白馬隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形機(jī)理與支護(hù)技術(shù)及實(shí)踐

蔡 濤

（鐵正檢測(cè)科技有限公司 山東濟(jì)南 250014）

1 工程地質(zhì)概況

白馬隧道龍門(mén)山斷裂帶所圍成的楔形地塊上，最大埋深1 092 m，共穿越5條斷層：甲午池－文縣溝斷裂北支、甲午池－文縣溝斷裂南支、F9斷層、甲午池－文縣溝斷裂分支F8斷層、甲午池－文縣溝斷裂分支F7斷層。F9斷層與白馬隧道送風(fēng)斜井及右線平行延伸1 870 m，與線路最近相距30 m，隧道右線絕大部分位于F9斷層影響帶范圍內(nèi)，對(duì)隧道施工影響巨大。隧道左、右線間距35 m，開(kāi)挖斷面約100 m2，斜井與隧道左右線交叉口多且為上跨下穿［1－2］。

2 地應(yīng)力測(cè)試分析

為掌握工程區(qū)域的地應(yīng)力場(chǎng)分布特征，現(xiàn)場(chǎng)采用水壓致裂法對(duì)白馬隧道進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試。根據(jù)鉆探巖芯完整度，在該鉆孔的中部及下部成功進(jìn)行水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量7個(gè)點(diǎn)，孔深分別為151.4 m、181.7 m、228.4 m、248.5 m、262.4 m、271.5 m、289.7 m。應(yīng)力方向測(cè)量3個(gè)點(diǎn)，分別在孔深151.4 m、228.4 m、248.5 m位置。

（1）三向主應(yīng)力值的關(guān)系總體為：孔深0～250 m內(nèi)，SH＞Sh＞Sγ；孔深250～315 m 內(nèi)，SH＞Sh＞Sγ。

（2）根據(jù)測(cè)量所得數(shù)據(jù)，全孔深水平最大主應(yīng)力在7.0～10.5 MPa之間，全孔深最小水平主應(yīng)力在5.5～7.3 MPa之間，用巖層容重（約為2.65 g/cm3）估算的垂直主應(yīng)力為3.93～7.52 MPa。

（3）根據(jù)該孔洞身附近的最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方向北西西向（即 N11°W～N21°W），其優(yōu)勢(shì)方向約為N16°W，與隧道走向的夾角約為32°，呈中小角度相交。最小水平應(yīng)力為3.9～9.5 MPa，垂直應(yīng)力為3.3～9.7 MPa?？傮w以垂直應(yīng)力控制，σH＞σV＞σh，最大水平主應(yīng)力方向一般為 N8°W～N20°W，即NNW向。

3 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性與機(jī)理分析

3.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律

（1）白馬隧道初支拱架連接位置受剪切和擠壓較為明顯，見(jiàn)圖1。邊墻大面積高頻率剝落，隧道掘進(jìn)施工過(guò)程中掌子面坍塌，圍巖主要為板巖、炭質(zhì)板巖，有時(shí)夾少量砂巖，圍巖破碎～極破碎（或呈松散結(jié)構(gòu)），節(jié)理發(fā)育，無(wú)自穩(wěn)性。開(kāi)工至今共發(fā)生大小坍塌100余次。掌子面滲水較大時(shí)（股狀水），大部分在掌子面爆破后坍塌；掌子面滲水較小時(shí)（線狀水），在挖掘機(jī)清理斷面（清除松動(dòng)圍巖）時(shí)坍塌；掌子面無(wú)水時(shí)（濕潤(rùn)或無(wú)水），在立鋼拱架過(guò)程中或噴初支砼過(guò)程中坍塌［3－6］。

圖1 軟巖大變形現(xiàn)場(chǎng)

（2）初期支護(hù)施工完畢后，隧道在正常掘進(jìn)過(guò)程中，已施工完畢的初期支護(hù)發(fā)生變形，變形范圍主要為：

①掌子面后方5 m范圍內(nèi)的初支產(chǎn)生位移：上臺(tái)階施工，間隔時(shí)間較短，在1～2 d內(nèi)。

②距掌子面15～30 m范圍內(nèi)初支變形：上臺(tái)階施工，間隔時(shí)間較短，在7 d內(nèi)。

③距離掌子面30 m外范圍初支變形：中下臺(tái)階施工，間隔時(shí)間較長(zhǎng)，在7 d后。

④仰拱施工后初支開(kāi)始變形：段落相對(duì)較少，間隔時(shí)間較長(zhǎng)，在15 d后。

（3）軟巖大變形顯現(xiàn)，變形速度量值普遍較大，具有較強(qiáng)的持續(xù)性，流變特性較為顯著。

（4）初期支護(hù)變形主要體現(xiàn)為噴層開(kāi)裂掉塊、鋼拱架扭曲、鋼拱架折斷、鋼拱架剪斷、初期支護(hù)侵限。

3.2 變形機(jī)理分析

（1）隧道開(kāi)挖相當(dāng)于卸荷過(guò)程，使得巖體中儲(chǔ)存的應(yīng)變能快速釋放。當(dāng)巖體強(qiáng)度較高時(shí)易發(fā)生巖爆，當(dāng)巖體強(qiáng)度較低時(shí)則容易受到擠壓，發(fā)生變形。軟巖本身的低強(qiáng)度和節(jié)理發(fā)育特性，導(dǎo)致其在高地應(yīng)力狀態(tài)下易發(fā)生顯著粘塑性大變形。

（2）互層巖體整體性較差，巖層厚度及強(qiáng)度不均，層理裂隙等弱化結(jié)構(gòu)的發(fā)育削弱了巖體的力學(xué)性能，降低其承載能力。特別是在巖體產(chǎn)狀與隧道線路一致時(shí)，由于受到更大的開(kāi)挖擾動(dòng)，巖體的破壞變形將加劇。

（3）隧道所處的軟弱圍巖，在水的滲流和侵蝕作用下進(jìn)一步弱化，尤其在高應(yīng)力區(qū)，隨著孔隙水路徑數(shù)量的改變，等同于增加了軟巖的孔隙比和含水率，降低了密實(shí)度，使得圍巖體的力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)一步降低，進(jìn)而承載力大幅下降，直接導(dǎo)致圍巖位移量的增加。

（4）擠壓性軟巖結(jié)構(gòu)破碎，自身變形具有流變性。當(dāng)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度過(guò)大，完全限制了圍巖的變形，圍巖無(wú)法通過(guò)自身變形來(lái)達(dá)到應(yīng)力場(chǎng)平衡，過(guò)大的支護(hù)阻力將導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)承受極大荷載乃至破壞；當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度過(guò)小，將導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)法承受?chē)鷰r的形變荷載而發(fā)生大變形破壞甚至隧道塌方［1］。

4 不同工序下施工方案對(duì)比

（1）掌子面塌方整治

掌子面塌方整治措施見(jiàn)表1。

表1 掌子面塌方不同塌腔規(guī)模整治措施

（2）軟弱圍巖開(kāi)挖方式調(diào)整

掌子面開(kāi)挖方法對(duì)比見(jiàn)表2，現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖2。

表2 掌子面開(kāi)挖方法對(duì)比

圖2 現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖工法

（3）初期支護(hù)變形整治措施（見(jiàn)表3）

表3 初期支護(hù)變形整治措施對(duì)比

以上幾種整治措施，成功處理了初期支護(hù)變形問(wèn)題，特別是φ51自進(jìn)式長(zhǎng)錨桿后注漿對(duì)固結(jié)圍巖效果特別明顯，對(duì)抑制拱腳收斂效果明顯（見(jiàn)圖3）。

圖3 8 m長(zhǎng)φ51自進(jìn)式錨桿施工

5 現(xiàn)場(chǎng)初支大變形整治案例—隧道主洞右線（YK39+305～YK39+333）初支變形拆換

5.1 設(shè)計(jì)概況

YK39＋305～YK39＋333里程段為中～微風(fēng)化帶，開(kāi)挖后拱部無(wú)支護(hù)時(shí)，圍巖易坍塌，側(cè)壁有時(shí)出現(xiàn)小坍塌。

設(shè)計(jì)襯砌類(lèi)型：Z4b。支護(hù)參數(shù)：16型鋼鋼架間距100 cm/榀；系統(tǒng) φ22藥卷錨桿；φ6.5鋼筋網(wǎng)間距20×20 cm；預(yù)留變形量8 cm；φ22超前錨桿。

5.2 實(shí)際情況及變更調(diào)整情況

YK39＋305～YK39＋315段于6月20日至6月25日按設(shè)計(jì)Z4b型襯砌類(lèi)型施作；YK39＋315～YK39＋331段（施工時(shí)間為2018年6月25至2018年8月4日）變更為Z5d型襯砌類(lèi)型（18@80 cm，預(yù)留變形10 cm，系統(tǒng)φ22錨桿），超前支護(hù)為C型；YK39＋331～YK39＋332段變更為Dc型襯砌類(lèi)型（20@60 cm，預(yù)留變形量30 cm，系統(tǒng)φ22錨桿），超前支護(hù)為B型。

5.3 后續(xù)變形狀況

隨著掌子面不斷掘進(jìn)，YK39＋306～YK39＋325段先后不同程度出現(xiàn)鋼架扭曲折斷、初支開(kāi)裂、起皮、掉塊現(xiàn)象。當(dāng)斜井右線掌子面施工至YK39＋331時(shí)，受構(gòu)造作用強(qiáng)烈，裂隙發(fā)育，巖體極破碎，受F9斷層影響強(qiáng)烈。YK39＋297.2～YK39＋325段先后不同程度出現(xiàn)鋼架扭曲折斷、初支開(kāi)裂、起皮、掉塊現(xiàn)象。據(jù)監(jiān)控量測(cè)顯示，支護(hù)效果甚微，日最大變形速率達(dá)到52.3 mm/d。

5.4 初步整治措施及效果

對(duì)YK39＋306～YK39＋325采用 18型鋼進(jìn)行臨時(shí)支撐，補(bǔ)打鎖腳，增設(shè)縱向連接筋，臨時(shí)護(hù)拱已扭曲變形、連接筋脫落。掌子面圍巖無(wú)自穩(wěn)能力，YK39＋331～YK39＋333按Dc（超前為B型雙層小導(dǎo)管）型襯砌類(lèi)型施工，拱部仍掉塊嚴(yán)重，形成較大空腔，采用 20b型鋼按0.5 m/榀施工直至開(kāi)挖面，采用φ42雙層小導(dǎo)管支護(hù)作為超前支護(hù)措施，輔以C20泵送砼回填密實(shí)。

處理完成空腔后，已施工的臨時(shí)護(hù)拱YK39＋306～YK39＋325段15榀（后又增加YK39＋325～YK39＋330段5榀）產(chǎn)生嚴(yán)重變形，及時(shí)對(duì)內(nèi)部護(hù)拱進(jìn)行了C25噴射砼再次支護(hù)加強(qiáng)，效果依然不佳。如圖4所示，監(jiān)控量測(cè)發(fā)現(xiàn)變形依然持續(xù)，此時(shí)只能停工回填，保證安全［8］。

圖4 掌子面圍巖極破碎伴隨拱頂圍巖坍塌

5.5 二次返修措施與整治效果

對(duì)YK39＋305～YK39＋325采用 18型鋼進(jìn)行臨時(shí)支撐，補(bǔ)打鎖腳，增設(shè)縱向連接筋。發(fā)生大變形后，掌子面停工，約15 d后，YK39＋325～YK39＋333段隨后也出現(xiàn)了嚴(yán)重的開(kāi)裂、掉塊、拱架扭曲折斷。立即對(duì)該段采用 18型鋼作為臨時(shí)支撐，并在此基礎(chǔ)上施打鎖腳錨管，用縱向連接筋增加整體剛度。

經(jīng)過(guò)研究分析，2018年8月15日先對(duì)該段進(jìn)行洞渣反壓回填，進(jìn)行長(zhǎng)錨桿施作，采用8 m長(zhǎng)φ51自進(jìn)式錨桿，環(huán)向間距0.8～1.2 m，縱向間距0.8～1.0 m。施工完成后加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，繼續(xù)向前加固整治，隧道長(zhǎng)錨桿施作于2018年10月底完成。

因變形時(shí)間久（4個(gè)月），YK39＋305～YK39＋333段大部分初期支護(hù)變形侵限嚴(yán)重，后經(jīng)研究決定，先開(kāi)挖后進(jìn)行周邊注漿，隨后對(duì)YK39＋305～YK39＋333段鋼架進(jìn)行逐榀拆換，采用 22b型鋼鋼架間距0.5 m；C25噴射砼28 cm，預(yù)留變形量20 cm。超前支護(hù)采用雙層φ51自進(jìn)式錨桿，C30鋼筋砼拱墻厚60 cm。

2018年12月初，現(xiàn)場(chǎng)注漿加固已完成YK39＋286～YK39＋318段（32 m），需對(duì) YK39＋305～YK39＋333變形侵限段進(jìn)行鋼架拆換，于2018年12月5日至2018年12月28日拆換完成。

拆換后的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)穩(wěn)定，無(wú)異常，如圖5所示。

圖5 拆換后初支狀態(tài)

6 施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

（1）掌子面在開(kāi)挖時(shí)具有一定的穩(wěn)定性，掉塊、垮塌不嚴(yán)重時(shí)，建議采用上下臺(tái)階法；掌子面在開(kāi)挖時(shí)穩(wěn)定性差，掉塊、坍塌，掌子面無(wú)自穩(wěn)性時(shí)，建議采用三臺(tái)階法。圍巖預(yù)留變形量不應(yīng)一味考慮圍巖應(yīng)力釋放，也要結(jié)合經(jīng)濟(jì)因素，根據(jù)先期的監(jiān)控變形量，確定合理的預(yù)留變形量值。

（2）為防止?jié)B水軟化圍巖，確保固結(jié)圍巖，建議系統(tǒng)錨桿采用φ42注漿小導(dǎo)管（4.5 m/根）或初期支護(hù)再開(kāi)挖后注漿固結(jié)圍巖和注漿堵水。

（3）掌子面經(jīng)常坍塌，φ42超前小導(dǎo)管不能滿足要求時(shí)，建議采用單層或雙層φ51自進(jìn)式錨桿。拱部坍塌嚴(yán)重時(shí)，采用6 m搭接3 m方式，大型塌方可提高為φ76自進(jìn)式錨桿，并縮小環(huán)向間距，如20～30 cm。

（4）建議在加大初期支護(hù)強(qiáng)度時(shí)可考慮采用H型鋼，特殊情況可根據(jù)監(jiān)控量測(cè)適時(shí)施作雙層鋼架支護(hù)，避免初支變形過(guò)大后期再處理，一方面整治時(shí)間長(zhǎng)，延長(zhǎng)工期，增加成本；另一方面安全風(fēng)險(xiǎn)大，施工質(zhì)量難以保證。

（5）鎖腳錨桿建議采用φ51自進(jìn)式長(zhǎng)錨桿，單根長(zhǎng)8 m。現(xiàn)場(chǎng)如三臺(tái)階開(kāi)挖，建議對(duì)上、中、下導(dǎo)拱腳均采用8 m長(zhǎng)φ51自進(jìn)式錨桿，12根/榀。