特大斷面隧道軟弱鈣質板巖大變形處治研究

羅 江,陳 柱,楊建超,王壽武,何玉瓊

(1.中鐵一局集團第五工程有限公司，陜西 寶雞 721000；2.昆明理工大學，云南 昆明 650051)

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，公路隧道建設越來越多，隧道位置地質復雜，隧道斷面向特大斷面發(fā)展。隨著隧道地質復雜和開挖斷面面積的增加，隧道施工的技術難度和安全風險也進一步增加。目前，許多學者針對特大斷面隧道軟弱圍巖大變形處治做了大量研究。朱朝佐等研究認為在軟巖大斷面隧道施工中，可采取縱向連接加固措施提高整個支護結構的縱向整體性[1]。鮑先凱等研究認為環(huán)形開挖預留核心土法適用于軟巖隧道施工[2-5]。吳小萍等研究認為環(huán)形開挖預留核心土法圍巖應力的影響小于全斷面法[6]。邢軍等研究認為破碎巖體進水后，破碎巖體的物理力學性質降低，巖體破碎的隧道穩(wěn)定性降低[7]。潘家升等認為隧道環(huán)形預留核心土法施工的沉降變形比CD法的沉降變形小[8]。陳忠球研究認為短臺階法適用于大跨度軟巖公路隧道施工[9]。賀勝義研究認為環(huán)形開挖預留核心土法適用于軟弱破碎風化巖的特大斷面隧道施工[10]。賈存興研究認為軟弱圍巖施工應該是短臺階、緊仰拱、快襯砌、弱爆破、短進尺、快噴錨、強支護、勤量測、控變形的指導原則[11]。隋修志等研究認為環(huán)形開挖預留核心土法適用于大跨度軟巖公路隧道施工[12-17]。以上研究都取得了較理想的成果，但隧道個體在地質結構、圍巖及大小方面存在差異，在處治方法、施工技術上不盡相同。本研究在前人研究和取得成功經(jīng)驗的基礎上，以玉楚高速齊云隧道為例，對軟弱鈣質板巖大變形處治進行研究并成功處治了軟弱鈣質板巖大變形問題，供類似工程借鑒。

1 工程概況

齊云隧道為玉楚高速勘察試驗段中的特長隧道，雙向六車道，左幅隧道起止里程為K32+097～K36+630，總長4 533 m，右幅隧道起止里程為K32+055～K36+585，長4 530 m，齊云隧道設計為Ⅴ級和Ⅳ級圍巖，其中Ⅴ級圍巖占比36.8%， Ⅳ級圍巖占比63.2% 。開挖斷面163.99 m2，屬特大斷面。左幅K32+126～K32+320段和右幅K32+098～K32+340段隧道圍巖為灰、深灰色板巖, 鈣質棉布，薄～中層狀,中風化，局部含硅質,巖質不均勻，裂隙發(fā)育,巖體較破碎,層間結合差，視電阻率>1 000 Ω·m，地下水類型為基巖裂隙水，開挖時呈點滴狀出水，圍巖級別Ⅴ1級。碎屑巖裂隙含水層正常涌水量233 m3/d，雨季涌水量823 m3/d。該段隧道斷面大，隧道圍巖軟弱，因此該隧道施工風險最高、施工難度最大，施工過程中左幅K32+126～K32+210段和右幅K32+140～K32+176段出現(xiàn)了大變形。文章以左幅K32+126～K32+210段介紹該段隧道大變形處治研究。地質縱斷面圖見圖1，隧道圍巖概況表見表1，初期支架變形照片見圖2。

圖1 地質縱斷面圖Fig.1 Geological profile

2 處治方案

2.1 原設計初期支護及施工方案

2.1.1原初期支護設計

左幅K32+126～K32+210段襯砌類型SF5e,襯砌斷面見圖3。隧道超前支護采用小導管，小導管

表1 隧道圍巖Tab.1 Tunnel surrounding rock

圖2 初期支架變形照片F(xiàn)ig.2 Deformation of the initial support

采用φ42 mm×4 mm的熱軋鋼管,長4.5 m，環(huán)向間距30 cm，設置于襯砌拱部120°范圍。隧道初期支護為厚度29 cm 的C25噴射混凝土，間距15 cm×15 cm 的φ8雙層鋼筋網(wǎng)，鋼支撐采用I22b工字鋼，間距50 cm。在徑向，用φ42×4 mm，長4.5 m的小導管對圍巖進行注漿加固，小導管間距100 cm×50 cm。在初期支護鋼支撐的B接頭處設置2根6 m長的φ89×6 mm鎖腳鋼管，在隧道兩側邊墻底部設2排φ108×6 mm的注漿鋼管樁，縱向間距100 cm，長9 m,鋼管樁孔內設4根φ22HPB300的鋼筋籠。鋼管樁端頭采用鋼筋連接，且植入二襯50 cm。鋼支撐及鎖腳鋼管布置圖見圖4。

圖3 SF5e襯砌斷面圖(單位:cm)Fig.3 Cross-Section Diagram of SF5e Lining(unit:cm)

圖4 鋼支撐及鎖腳鋼管圖Fig.4 The Drawing of Steel Support and Locking Pin Steel Tube

2.1.2施工方案

開挖采用環(huán)形開挖留核心土法。先開挖上臺階弧形導坑，并進行初期支護。在上臺階弧形導坑開挖達到5～9 m后，開挖中臺階，并完成初期支護。在中臺階開挖支護完成5～9 m后，開挖下臺階，完成初期支護，依次循環(huán)進行，并及時進行仰拱施工。橫斷面施工順序見圖5，圖中希臘字母Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ表示支護襯砌順序，阿拉伯數(shù)字①,②,③等表示開挖順序?？v斷面開挖順序見圖6。隧道微爆破后采用挖掘機清理巖面，利用風鉆人工修邊，每次開挖進尺控制在0.5～0.7 m。隧道開挖采用挖機挖，人工用風鉆修邊，每次開挖進尺1 m。隧道施工遵循“短進尺、弱爆破、勤量測、強支護、早封閉”的原則；施工中及時封閉隧道初期支護，加強隧道排水措施，保持洞內干燥，洞內排水溝采取防滲處理，防止水流浸泡基底，控制墻角變形和底鼓。

圖5 隧道分步開挖橫斷面圖Fig.5 A Cross-Sectional View of a Tunnel be Excavated Step by Step

圖6 隧道分步開挖縱斷面圖Fig.6 Longitudinal section View of tunnel excavation step by step

2.2 套拱設計、初期支護變更及換拱

左幅K32+126～K32+210侵限段初期支護臨空側增設I18工字鋼套拱，間距60 cm，左右側拱腰部位各打設3根6 m長φ42 mm×4 mm的注漿小導管，掛間距15 cm×15 cm的雙層φ8鋼筋網(wǎng)片，噴射25cm厚的C25混凝土進行封閉，護拱斷面圖見圖7。套拱作為臨時支護，圍巖穩(wěn)定后，將套拱及初期支護A，B，C單元拆除后進行換拱。未施工段落初期支護進行加強，支護工字鋼由I22b調整為I25a。為了檢測隧道圍巖與初期支護之間的壓力，在隧道圍巖與初期支護之間埋設層間接觸壓力盒，利用頻率讀數(shù)儀進行讀數(shù)。

圖7 套拱斷面圖(單位：cm)Fig.7 Cover arch profile(unit:cm)

2.3 監(jiān)控量測

在隧道施工過程中，根據(jù)監(jiān)控量測的信息，對施工開挖方法、支護參數(shù)進行及時調整，實行動態(tài)設計和信息化施工[18]。該隧道軟弱圍巖大變形處治采用新奧法支護設計中以現(xiàn)場量測為主的信息反饋法[19]。

通過施工現(xiàn)場監(jiān)控量測，掌握支護結構在施工過程中的力學狀態(tài)和穩(wěn)定程度，確定二次襯砌施作時間。周邊位移用收斂計，拱頂下沉用水平儀、水平尺及鋼尺量測。在初期支護混凝土內埋設壓力盒，對荷載進行監(jiān)控。壓力盒與周邊收斂及拱頂下沉共同布置在一個斷面上。

增加套護拱后開始拱頂下沉監(jiān)控量測，沉監(jiān)控量測到拱頂下沉速率小于0.2 mm/d時停止。監(jiān)測至第8 d后拱頂下沉基本都停止。增加套拱后監(jiān)控量測斷面拱頂累計下沉最大值見圖8。選擇ZK32+150,ZK32+175和ZK32+180斷面拱頂下沉監(jiān)控量測數(shù)據(jù)繪圖見圖9。

圖8 增加套拱后監(jiān)控量測斷面累計下沉量圖Fig.8 Add the graph of the cumulative subsidence of the monitored section after cover arch

圖9 拱頂下沉監(jiān)控量測變化圖(ZK32+150,+175,+180)Fig.9 Variation diagram of vault subsidence monitoring measurement(ZK32+150,+175,+180)

從圖8和圖9看出，增加套拱后，隧道已穩(wěn)定，套拱阻止了圍巖繼續(xù)變形。

初期支護參數(shù)變更后，隧道繼續(xù)施工。隧道開挖采用環(huán)形開挖留核心土法，循環(huán)進尺0.5～0.7 m。對拱頂下沉進行監(jiān)控量測，監(jiān)控量測從上臺階支期支護完成開始到仰拱施工完成時結束。在ZK32+220和ZK32+230兩斷面的拱頂和左右拱腰的初期支護與圍巖間監(jiān)測圍巖壓力。選擇ZK32+220和ZK32+230斷面拱頂下沉監(jiān)控量測數(shù)據(jù)見圖10，圍巖與初期之護間的最大壓力見圖11。從圖10看出，隧道初期支護已穩(wěn)定，從圖11看出，初期支護與圍巖間的壓力最大值為0.05 MPa，初期支護與圍巖間的壓力小，表明隧道初期支護參數(shù)的變更和施工方法符合該類隧道圍巖。

圖10 拱頂下沉監(jiān)控量測變化圖(ZK32+220,+230)Fig.10 Variation diagram of vault subsidence monitoring measurement(ZK32+220，+230)

圖11 圍巖與初期之護間的最大壓力變化圖Fig.11 Maximum pressure change diagram between the surrounding rock and the initial support stage

2.4 換拱

2.4.1換拱方案

換拱段仰拱已施工完成。換拱時隧道停止掌子面掘進施工，仰拱與掌子面的距離控制在5 m范圍內，二次襯砌與掌子面的距離控制在10 m范圍內。掌子面噴8～10 cm的C25混凝土封閉，防止在換拱期間，掌子面因暴露時間過長垮塌。換拱前滿足凈空要求段落完成全部二次襯砌施工。對換拱區(qū)域進行反壓回填，以平衡隧道側面圍巖產生的壓力，回填高度控制在C單元上50 cm。完成A、B單元換拱后，采用左右邊墻開挖的方法拆換C單元?；靥钔瓿珊髮Q拱段需換拱部位打設φ42×4 mm小導管并注漿加固，小導管單根長4.5 m，按0.5 m×0.5 m梅花形布置，與原有徑向錨桿錯孔布置。注漿采用二次注漿，注漿壓力應控制在2～3 MPa，注漿漿液采用水灰比為0.5∶1的水泥漿液。將原設計SF5e型襯砌支護參數(shù)中的鋼支撐由I22b調整為I25a。鋼支撐間連接由直徑20 mm鋼筋調整為I16工字鋼，環(huán)向間距100 cm，交錯布置，并形成“八”字形，I25a鋼支撐和I16連接工字鋼的布置圖見圖12。C25噴射混凝土厚度調整為31 cm，將二次襯砌支護參數(shù)中的環(huán)向主筋由直徑25 mm的鋼筋調整為直徑28 mm 的鋼筋，C30防水混凝土調整為C35防水混凝土。

圖12 鋼支撐與連接工字鋼的布置圖(單位：mm)Fig.12 Layout of steel support and connection I-beams(unit:mm)

2.4.2施工方案

對侵限段落鋼支撐逐榀進行復測，將侵限數(shù)值在施工現(xiàn)場用紅油漆標識出來。按照每三榀鋼支撐施作一次超前支護，利用破碎錘逐榀拆除套拱，套拱拆除超前于作業(yè)面不超過兩榀鋼支撐的距離。利用回填洞渣平臺和臺車對侵限段鋼支撐逐榀拆換，拆換后立即進行支護。當拆換距離達到一模二襯長度12 m時施工二次襯砌。換拱工藝流程為：回填反壓→加固注漿→拆除護拱→拆換A、B單元→拆換C單元→拆換循環(huán)作業(yè)→拆換累計一模二次襯砌長度時停止拆換，施工二次襯砌→直到侵限段拆換完成，二次襯砌施工完成。各斷面開挖完成后利用挖掘機或者人工手持器物對拱頂及邊墻開挖面觸碰，將可能存在的危石排除。換拱支護工藝如下。

(1)初噴混凝土施工。初噴2～4 cm厚C25混凝土，噴射混凝土前用壓縮空氣或壓力水將待噴面吹凈，噴射混凝土采用濕噴工藝，以減少回彈，改善施工環(huán)境。

(2)鋼筋網(wǎng)施工。外層鋼筋網(wǎng)待初噴混凝土后立即進行設置，并緊貼混凝土面掛設，內層鋼筋網(wǎng)待工字鋼架施工后緊貼鋼架內側布設，搭接長度應為2 個網(wǎng)格，且最少搭接不少于24 cm,采用點焊。

(3)鋼支撐施工。在B單元底部墊設I32a槽鋼與原C單元I22b鋼支撐連接成一個整體。施工中各鋼支撐用φ16鋼筋進行定位。其中每一A單元、B單元設定定位鋼筋2處，每處定位筋為兩根，分別在鋼支撐兩側，各長800 mm，接頭處的焊縫高度7 mm。相鄰工字鋼之間采用縱向I16工字鋼連接成整體，其環(huán)向間距1.0 m。在A單元落地端設兩個根長4.5 m的φ42×4 mm鎖腳小導管，小導管間通過鎖腳固定筋進行加固；在B單元腳板處施工兩根長4.5 m 的鎖腳小導管，施作時將鎖腳小導管從兩鎖腳固定筋之間穿過，將其尾端固定在鎖腳固定筋上，固定筋與工字鋼之間采用雙面焊。鎖腳小導管采用1∶1水泥漿液進行注漿，注漿壓力控制在0.5～1.0 MPa, 終壓為2 MPa，注漿順序為從下往上。

(4)系統(tǒng)φ42×4 mm注漿小導管施工：①測設鉆孔位；②鉆孔；③安設小導管；④注漿。

(5)超前支護施工。超前支護為φ42×4 mm單層小導管，3榀鋼支撐一循環(huán)。每循環(huán)62根，每根長4.5 m，設置拱部范圍內，環(huán)向間距為30 cm，搭接長度為3 m，從鋼支撐腹部穿過，仰角為5°～15°。超前小導管安裝完成后及時注漿。水灰比為1∶1，注漿壓力為初壓0.5～1 MPa，終壓為2 MPa，采用現(xiàn)場鉆孔取芯抽查檢驗注漿效果，滿足要求后方可進入下道工序。

(6)復噴混凝土施工。噴射混凝土覆蓋鋼架厚度超過3.5 cm。噴射混凝土采用先下后上S形噴射方式分層噴射，噴嘴指向與受噴面應保持90°夾角。噴射混凝土直接噴射在巖面上。噴槍頭到噴射面距離為0.6～1.2 m，不超過1.5 m。噴射機工作壓力應控制在0.1～0.15 MPa。復噴一次噴射厚度拱頂不得大于100 mm，邊墻不得大于150 mm。噴射混凝土采用濕噴工藝，以減少回彈，改善施工環(huán)境。噴射混凝土中的骨料應采用堅硬耐久的碎石或卵石，不得使用堿活性骨料；噴射混凝土中的骨料徑不宜大于15 mm；骨料宜采用連續(xù)級配，細骨料應采用堅硬耐久的中砂或粗砂，細度模數(shù)宜大于2.5。

(7)二次襯砌施工。當換拱距離滿足一模二次襯砌的距離時停止拆換，施工二次襯砌混凝土。

換拱施工過程中對隧道拱頂下沉進行監(jiān)控量測。換拱后，各樁號拱頂累計下沉值見圖13。對ZK32+165，ZK32+170和ZK32+195斷面拱頂下沉進行監(jiān)控量測，監(jiān)控量測從換拱完成開始到二襯施工開始時結束，拱頂下沉監(jiān)控量測數(shù)據(jù)見圖14。從圖13看出，累計最大下沉量是ZK32+170樁號，累計最大下沉量9.5 mm。從圖14看出，從第7 d開始，拱頂下沉已停止。從拱頂累計下沉量監(jiān)控量測數(shù)據(jù)和拱頂下沉速率看，換拱施工完成后，隧道圍巖已穩(wěn)定，表明隧道換拱設計和施工方法符合該類隧道圍巖。

圖13 換拱后拱頂下沉累計下沉量監(jiān)控值Fig.13 Monitoring value of the cumulative subsidence of the vault after arch replacement

圖14 拱頂下沉監(jiān)控量測變化圖(ZK32+165,+170,+195)Fig.14 Variation diagram of vault subsidence monitoring measurement(ZK32+165,+170,+195)

3 結論

(1)通過在已發(fā)生大變形段的初期支護外側增設間距60 cm 的I18工字鋼，在左右側拱腰部位各打設3根6 m長φ42 mm×4 mm的注漿小導管，掛設間距15 cm×15 cm的雙層φ8 mm鋼筋網(wǎng)片，噴25 cm 厚的C25混凝土進行封閉的護拱，阻止了初期支護大變形的發(fā)展。

(2)將未施工段落初期支護參數(shù)中工字鋼由I22b調整為I25a工字鋼，開挖采用環(huán)形開挖留核心土法，對隧道圍巖與初期支護之間接觸壓力、拱頂下沉和周邊收斂進行監(jiān)控量測。監(jiān)控量測結果表明，隧道初期支護的變更、施工方法和初期支護時間選擇適合軟弱的灰色、深灰色鈣質板巖隧道圍巖，可以指導后期同類圍巖施工。

(3)換拱時對換拱部位打設φ42 mm×4 mm小導管并注漿加固，小導管單根長4.5 m，按0.5×0.5 m間距梅花形布置，與原有徑向錨桿錯孔布置，注漿壓力應控制在2～3 MPa，將原設計初期支護參數(shù)中的工字鋼由I22b調整為I25a，鋼支撐間的連接由φ20 mm鋼筋變成I16工字鋼，工字鋼環(huán)向間距100 cm，交錯布置并形成八字形，噴射混凝土厚度由29 cm調整為31 cm，將2次襯砌支護參數(shù)中的環(huán)向主筋由直徑25 mm調整為28 mm，防水混凝土由C30調整為C35，每次拆換一榀鋼支撐，對隧道拱頂下沉和周邊收斂進行監(jiān)控量測。監(jiān)控量測結果表明，隧道換拱設計和施工方法適合已經(jīng)產生大變形的軟弱灰色、深灰色鈣質板巖隧道圍巖換拱。