類(lèi)土質(zhì)隧道大變形機(jī)理及處治方案

汪祥國(guó)

(中鐵十一局集團(tuán)第二工程有限公司 湖北十堰 442000)

1 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的進(jìn)行，鐵路公路網(wǎng)絡(luò)的修建完善了促進(jìn)我國(guó)城市經(jīng)濟(jì)交流、帶動(dòng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)的重要環(huán)節(jié)，進(jìn)而拉動(dòng)了我國(guó)隧道建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，使得我國(guó)在隧道建設(shè)領(lǐng)域積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

在修建山嶺隧道的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到圍巖軟弱破碎等復(fù)雜地質(zhì)條件，進(jìn)而導(dǎo)致開(kāi)挖施工中發(fā)生擠壓性大變形的問(wèn)題，圍巖會(huì)迅速且長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)發(fā)生變形，支護(hù)結(jié)構(gòu)在持續(xù)受力后超過(guò)承載極限[1]。閆紅江等[2]在麗江-香格里拉鐵路中義隧道觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，自2016年初開(kāi)挖后隧道進(jìn)出口和橫洞工區(qū)相繼出現(xiàn)隧道大變形，最大日變形量大34 mm，最大累計(jì)變形量達(dá)到1 000 mm，變形持續(xù)到2018年末；戴永浩等[3]在大梁隧道發(fā)生大變形導(dǎo)致初砌失效、部分圍巖垮塌后通過(guò)有限元分析實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬并提出了針對(duì)性的支護(hù)措施。

為了解決和預(yù)防大變形，許多學(xué)者針對(duì)大變形軟巖隧道進(jìn)行了一系列研究，李術(shù)才等[4]對(duì)國(guó)內(nèi)外隧道工程修建過(guò)程中面臨的大變形問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)探討并提出了一系列預(yù)防和治理的對(duì)策；廖煙開(kāi)等[5]對(duì)軟巖大變形作出了系統(tǒng)分類(lèi)；徐國(guó)文等人[6-8]通過(guò)比選試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在圍巖條件差的情況下才用三臺(tái)階法可有效控制大變形災(zāi)害的發(fā)生。以上的研究成果，對(duì)軟巖隧道開(kāi)挖施工與設(shè)計(jì)提供了重要指導(dǎo)作用。

本文以白竺3號(hào)隧道為例，結(jié)合隧道變形監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)軟巖隧道大變形及破壞機(jī)制進(jìn)行分析，并通過(guò)設(shè)計(jì)處治方案，提出支護(hù)措施，最后通過(guò)工程實(shí)踐驗(yàn)證方案合理性。

2 工程概況

江西萍蓮高速白竺3號(hào)隧道(ZK26+205～ZK27+280/YK26+200～YK27+295)為萍鄉(xiāng)至蓮花高速公路的一段公路隧道，隧道長(zhǎng)度為1 075/1 095 m，為一分離式隧道，位于江西省萍鄉(xiāng)市。隧道區(qū)地貌地形屬剝蝕丘陵-低山，高程為379.00～560.80 m。左、右隧道進(jìn)口位于圓曲線(xiàn)內(nèi)，半徑均為2 550 m，出口左右線(xiàn)均位于緩和曲線(xiàn)上，隧道為人字坡，兩側(cè)縱坡分別為2.2%和2.447%，隧道單洞正常涌水量707.87 m3/d，最大涌水量2 063.63 m3/d。萍鄉(xiāng)端洞口采用端強(qiáng)式，蓮花端采用削竹式。

隧道出口施工至194 m時(shí)，掌子面樁號(hào)為YK27+101，設(shè)計(jì)Ⅴ級(jí)圍巖，實(shí)際開(kāi)挖掌子面發(fā)現(xiàn)圍巖為全、強(qiáng)風(fēng)石英砂巖及粉質(zhì)黏土，灰褐色，為類(lèi)土質(zhì)圍巖，巖體較為破碎，呈碎裂狀結(jié)構(gòu)，裂隙發(fā)育，掌子面出現(xiàn)些許滲水，出口掌子面開(kāi)挖情況如圖1所示。

圖1 出口右洞掌子面開(kāi)挖情況

繼續(xù)開(kāi)挖的過(guò)程中，初襯部分失效，部分圍巖發(fā)生掉落和垮塌現(xiàn)象。在YK27+030～YK27+040段還出現(xiàn)嚴(yán)重侵限的現(xiàn)象，如圖2所示。這給后續(xù)施工帶來(lái)了巨大困難，因此需要設(shè)計(jì)處治方案解決大變形問(wèn)題。

圖2 YK27+030～YK27+040段侵限處圍巖

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與大變形原因分析

3.1 大變形監(jiān)測(cè)斷面布置

隧道圍巖現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置為圖3所示，以YK27+040和YK27+047為典型斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)。每個(gè)斷面布置1個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)和2條水平收斂觀測(cè)線(xiàn)(1、2)。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意

3.2 典型變形破壞段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

通過(guò)實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)，可以獲得兩個(gè)典型斷面的變形數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖4)。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)折線(xiàn)圖

從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)看YK27+047斷面拱頂下沉位移較大，且隨時(shí)間的增長(zhǎng)變形在持續(xù)變大，增長(zhǎng)趨勢(shì)沒(méi)有縮減，水平收斂值較為穩(wěn)定。而YK27+040斷面水平收斂位移以及拱頂下沉位移均隨時(shí)間急劇增長(zhǎng)，偶而有平緩后繼續(xù)保持增長(zhǎng)。由圖4可知，在8月14日至8月31日期間，YK27+047斷面拱頂下沉最大值約為300 mm，YK27+040斷面拱頂下沉最大值約為450 mm，水平收斂最大值約為170 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)范中所限定的同級(jí)圍巖的規(guī)范值。上述圍巖持續(xù)變形的過(guò)程導(dǎo)致了大變形災(zāi)害的發(fā)生、隧道初期支護(hù)出現(xiàn)侵限，對(duì)隧道施工安全帶來(lái)了巨大隱患。

3.3 大變形破壞成因機(jī)理分析

針對(duì)白竺3號(hào)隧道發(fā)生大變形等現(xiàn)象進(jìn)行進(jìn)一步的研究分析，對(duì)上述災(zāi)害產(chǎn)生的原因探討大致如下:

(1)開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖由中風(fēng)化砂巖過(guò)渡到全、強(qiáng)分化頁(yè)巖和石英砂巖，為殘坡積層，發(fā)育有斷層破碎帶，承載能力較低，巖體中構(gòu)造應(yīng)力難以聚集，原始應(yīng)力以自重應(yīng)力場(chǎng)為主[9]。且隧道屬于偏壓段，圍巖所受荷載較為不均勻，支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力相差大。這是造成大變形災(zāi)害的基本原因。

(2)隧道在洞口附近與白竺電站引水隧道交叉，引水隧道位于隧道頂板之上40 cm。雖然通過(guò)設(shè)計(jì)將引水隧道往東側(cè)改移，但還是導(dǎo)致隧道整體地質(zhì)條件變差。同時(shí)地表水豐富，進(jìn)出口段山間小溪中常年有水。該段自進(jìn)洞到災(zāi)害發(fā)生一直處于富水狀態(tài)，開(kāi)挖斷面圍巖突然變?nèi)?，出現(xiàn)滲水并導(dǎo)致部分全風(fēng)化弱巖發(fā)生崩解，泥化速度快，穩(wěn)定性較差[10-12]。受水影響，洞內(nèi)圍巖自身強(qiáng)度顯著下降，水浸泡后呈稀泥狀，致使初期支護(hù)不同程度的收斂下沉，整個(gè)隧道甚至有斷面拱頂下沉量達(dá)70 cm。

4 圍巖大變形段處治方案

為應(yīng)對(duì)白竺3號(hào)隧道施工過(guò)程中出現(xiàn)的大變形問(wèn)題，提出了大變形段有關(guān)處治方案。

4.1 隧道洞口預(yù)加固處治

通過(guò)設(shè)置超前管棚于兩端洞口，減弱隧道支護(hù)的偏壓，使圍巖能承受開(kāi)挖后形成的高應(yīng)力。超前長(zhǎng)管棚采用熱軋無(wú)縫鋼管 φ108×6 mm，外插角1°～2°，環(huán)向間距50 cm，節(jié)長(zhǎng)3、4、6 m。管棚導(dǎo)管前端呈尖錐狀，管壁四周鉆12 mm壓漿孔，尾部2.5 m不設(shè)壓漿孔，注漿采用單液注漿，參數(shù)如下:水泥漿水灰比 1∶1，注漿壓力0.5 ～1.0 MPa。

4.2 加強(qiáng)初期支護(hù)強(qiáng)度

改進(jìn)隧道初期支護(hù)措施，調(diào)整為 20工字鋼支撐，間距為0.5 m，砂漿錨桿間距1 m×0.5m矩形，錨桿長(zhǎng)度為3.5 m，初支噴射混凝土厚度為27 cm。同時(shí)用超前支護(hù)的措施控制圍巖的變形:使用超前小導(dǎo)管(見(jiàn)圖5)從工字鋼腹部穿過(guò)或尾部焊接于鋼架上。小導(dǎo)管采用5 m長(zhǎng)φ42 mm熱軋無(wú)縫鋼管，管壁厚5 mm，導(dǎo)管縱距根據(jù)工字鋼間距不同，分別有3.60 m和3.75 m，外插角15°～18°。導(dǎo)管前端呈尖錐狀，管壁四周鉆6mm壓漿孔，尾部1m不設(shè)壓漿孔，注漿采用單液注漿，參數(shù)如下:水泥漿水灰比1∶1，注漿壓力0.5～1.0 MPa。襯砌混凝土采用C30防水砼，使用一層或兩層φ8焊接鋼筋網(wǎng)。

圖5 小導(dǎo)管徑向注漿

4.3 塌腔體處治措施

對(duì)于隧道塌腔體，先對(duì)掌子面進(jìn)行填土，反壓回填穩(wěn)定掌子面，采用噴射砼封閉塌腔巖面，然后對(duì)塌腔進(jìn)行封堵，采用泵送砼回填塌腔體，控制回填砼厚度，減少回填自重，然后進(jìn)行徑向打設(shè)間距1 m×1 m的5 m長(zhǎng)φ42×5 mm小導(dǎo)管注漿穩(wěn)定變形初支，最后施作長(zhǎng)9 mφ89×6 mm注漿長(zhǎng)管棚對(duì)塌方區(qū)及掌子面前方進(jìn)行預(yù)加固。

4.4 加強(qiáng)隧道防排水措施

選用EVA防水板(與密度不小于350 g/m2土工布分點(diǎn)粘結(jié))。在原有的排水措施的基礎(chǔ)上，針對(duì)初期支護(hù)滲漏水較為集中處采用Ω型彈簧排水管，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為拉伸鋼絲與塑料脫離負(fù)荷≥250 N；低溫(-30℃)彎折無(wú)裂縫、無(wú)變形；抗?jié)B透性:3.0 MPa/24 N不滲漏水。加強(qiáng)隧道縱向排水，采用φ160雙壁打孔波紋排水管，外包350 g/m2土工布。

4.5 優(yōu)化施工方法,加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)

在隧道施工過(guò)程中，根據(jù)圍巖變形情況，適時(shí)調(diào)整施工方案為三臺(tái)階七步開(kāi)挖法。加強(qiáng)施工監(jiān)控量測(cè)，通過(guò)分析監(jiān)控量測(cè)的數(shù)據(jù)可以及時(shí)了解施工段圍巖變形狀況，便于及時(shí)更新問(wèn)題處治方案，保護(hù)安全施工條件。根據(jù)需要調(diào)整預(yù)留變形量為30～50 cm。

5 處治效果分析

為掌握大變形段處治后圍巖變形狀態(tài)變化，對(duì)YK27+040和YK27+047兩典型斷面的后續(xù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，時(shí)間與累計(jì)變形量趨勢(shì)折線(xiàn)如圖6所示。

圖6 處治后現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)折線(xiàn)圖

采取專(zhuān)項(xiàng)處治措施后，由圍巖累計(jì)變形量可看出，圍巖變形得到了有效控制。最大累計(jì)沉降值都控制在較平穩(wěn)范圍，沉降速率在40 d后趨于穩(wěn)定。YK27+040段拱頂沉降也在30 d左右穩(wěn)定在450mm左右，水平收斂穩(wěn)定在200 mm左右，沒(méi)有再高速增長(zhǎng)，圍巖趨于穩(wěn)定。

采取處治方案后，隧道大變形得到有效控制，圍巖塌方、初襯開(kāi)裂現(xiàn)象在此后兩個(gè)月內(nèi)均較為少見(jiàn)，圍巖變形也保持在正常范圍內(nèi)，證明了處治方案的有效性和合理性。處置方案保證了該洞段的順利施工，避免了施工成本的增加。

6 結(jié)束語(yǔ)

以類(lèi)土質(zhì)隧道——白竺3號(hào)隧道發(fā)生大變形災(zāi)害為例，通過(guò)對(duì)該隧道各項(xiàng)地質(zhì)、物理指標(biāo)進(jìn)行分析，歸納出該隧道發(fā)生大變形破壞的影響因素和產(chǎn)生原因，同時(shí)在快速處治后得出如下結(jié)論:

(1)類(lèi)土質(zhì)隧道圍巖大變形體現(xiàn)在初期支護(hù)發(fā)生形變、侵限，拱頂圍巖發(fā)生快速下沉等破壞形式。

(2)大變形是多種不良地質(zhì)、水文等因素共同作用的結(jié)果。首先，類(lèi)土質(zhì)隧道自身圍巖較為軟弱破碎，導(dǎo)致圍巖承載能力較弱，這是導(dǎo)致大變形產(chǎn)生基本的緣由；其次，地下水對(duì)圍巖的崩解軟化作用也是類(lèi)土質(zhì)隧道發(fā)生破壞的另一個(gè)主要因素；再者，處于偏壓段的同時(shí)洞口未做特殊處理、未使用預(yù)留核心土三臺(tái)階法等施工工藝問(wèn)題也是客觀因素之一。

(3)此次大變形災(zāi)害再一次證明重視隧道監(jiān)控量測(cè)并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)記錄分析的科學(xué)性和重要性，這些施工數(shù)據(jù)的記錄以及相關(guān)研究都將為今后的設(shè)計(jì)施工提供強(qiáng)有力的參考依據(jù)。

(4)對(duì)于可能發(fā)生大變形的類(lèi)似地段，應(yīng)采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等手段以加強(qiáng)不良地質(zhì)的調(diào)查，同時(shí)可以采取超前小導(dǎo)管或超前錨桿配合注漿的施工加固方法，減少可能的變形災(zāi)害，最終達(dá)到節(jié)約成本的效果。