地應(yīng)力主要為構(gòu)造應(yīng)力，即水平主應(yīng)力大于垂直主應(yīng)力。對于初始設(shè)計(jì)的馬蹄形斷面，在軟弱破碎炭質(zhì)頁巖區(qū)域及水平應(yīng)力為主的條件下，這種“瘦高型”斷面形狀的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能較差，最突出的問題是水平收斂位移較大，容易導(dǎo)致拱腳和邊墻范圍內(nèi)的鋼拱架接頭開裂，進(jìn)而引發(fā)噴射混凝土開裂形成縱向裂縫。結(jié)合宗思隧道地質(zhì)條件以及變形數(shù)據(jù)，逐步增大邊墻曲率，將“瘦高型”斷面調(diào)整為“矮胖型”斷面，分別試驗(yàn)了大變形II型及大變形IIa型斷面(圖11)，現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明增大邊墻曲率后支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力越來越強(qiáng)。

圖11 優(yōu)化隧道斷面

3.2 加長邊墻錨桿

宗思隧道的松動(dòng)圈厚度為5.0～5.7m，錨桿需要穿過松動(dòng)區(qū)進(jìn)入穩(wěn)固圍巖一定深度以確保錨固效果，結(jié)合炭質(zhì)頁巖大變形隧道特性，于上、中臺階變形集中部位設(shè)置8.0m長錨桿(圖12)，形成群錨效果，控制其變形，降低變形速率，使其后續(xù)下臺階及仰拱初支成環(huán)期間累計(jì)變形值降低，確保襯砌凈空尺寸，杜絕初支侵限拆換，保證了施工進(jìn)度及安全。

圖12 邊墻長錨桿布置示意

3.3 加強(qiáng)鋼架橫向連接

隧道鋼架縱向一般采用焊接鋼筋的方式進(jìn)行連接，對于軟弱炭質(zhì)頁巖大變形隧道這種連接方式的整體穩(wěn)定性較差，在落臺階時(shí)容易導(dǎo)致收斂位移的突變，存在極大的安全隱患。因此，將縱向連接的鋼筋替換為工字鋼，相鄰兩個(gè)鋼拱架之間斜向設(shè)置有兩段工字鋼，工字鋼的兩端分別固定于相鄰兩鋼拱架上，以相鄰三個(gè)鋼拱架為一組，形成米字形結(jié)構(gòu)(圖13)，采用這種結(jié)構(gòu)增加鋼拱架的整體性，現(xiàn)場試驗(yàn)效果良好。

圖13 米字形縱向連接

3.4 加大預(yù)留變形量

大變形隧道的通用支護(hù)原則是先卸壓、后強(qiáng)支護(hù)，預(yù)留變形量是卸壓的一種方式，即允許圍巖有一定量的變形，可有效釋放蘊(yùn)藏于高地應(yīng)力場中的彈性變形能，減少初支和圍巖組成的支護(hù)體系所承受的變形壓力，避免隧道超挖或侵限。宗思隧道大變形段在初期支護(hù)后的變形量仍然較大，在很長一段時(shí)間內(nèi)都無法收斂穩(wěn)定，施工中初支嚴(yán)重侵限。因此，根據(jù)監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場揭示的圍巖情況，預(yù)留合理的變形量來降低支護(hù)難度。預(yù)留變形量由最初的20cm逐步調(diào)整為拱部40cm，邊墻60cm，對降低初支侵限和二襯開裂有較好的作用。

3.5 增加支護(hù)強(qiáng)度

施工過程中鋼架扭曲、噴混開裂剝落，反映其支護(hù)強(qiáng)度不足。施工中將鋼架間距由0.8m逐步調(diào)整到0.5m，型號由I18逐步加強(qiáng)為I25b型，噴射混凝土厚度由初期的25cm逐步調(diào)整為30cm，增加支護(hù)強(qiáng)度并結(jié)合前面的措施，隧道大變形得到有效的控制。

宗思隧道大變形控制現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，通過優(yōu)化斷面形狀、加長邊墻錨桿、加強(qiáng)鋼架橫向連接、加大預(yù)留變形量以及增加支護(hù)強(qiáng)度等方式，逐步控制住了圍巖的大變形。優(yōu)化斷面形狀能增強(qiáng)圍巖的自支承作用，加長邊墻錨桿對控制水平方向的變形效果顯著，加強(qiáng)鋼架橫向連接能減小落臺階時(shí)洞周變形量，加大預(yù)留變形量能夠釋放圍巖中的彈性變形能，增加支護(hù)強(qiáng)度確保初支結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生失效破壞。

4 結(jié)束語

(1)宗思隧道的大變形以水平收斂為主，在落臺階施工時(shí)位移會(huì)發(fā)生突變，圍巖壓力和鋼架內(nèi)力的分布不均勻但拱部都較大，短錨桿支護(hù)效果較差而長錨桿效果較好，圍巖松動(dòng)圈厚度為5.0～5.7m。

(2)優(yōu)化斷面形狀能增強(qiáng)圍巖的自支承作用，加長邊墻錨桿對控制水平方向的變形效果顯著，加強(qiáng)鋼架橫向連接能減小落臺階時(shí)洞周變形量，加大預(yù)留變形量能夠釋放圍巖中的彈性變形能，增加支護(hù)強(qiáng)度確保初支結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生失效破壞。