基于隧道斷層破碎帶的初期支護(hù)凈空侵限處治

黃 凱

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 武漢 430050)

隧道初期支護(hù)侵限形式可分為：由于隧道一側(cè)圍巖軟弱或涌泥后回填不密實(shí)導(dǎo)致單側(cè)受較大壓力而引起隧道單側(cè)大變形后的侵限和由于隧道拱頂圍巖壓力較大、基底軟弱、初期支護(hù)沉降、收斂較大而引起拱部的侵限[1]。某隧道洞口段圍巖多呈軟弱破碎狀，施工極易發(fā)生圍巖大變形，導(dǎo)致初期支護(hù)侵入二次襯砌凈空界限[2]。李明耿[3]針對(duì)隧道施工出現(xiàn)的初期支護(hù)侵限現(xiàn)象，提出了有效的換拱設(shè)計(jì)方案；呂梁等[4-5]對(duì)大斷面偏壓黃土隧道、軟巖地層的換拱施工工藝進(jìn)行了研究，但缺乏侵限機(jī)理解答。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)關(guān)于隧道初期支護(hù)侵限的研究多集中在治理措施層次，對(duì)隧道斷層破碎帶初期支護(hù)侵限深層次的機(jī)理分析及處治效果評(píng)價(jià)較為欠缺。對(duì)侵限的處治一般為施作大面積換拱，常引起圍巖大幅擾動(dòng)，降低圍巖的自持能力，危及結(jié)構(gòu)安全和施工安全。本文依托某公路隧道出口段F9斷層破碎帶，對(duì)初期支護(hù)侵限機(jī)理進(jìn)行分析，以期提出切實(shí)可行的治理措施。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

某隧道起止樁號(hào)為K144+874-K147+780，全長(zhǎng)2 906 m，最大埋深358.7 m。根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪及鉆探成果，隧址區(qū)山體斜坡上局部表層覆蓋第四系全新統(tǒng)殘坡積物，巖性為粉砂、粉質(zhì)黏土、碎石，下伏基巖主要為晚元古代片巖、片麻巖，巖體較為破碎，有斷層破碎帶通過(guò)。地表水補(bǔ)給主要為山間溪流、大氣降水，地下水主要為基巖裂隙水。

1.2 初期支護(hù)侵限段地質(zhì)情況

開(kāi)挖揭露及地質(zhì)素描記錄顯示，洞口淺埋段K147+750-K147+761掌子面圍巖拱部范圍主要為粉質(zhì)黏土，呈土狀、碎塊狀及角礫狀松散結(jié)構(gòu)，手捏易碎；底部主要為強(qiáng)風(fēng)化片麻巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖質(zhì)較軟。掌子面掘進(jìn)方式為臺(tái)階法并預(yù)留核心土開(kāi)挖，施工時(shí)掉塊現(xiàn)象嚴(yán)重，穩(wěn)定性差，開(kāi)挖后易坍塌，圍巖級(jí)別為V級(jí)。

2 初期支護(hù)侵限過(guò)程及隧道宏觀表征

2.1 監(jiān)控量測(cè)情況

換拱前地表沉降觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意見(jiàn)圖1，觀測(cè)點(diǎn)縱向按10 m間距布置，橫向間距5 m，隧道中線附近適當(dāng)加密[6-7]。

圖1 隧道出口地表沉降觀測(cè)點(diǎn)布置圖(尺寸單位:m)

該隧道出口K147+755斷面沉降位移見(jiàn)圖2，沉降速率見(jiàn)圖3。

圖2 隧道出口K147+755斷面沉降位移

圖3 隧道出口K147+755斷面沉降速率

由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，2017年2月26日時(shí)，沉降速率最大發(fā)生在左拱腰處，達(dá)-82.40 mm/d，隨著掌子面推進(jìn)，累計(jì)沉降逐漸增大，拱頂累計(jì)沉降穩(wěn)定在87.2 mm，左拱腰累計(jì)沉降穩(wěn)定在151.2 mm。隧道初期支護(hù)最大累計(jì)沉降量已超過(guò)隧道設(shè)計(jì)預(yù)留變形量的2/3，需采取措施后再進(jìn)行施工[8]。

2.2 初期支護(hù)凈空斷面檢測(cè)情況

根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，結(jié)合K147+750-K147+761段初期支護(hù)凈空掃描檢測(cè)結(jié)果，初支凈空斷面已侵入二次襯砌界限15～30 cm之間，K147+755處初期支護(hù)凈空掃描檢測(cè)圖見(jiàn)圖4。

圖4 K147+755處初期支護(hù)凈空掃描檢測(cè)圖

3 隧道初期支護(hù)侵限機(jī)理

3.1 斷層破碎帶的影響

F9斷層破碎帶處隧道平縱斷面剖面圖見(jiàn)圖5。

圖5 F9斷層破碎帶處隧道平縱斷面剖面圖

由圖5可知，隧道穿越I級(jí)結(jié)構(gòu)面的F9斷層破碎帶時(shí)，隧道圍巖的穩(wěn)定性受到較大影響。圍巖受開(kāi)挖擾動(dòng)后初始應(yīng)力發(fā)生改變，在圍巖中形成非持續(xù)擴(kuò)大性的塑性松動(dòng)圈，并最終形成彈性松動(dòng)圈。

圍巖破碎及地下水作用使得斷層塑性段處于應(yīng)變軟化狀態(tài)，抗剪切性隨剪切變形量的增大而減小。而掌子面遠(yuǎn)端的斷層彈性段處于應(yīng)變硬化狀態(tài)，剪切變形隨剪切應(yīng)力增大而增大。隧道掌子面開(kāi)挖至F9處時(shí)，拱頂斷層帶出現(xiàn)剪切應(yīng)力集中，斷層塑性區(qū)和彈性區(qū)剪切應(yīng)力均增大。初期支護(hù)發(fā)生向隧道內(nèi)變形和侵入凈空界限的現(xiàn)象時(shí)，增大的斷層破碎帶剪切應(yīng)力超過(guò)了拱頂圍巖抗剪強(qiáng)度，引起松動(dòng)圍巖壓力和形變圍巖壓力增大。F9斷層破碎帶圍巖變形演化見(jiàn)圖6。

圖6 F9斷層破碎帶圍巖變形演化示意圖

3.2 地下水下滲加劇沉降

隧道開(kāi)挖期間遇連日陰雨，地表水沿著斷層破碎帶充當(dāng)?shù)膹搅髑肋M(jìn)行下滲，粉質(zhì)黏土層含水量增大使拱頂初期支護(hù)的垂直荷載也增大。當(dāng)隧道掘進(jìn)至F9斷層處時(shí)，隧道拱頂處動(dòng)水壓力迅速增大，拱頂初期支護(hù)承受動(dòng)、靜水壓力的耦合作用。同時(shí)，地下水沿開(kāi)挖面下滲至拱底，拱腳麻巖在地下水軟化、浸泡和沖蝕作用下的承載能力大幅降低。以上綜合作用下，初期支護(hù)不均勻沉降不斷加劇，最終導(dǎo)致初期支護(hù)侵入二次襯砌的凈空界限。

3.3 施工造成的影響

現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)對(duì)洞口淺埋段F9斷層破碎帶施工風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識(shí)不足，未能及時(shí)改變施工方法或采取有效措施防范施工中出現(xiàn)的變形過(guò)大等問(wèn)題。隧道下導(dǎo)開(kāi)挖后未能加快鋼拱架的架設(shè)，導(dǎo)致拱腳處鋼拱架支撐懸空時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，其現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖7。同時(shí)，仰拱的開(kāi)挖擾動(dòng)又進(jìn)一步加大了初期支護(hù)的沉降。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)拱腳處鋼拱架懸空

4 初期支護(hù)侵限段處治

依據(jù)該隧道斷層破碎帶初期支護(hù)的侵限機(jī)理，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)初期支護(hù)變形監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，制定了進(jìn)行徑向注漿加固，后更換拱架的施工方案。

4.1 全徑向注漿加固

換拱前在洞內(nèi)進(jìn)行全徑向注漿加固，K147+750-K147+761一次注漿完成后再開(kāi)始進(jìn)行換拱作業(yè)。洞內(nèi)初支背后圍巖加固處理時(shí)設(shè)置長(zhǎng)5 m的直徑42 mm的徑向注漿小導(dǎo)管，注漿孔采用梅花型布置，孔口環(huán)向和縱向間距分別為1.0 m和1.2 m，徑向?qū)Ч懿贾檬疽庖?jiàn)圖8。

圖8 徑向?qū)Ч懿贾檬疽鈭D

注漿材料采用水灰比為1.1∶1的水泥-水玻璃雙液漿，水泥級(jí)別選為42.5級(jí)硅酸鹽水泥，注漿壓力為0.5～1.2 MPa。

4.2 初期支護(hù)拆除

全徑向注漿達(dá)到固結(jié)齡期且注漿效果控制達(dá)到要求后，在圍巖變形穩(wěn)定條件下采用以炮頭機(jī)為主，人工鑿除為輔的方式逐榀拆除原初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)，拆除一段后立即支護(hù)一段。一般采用從下向上、先墻后拱的拆除順序，原初期支護(hù)拆除時(shí)可切除多余鋼化管，盡量避免對(duì)原徑向加固體的擾動(dòng)破壞，換拱處治施工流程圖見(jiàn)圖9。

圖9 換拱處治施工流程圖

4.3 架設(shè)替換鋼支撐

在拆除原初期支護(hù)后，隧道各節(jié)段新采用的支護(hù)形式與原設(shè)計(jì)保持一致，原則上仍按原設(shè)計(jì)預(yù)留沉降量，但可根據(jù)實(shí)際施工情況做適當(dāng)調(diào)整，以保證二次襯砌的厚度。施工過(guò)程的要求如下。

1) 安裝前清除拱腳虛碴及雜物，局部超挖部分采用噴射混凝土進(jìn)行填充密實(shí)。

2) 換拱作業(yè)前人工組裝鋼支撐，鋼架節(jié)段采用螺栓連接，連接板接縫做到三面滿焊。

3) 鋼支撐要落到實(shí)地，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)施工鎖腳錨桿以減小拱頂下沉。

4) 鋼拱架拆裝更換完成后需及時(shí)噴射混凝土。

5) 對(duì)于新施作的初期支護(hù)隧道斷面要加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)并加密監(jiān)測(cè)斷面和監(jiān)測(cè)頻率。安排專人負(fù)責(zé)施工現(xiàn)場(chǎng)觀察，現(xiàn)場(chǎng)異常情況發(fā)生后立即停工，同時(shí)加強(qiáng)洞內(nèi)支護(hù)。

6) 侵限處治控制重點(diǎn)在初期支護(hù)破除、換拱、落底、封閉成環(huán)4個(gè)方面。換拱必須每榀分單元進(jìn)行，待噴射混凝土穩(wěn)定后方可進(jìn)行下一榀的換拱施工。

7) 疏通換拱段的地表水系，降水盡快排走以保證地表沒(méi)有積水。同時(shí)對(duì)地表存在的裂縫需及時(shí)采用噴射混凝土進(jìn)行封閉。

5 處治效果

為評(píng)價(jià)鋼拱更換方案是否達(dá)到預(yù)期要求，采用midas Civil數(shù)值模擬結(jié)合監(jiān)控量測(cè)的方法對(duì)換拱后初期支護(hù)的受力變形進(jìn)行分析。

5.1 數(shù)值模擬計(jì)算

假設(shè)支護(hù)結(jié)構(gòu)為承載主體，上方圍巖為松散巖體，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生豎向荷載。模型物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 圍巖及材料的物理力學(xué)參數(shù)

蘇聯(lián)學(xué)者普洛托雅克諾夫(簡(jiǎn)稱普氏)以松散理論為基礎(chǔ)，認(rèn)為在松散介質(zhì)中開(kāi)挖隧道后，隧道上方將形成拋物線平衡拱，其高度H為

(1)

式中：B為平衡拱的半跨度，m；Fm為巖石堅(jiān)固性系數(shù)，土層取Fm=tanθ，巖石取Fm=R/10；其中：θ為土的內(nèi)摩擦角，(°)；R為巖石抗壓極限強(qiáng)度,MPa。

當(dāng)側(cè)壁不穩(wěn)定時(shí)，平衡拱寬度

B=Bt+Httan(45°-θ/2)

式中：Ht為隧道凈高，m；Bt為隧道凈寬之半，m。平衡拱寬度示意見(jiàn)圖10。得出：H=6.2 m，拱頂圍巖荷載p=γH，取飽和粉質(zhì)黏土為20 kN/m3，得到p=124 kPa。

圖10 平衡拱寬度示意圖

對(duì)模型圍巖處限制水平及豎直位移，施加豎直向下的均布荷載后計(jì)算得到鋼拱架的應(yīng)力圖見(jiàn)圖11。

圖11 鋼拱架應(yīng)力圖

由圖11可知，鋼拱架最大應(yīng)力為173.9 MPa，發(fā)生在鋼拱架拱腳處，由于Q235型鋼屈服強(qiáng)度為235 MPa，故結(jié)構(gòu)安全系數(shù)K=1.35，結(jié)構(gòu)受力安全。

5.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)分析

通過(guò)縱向間隔5 m加密設(shè)置觀測(cè)斷面，并對(duì)維修加固后的初期支護(hù)變形進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)。監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示隧道拱頂下沉和周邊收斂變形均很小，15 d后變形量已趨于穩(wěn)定狀態(tài)，最大下沉變形量為18 mm，最大周邊收斂變形量為3.4 mm。同時(shí)，換拱段斷面凈空的隧道激光斷面儀檢測(cè)結(jié)果均符合設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

1) 隧道初期支護(hù)凈空侵限的機(jī)理分析需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。本工程F9斷層破碎帶圍巖較差，地下水侵入加大拱頂荷載，以及拱腳麻巖在地下水下作用承載能力降低是初期支護(hù)侵限客觀原因。隧道下導(dǎo)開(kāi)挖后未能加快架設(shè)鋼拱架，拱腳懸空時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致上部初期支護(hù)下沉是主觀原因。

2) 數(shù)值模擬和監(jiān)控量測(cè)結(jié)果證明，本工程“全徑向注漿加固+換拱”的處治方案能有效地控制隧道掌子面穩(wěn)定，避免初期支護(hù)侵限再次發(fā)生，隧道順利通過(guò)斷層破碎帶。

3) 施工中要根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、開(kāi)挖掌子面圍巖揭示情況，以及監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整開(kāi)挖方法和支護(hù)參數(shù)。嚴(yán)格規(guī)避鋼拱架底部懸空過(guò)長(zhǎng)或者基底不實(shí)的情況，嚴(yán)格控制縮腳錨桿的施工質(zhì)量，保證鋼拱架在初期支護(hù)中的有效支撐作用。