長(zhǎng)時(shí)間停工條件下炭質(zhì)板巖地層隧道圍巖變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)研究

鐘揚(yáng)，高超，張海太

(1.湖南省機(jī)場(chǎng)管理集團(tuán)有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410137；2.中南大學(xué)；3.云南麗香高速公路投資開發(fā)有限公司)

炭質(zhì)板巖具有抗剪強(qiáng)度低、節(jié)理裂隙發(fā)育，遇水易軟化等特點(diǎn)，隧道在穿越炭質(zhì)板巖地層時(shí)易出現(xiàn)圍巖大變形、初支混凝土開裂、剝落、鋼拱架扭曲變形。在復(fù)雜地質(zhì)、地形和施工環(huán)境中，不可避免出現(xiàn)由于多種原因?qū)е虏煌瑫r(shí)間的停工，停工期間圍巖變形將進(jìn)一步加劇。因此研究停工情況下圍巖變形特征以及支護(hù)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固措施具有實(shí)際意義。

對(duì)于停工情況下隧道圍巖變形，謝櫚潛等基于云模型理論，建立了長(zhǎng)時(shí)間停工隧道初期支護(hù)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。炭質(zhì)板巖地層隧道常發(fā)生圍巖大變形，長(zhǎng)時(shí)間停工隧道圍巖變形對(duì)后續(xù)隧道施工影響很大，目前這方面研究成果少見。該文以香麗高速公路典型炭質(zhì)板巖地層隧道為工程背景，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、圍巖變形測(cè)試，分析隧道長(zhǎng)時(shí)間停工圍巖變形，對(duì)停工后支護(hù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，并提出支護(hù)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固措施，可為后續(xù)工程施工以及類似工程提供參考。

1 工程概況

云南省香格里拉至麗江(香麗)高速公路白巖子隧道、海巴洛隧道、洼里別隧道穿越典型的炭質(zhì)板巖地層；隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，覆蓋層主要分布第四系殘坡積層含礫粉質(zhì)黏土、碎石土夾板巖碎石；下部基巖主要分布三疊系下統(tǒng)灰色、褐色炭質(zhì)板巖。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)揭露，隧道穿越地層為灰、黑色強(qiáng)風(fēng)化、全風(fēng)化炭質(zhì)板巖，強(qiáng)度較低，薄層狀結(jié)構(gòu)，巖層傾角為20°～35°，層理、節(jié)理發(fā)育，巖體受層理、節(jié)理切割后完整性較差，層間黏結(jié)力差，遇水易軟化、崩解，自穩(wěn)性極差。

香麗高速公路典型炭質(zhì)板巖隧道圍巖為Ⅴ級(jí)，采用復(fù)合式襯砌，具體支護(hù)參數(shù)為4 m長(zhǎng)φ42 mm×4 mm注漿小導(dǎo)管，C25噴射混凝土厚27 cm，φ8鋼筋網(wǎng)20 cm×20 cm，Ⅰ20a鋼拱架，間距60 cm，預(yù)留變形量根據(jù)圍巖情況為20、30、50 cm，二次襯砌采用C30鋼筋混凝土，厚度為60 cm。Ⅴ級(jí)圍巖襯砌結(jié)構(gòu)斷面圖如圖1所示。

圖1 Ⅴ級(jí)圍巖襯砌結(jié)構(gòu)斷面圖(單位：cm)

香麗高速公路白巖子隧道、海巴洛隧道、洼里別隧道主要采用三臺(tái)階(預(yù)留核心土)法施工：① 上臺(tái)階采用弧形導(dǎo)坑開挖預(yù)留核心土，并施做拱部初期支護(hù)；② 中臺(tái)階開挖，并施做中臺(tái)階初期支護(hù)；③ 下臺(tái)階開挖，并施做下臺(tái)階初期支護(hù)；④ 仰拱開挖，并施做仰拱初期支護(hù)及仰拱填充；⑤ 二襯施工。施工工序圖如圖2所示，三臺(tái)階預(yù)留核心土開挖如圖3所示。

圖2 三臺(tái)階法開挖工序圖(單位:m)

圖3 三臺(tái)階開挖斷面示意圖

2 長(zhǎng)時(shí)間停工條件下隧道圍巖變形分析

2.1 隧道施工停工狀況調(diào)查

香麗高速公路白巖子隧道、洼里別隧道、海巴洛隧道自2016年開工至2020年建成期間，在施工過程中，因各種原因不同程度的停工時(shí)有發(fā)生。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，3座隧道在2017年1月至2018年12月的停工段里程、停工時(shí)間、停工時(shí)段產(chǎn)生的圍巖位移最大值如表1所示。

由表1可知：白巖子隧道、洼里別隧道、海巴洛隧道多處存在不同程度停工，停工時(shí)間最短為32 d，最長(zhǎng)為108 d。白巖子隧道YK62+625～YK62+655段停工97 d內(nèi)圍巖位移最大為82.4 mm，洼里別隧道ZK64+420～ZK64+450段停工108 d內(nèi)圍巖位移最大為80.4 mm，海巴洛隧道ZK65+800～ZK65+830段停工32 d內(nèi)圍巖位移最大為49.1 mm，停工時(shí)間越長(zhǎng)，停工時(shí)段內(nèi)發(fā)生的圍巖變形越大。由于停工期間引發(fā)的圍巖變形量較大，易對(duì)圍巖穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)安全性產(chǎn)生較大影響，因此開展停工段的圍巖變形監(jiān)測(cè)，進(jìn)而分析停工階段內(nèi)的圍巖變形規(guī)律十分必要。

2.2 典型區(qū)段隧道施工圍巖變形測(cè)試

針對(duì)香麗高速公路隧道不同停工情況，對(duì)隧道停工段位移進(jìn)行圍巖變形監(jiān)測(cè)(包括拱頂沉降和水平收斂)，圍巖變形監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。根據(jù)圍巖監(jiān)測(cè)結(jié)果，選取香麗高速公路典型停工段斷面圍巖變形情況進(jìn)行分析，典型斷面圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5～10所示(圖中拱頂位移以沉降為正，水平位移以收斂為正)。

表1 香麗高速公路典型隧道施工停工情況統(tǒng)計(jì)

分析圖5～10中典型停工斷面圍巖變形時(shí)程曲線，得出以下結(jié)論：

圖4 圍巖變形監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖5 白巖子隧道YK62+350斷面圍巖變形時(shí)程曲線圖

圖6 白巖子隧道YK63+230斷面圍巖變形時(shí)程曲線圖

圖7 洼里別隧道YK64+105斷面圍巖變形時(shí)程曲線圖

圖8 洼里別隧道ZK64+440斷面圍巖變形時(shí)程曲線圖

圖9 海巴洛隧道ZK66+156斷面圍巖變形時(shí)程曲線圖

圖10 海巴洛隧道YK66+245斷面圍巖變形時(shí)程曲線圖

(1)拱頂沉降及水平收斂時(shí)程曲線整體上呈上升趨勢(shì)，在停工階段，圍巖變形持續(xù)增加，且拱頂沉降值及水平收斂值均有增加。停工時(shí)段內(nèi)產(chǎn)生的拱頂沉降值最大達(dá)73.3 mm，停工時(shí)段內(nèi)產(chǎn)生的水平收斂值最大達(dá)80.4 mm。

(2)通過計(jì)算停工時(shí)段內(nèi)產(chǎn)生的圍巖位移占圍巖總位移的比例可知：白巖子隧道YK63+230斷面停工時(shí)段內(nèi)所產(chǎn)生的圍巖位移占該斷面圍巖總位移的38%；洼里別隧道YK64+105斷面停工時(shí)段內(nèi)所產(chǎn)生的圍巖位移占該斷面圍巖總位移的45.7%；海巴洛隧道YK66+245斷面停工時(shí)段內(nèi)所產(chǎn)生的圍巖位移占該斷面圍巖總位移的23.5%。

(3)由圖6～8可知：停工時(shí)段內(nèi)圍巖變形隨時(shí)間呈非線性增長(zhǎng)，停工初期圍巖變形速率較大，可達(dá)2.8 mm/d，之后圍巖變形速率逐漸減小，停工后期圍巖變形速率減小為0.95 mm/d。

(4)由圖6、8可知：白巖子隧道YK63+230斷面停工時(shí)間為36 d，停工時(shí)段內(nèi)圍巖位移最大值達(dá)49.5 mm；洼里別隧道ZK64+440斷面停工時(shí)間為108 d，停工時(shí)段內(nèi)圍巖位移最大值達(dá)80.4 mm。隨著停工時(shí)間的延長(zhǎng)，停工時(shí)段內(nèi)導(dǎo)致的圍巖位移最大值也隨之增大。

(5)對(duì)比隧道在不同施工階段停工情況下拱頂沉降時(shí)程曲線可知：停工發(fā)生在上臺(tái)階施工后，停工段產(chǎn)生的位移最大，最大達(dá)57.4 mm；停工發(fā)生在中臺(tái)階施工后，停工段產(chǎn)生的位移有所減小，最大達(dá)50.3 mm；停工發(fā)生在下臺(tái)階施工后，停工段產(chǎn)生的位移進(jìn)一步減小，最大達(dá)39.4 mm。

(6)在復(fù)工后，由于進(jìn)行隧道開挖支護(hù)等施工，對(duì)圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)，拱頂沉降及水平收斂速率進(jìn)一步增大，圍巖變形增大。

2.3 長(zhǎng)時(shí)間停工隧道圍巖變形特征分析

結(jié)合香麗高速公路炭質(zhì)板巖地層隧道典型停工段圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果以及現(xiàn)場(chǎng)施工情況，分析炭質(zhì)板巖地層隧道長(zhǎng)時(shí)間停工圍巖變形特征如下：

(1)停工階段，圍巖變形持續(xù)增加，且拱頂沉降及水平收斂均有較大增加。原因?yàn)橥９ず螅S著時(shí)間的推移，地下水逐漸侵蝕初期支護(hù)以及初支混凝土掉塊后鋼拱架裸露，使得鋼拱架逐漸銹蝕，圍巖浸水軟化，初期支護(hù)及圍巖強(qiáng)度降低，導(dǎo)致圍巖變形持續(xù)增大。

(2)在圍巖總位移中，停工時(shí)段內(nèi)所產(chǎn)生的圍巖位移占較大比例。因此，長(zhǎng)時(shí)間停工期間圍巖變形應(yīng)引起重視，并采取相應(yīng)的處治措施。

(3)停工時(shí)間越長(zhǎng)，停工期間的圍巖變形越大，且停工期間的圍巖變形隨時(shí)間呈現(xiàn)出非線性增長(zhǎng)。停工初期，圍巖變形速率較大，較長(zhǎng)時(shí)間停工后，圍巖變形速率逐漸減小。

(4)不同施工階段停工，停工后圍巖變形不同。上臺(tái)階施工后，停工期間圍巖變形較大；下臺(tái)階施工后，停工期間圍巖變形減小。原因?yàn)樯吓_(tái)階施工后，圍巖應(yīng)力調(diào)整，且初支因鎖腳錨桿施工質(zhì)量不佳、初支懸空等原因，使得圍巖變形較大，下臺(tái)階施工后，圍巖應(yīng)力已釋放較多，因此圍巖變形較小。

(5)復(fù)工后，進(jìn)行隧道開挖支護(hù)，導(dǎo)致圍巖變形迅速增加。原因?yàn)閺?fù)工后進(jìn)行開挖支護(hù)，對(duì)應(yīng)力調(diào)整已趨于穩(wěn)定的圍巖再次擾動(dòng)，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力再次調(diào)整，圍巖變形速率增大，變形進(jìn)一步加劇。

3 支護(hù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量評(píng)價(jià)及補(bǔ)強(qiáng)加固

3.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量評(píng)價(jià)

支護(hù)結(jié)構(gòu)表觀是支護(hù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的重要反映，可以直觀地反映出支護(hù)結(jié)構(gòu)存在的問題，通過隧道襯砌展開影像生成器軟件對(duì)香麗高速公路炭質(zhì)板巖隧道典型停工段支護(hù)結(jié)構(gòu)停工區(qū)域采集影像進(jìn)行特征點(diǎn)提取、圖像匹配、模型識(shí)別、圖像展開與拼接處理，獲得隧道停工段支護(hù)結(jié)構(gòu)全景展開圖像。

以洼里別隧道ZK64+422～ZK64+430段為例，該段停工時(shí)間為2018年1月31日，復(fù)工時(shí)間為2018年5月19日，共停工108 d。截至復(fù)工時(shí)，該段圍巖最大累計(jì)位移可達(dá)213 mm，停工時(shí)段內(nèi)所產(chǎn)生的位移最大達(dá)73.2 mm。圖11為停工79 d時(shí)初支展開圖。

圖11 洼里別隧道ZK64+422～ZK64+430段停工79 d支護(hù)結(jié)構(gòu)展開圖

從圖11中可以看出：拱頂及拱腰多處存在初支混凝土脫落、掉塊現(xiàn)象，且掉塊面積較大，初支表面不平整；左拱腰、拱頂、右拱腰處鋼拱架裸露、噴射混凝土未覆蓋鋼拱架；左邊墻鋼拱架連接處，鋼拱架壓彎扭曲變形；鋼拱架豎向明顯傾斜且傾斜度大于2°。

根據(jù)JTG F80/1—2017《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中相關(guān)規(guī)定，噴射混凝土支護(hù)應(yīng)與圍巖緊密黏結(jié)，噴射混凝土表面應(yīng)平整且應(yīng)無漏噴、鋼架外露；鋼拱架應(yīng)垂直于隧道中線，豎向不傾斜、平面不錯(cuò)位、不扭曲，鋼架傾斜度應(yīng)小于2°。洼里別隧道停工段(ZK64+422～ZK64+430)初支混凝土脫落、掉塊、表面不平整，鋼拱架裸露，鋼拱架傾斜且扭曲變形，不符合相關(guān)規(guī)定，初支質(zhì)量較差，應(yīng)采取相應(yīng)的處治措施。

3.2 停工期間支護(hù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量問題原因分析

(1)圍巖特性。炭質(zhì)板巖層間黏結(jié)力差，遇水易軟化、崩解。炭質(zhì)板巖地層在開挖后，圍巖應(yīng)力釋放，圍巖壓力逐步轉(zhuǎn)移到初期支護(hù)上，其原因?yàn)樘抠|(zhì)板巖層間黏結(jié)力差，圍巖松動(dòng)導(dǎo)致的。當(dāng)隧道停工時(shí)，初期支護(hù)未封閉成環(huán)抵抗圍巖壓力，初支支護(hù)處于不斷變形中，圍巖松動(dòng)范圍擴(kuò)大，加劇圍巖變形，導(dǎo)致初支鋼拱架壓彎扭曲。

(2)地下水影響。停工段常伴有地下水滲出，炭質(zhì)板巖遇水易軟化，加劇了圍巖變形，同時(shí)地下水對(duì)初支混凝土及鋼拱架的侵蝕，且鋼拱架多處裸露，未包裹在噴射混凝土中，鋼拱架銹蝕，降低了初期支護(hù)的強(qiáng)度，停工時(shí)間越長(zhǎng)，侵蝕程度越高，初期支護(hù)強(qiáng)度越低，停工期間引起的圍巖變形越大。

(3)施工原因。停工時(shí)，開挖段初期支護(hù)處于未封閉狀態(tài)，上臺(tái)階開挖施做初期支護(hù)后，未及時(shí)施做鎖腳錨桿，且多處初期支護(hù)因下一臺(tái)階開挖后未及時(shí)回填，導(dǎo)致初期支護(hù)鋼拱架懸空時(shí)間較長(zhǎng)，從而減弱了初期支護(hù)抵抗圍巖壓力的能力，加劇了圍巖變形，導(dǎo)致鋼拱架壓彎扭曲。

施工現(xiàn)場(chǎng)排水溝不通暢，施工廢水經(jīng)常匯集在下臺(tái)階較低洼處，停工期間隧底長(zhǎng)時(shí)間浸泡在水中，使得隧底圍巖軟化，導(dǎo)致圍巖變形加劇。

3.3 長(zhǎng)時(shí)間停工后支護(hù)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)措施

針對(duì)香麗高速公路典型炭質(zhì)板巖地層隧道在長(zhǎng)時(shí)間停工期間圍巖變形加劇、初支變形侵限、鋼架扭曲變形等問題，提出相應(yīng)的處治措施：

(1)及時(shí)施做初期支護(hù)。臺(tái)階開挖后，及時(shí)施做各臺(tái)階初期支護(hù)，避免停工階段，因中臺(tái)階開挖后，未及時(shí)施做初期支護(hù)，導(dǎo)致上臺(tái)階初期支護(hù)鋼拱架懸空時(shí)間較長(zhǎng)，不利于初期支護(hù)及圍巖穩(wěn)定。

(2)及時(shí)封閉初期支護(hù)。合理控制臺(tái)階長(zhǎng)度，及時(shí)將初期支護(hù)封閉成環(huán)。在圍巖變形較大且因各種原因需停工時(shí)，需及時(shí)施做仰拱初支，在臺(tái)階較長(zhǎng)時(shí)，需施做臨時(shí)仰拱或臨時(shí)橫撐將初期支護(hù)封閉成環(huán)。

(3)保證鎖腳錨桿質(zhì)量。加強(qiáng)鎖腳錨桿施工質(zhì)量控制。在鎖腳錨桿施工時(shí)，保證鎖腳錨桿打設(shè)角度、打設(shè)長(zhǎng)度，在鎖腳錨桿與鋼拱架連接時(shí)，保證鎖腳錨桿與鋼拱架的連接面積，使得鎖腳錨桿對(duì)鋼拱架起到約束作用，提高初期支護(hù)整體性能。

(4)減少超挖。架設(shè)鋼拱架及鋼筋網(wǎng)片時(shí)，使鋼筋網(wǎng)片盡量頂緊密貼掌子面，使得前伸鋼筋網(wǎng)片與后面的初期支護(hù)形成整體，保證掌子面的穩(wěn)定并減少超挖。對(duì)超挖部分，回填密實(shí)，并使圍巖與初期支護(hù)密貼，使得初期支護(hù)發(fā)揮作用，減少圍巖變形。

(5)做好排水措施。做好施工廢水、地下水排放措施，保證施工現(xiàn)場(chǎng)無積水，避免因積水導(dǎo)致基底浸水軟化，影響圍巖穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

以香麗高速公路炭質(zhì)板巖地層隧道為工程背景，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查了典型炭質(zhì)板巖隧道停工情況，并對(duì)停工段圍巖變形進(jìn)行了測(cè)試，分析了隧道長(zhǎng)時(shí)間停工圍巖變形特征，并通過隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)全景展開圖，評(píng)價(jià)了支護(hù)結(jié)構(gòu)表觀質(zhì)量，提出了相應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固措施，得出以下主要結(jié)論：

(1)通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及圍巖變形測(cè)試，炭質(zhì)板巖地層隧道在停工后，圍巖變形加劇。停工時(shí)間越長(zhǎng)，停工所導(dǎo)致的圍巖變形越大，且停工初期圍巖變形速率較大，停工達(dá)到一定時(shí)間后，圍巖變形速率逐漸減??；停工所導(dǎo)致的圍巖位移在圍巖總位移中占較大比例。

(2)通過對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)全景展開圖像分析，停工后初期支護(hù)易出現(xiàn)混凝土掉塊、鋼拱架連接處壓彎扭曲、拱頂處易發(fā)生鋼拱架壓彎等問題。

(3)在炭質(zhì)板巖地層隧道停工段，可采取及時(shí)施做初期支護(hù)并封閉成環(huán)、保證鎖腳錨桿施工質(zhì)量、減少超挖、回填密實(shí)、加強(qiáng)排水等措施對(duì)長(zhǎng)時(shí)間停工段支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。