軟弱膨脹性泥巖隧道變形控制技術(shù)研究

范 軍 勝

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司 國(guó)際工程公司, 四川 成都 610213)

1 概 述

在軟弱圍巖隧道開挖過程中常伴有隧道變形發(fā)生。根據(jù)變形發(fā)生部位的不同可分為地表變形和洞內(nèi)變形，其中地表變形又可分為地表沉降和地表滑移；而洞內(nèi)變形則根據(jù)其部位的不同又可分為拱頂沉降、拱腳變形和基底變形。以熱帶雨林地區(qū)修建的某軟弱膨脹性泥巖隧道為例，其兩條隧道共有1 694 m處于Ⅴ級(jí)圍巖中，隧道開挖斷面面積為152.45～165.55 m2。該隧道的開挖采用挖機(jī)配合銑挖頭進(jìn)行開挖。

由于隧道在開挖過程中會(huì)遇到滲流和震動(dòng)，加之自身應(yīng)力重新分配會(huì)導(dǎo)致隧道的各個(gè)部位產(chǎn)生位移或變形。變形不僅會(huì)影響到隧道的穩(wěn)定、導(dǎo)致施工風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)生，還會(huì)引起侵限問題，導(dǎo)致后續(xù)的襯砌施工要重新?lián)Q拱，不僅影響工期，而且會(huì)給工程增加很大的成本。如果能夠確定隧道變形的機(jī)理、范圍和取值并在施工中進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化，及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，將在加快隧道施工進(jìn)度和降低安全風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)于隧道的變形機(jī)理，很多人都進(jìn)行了研究。任博[1]等結(jié)合已有工程案例的數(shù)據(jù)，分析并得出整體沉降與支護(hù)閉合前的撓曲變形是隧道大變形主要來源的結(jié)論。郭波前[2]利用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反饋結(jié)果等綜合方法，綜合分析了高地應(yīng)力區(qū)隧道的圍巖變形特征及機(jī)制，得出了圍巖變形分區(qū)的結(jié)論。李春清等[3]在對(duì)比總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，提出了大斷面黃土圍巖縱向位移的變化曲線(Loess曲線)，并推出了黃土隧道圍巖的預(yù)留沉降量計(jì)算公式。陳智等[4]提出了基于隧道參數(shù)反演的隧道預(yù)留沉降量動(dòng)態(tài)調(diào)整方法。楊建民等[5]通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，分析出鄭西高鐵賀家莊隧道的拱腳壓力過大是導(dǎo)致其初期支護(hù)沉降過大的主因。王鵬[6]經(jīng)過對(duì)開挖過程中各工序過程變形量的研究，提出了圍巖總變形量的理論公式。

但是，以上隧道變形機(jī)理的分析多數(shù)為定性分析，而且分析預(yù)留變形量的較多，很多參數(shù)還只是依賴現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)或測(cè)量數(shù)據(jù)，而且在國(guó)內(nèi)的工程施工實(shí)踐中沒有熱帶雨林的膨脹性軟弱泥巖隧道開挖案例。闡述了以印度尼西亞雅萬高鐵2號(hào)和4號(hào)隧道Ⅴ級(jí)圍巖開挖實(shí)踐過程為依托，結(jié)合開挖過程中的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)軟弱膨脹性泥巖隧道進(jìn)行的變形分析，及時(shí)掌握隧道變形信息并依據(jù)理論計(jì)算和測(cè)量結(jié)果對(duì)各種圍巖狀況下隧道的預(yù)留變形量進(jìn)行了動(dòng)態(tài)調(diào)整，確保了隧道施工安全，實(shí)現(xiàn)了初期支護(hù)面最小預(yù)留變形量及技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的目標(biāo)。

2 隧道變形原因分析

2.1 隧洞施工情況

(1)2號(hào)隧道。2 號(hào)隧道總長(zhǎng)1 030 m，全段圍巖為Ⅴ級(jí)，表覆第四系更新統(tǒng)火山堆積層(Qos)黏土，下伏第三系中新統(tǒng) subang 組(Msc)泥巖，黏土具有弱膨脹性，泥巖具有中等膨脹性，自由膨脹率為68%～80%，洞身范圍為全風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化泥巖。隧道洞身存在基巖裂隙水，滲透系數(shù)為0.02 m/d，預(yù)測(cè)最大涌水量為905 m3/d，正常涌水量為382 m3/d。襯砌類型為 Vs-p-1和Vr-p復(fù)合式襯砌；超前支護(hù)采用φ89 mm 中管棚和φ42 mm超前小導(dǎo)管,施工采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法或CRD法。2號(hào)隧道圍巖分段統(tǒng)計(jì)情況見表1。

表1 2號(hào)隧道圍巖分段統(tǒng)計(jì)表

(2)4號(hào)隧道。4號(hào)隧道總長(zhǎng)1 315 m，其中Ⅴ級(jí)圍巖長(zhǎng)度為664 m，分布的地層從新至老包括第四系坡積層(Qdl)黏土、第四系更新統(tǒng)火山堆積層(Qos)黏性土、碎石類土及泥巖(半成巖)；新生界安山巖(ha)；第三系中新統(tǒng)Jatiluhur組(Mdm)泥巖、火山角礫巖。 其中黏性土具中等膨脹性，自由膨脹率為42%～61%。水文地質(zhì)條件為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水，滲透系數(shù)為0.1 m/d，最大涌水量為859 m3/d，正常涌水量為328 m3/d。該段復(fù)合式支護(hù)類型為Vs-p-1，超前支護(hù)措施為φ108 mm超前大管棚+超前小導(dǎo)管。Ⅴ級(jí)圍巖施工工法為三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法或CRD法， 4號(hào)隧道Ⅴ級(jí)圍巖分段統(tǒng)計(jì)情況見表2。

表2 4號(hào)隧道Ⅴ級(jí)圍巖分段統(tǒng)計(jì)表

2.2 沉降因素分析

眾所周知，在諸多文獻(xiàn)中已經(jīng)闡述過隧道施工期發(fā)生沉降的原因。對(duì)于一般隧道而言，主要是施工期間的擾動(dòng)致使圍巖內(nèi)部的應(yīng)力重新分配引起的變形，該變形由兩部分組成，分別是整體的向下沉降和結(jié)構(gòu)的撓曲變形。但對(duì)于膨脹性泥巖而言，還應(yīng)該包括泥巖軟化產(chǎn)生的膨脹變形，同時(shí)，施工期間的爆破擾動(dòng)導(dǎo)致的沉降量也需要考慮在內(nèi)。以下對(duì)導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生變形的原因進(jìn)行了分析。

2.3 初期支護(hù)施工時(shí)間

從隧道開始開挖到初期支護(hù)完成需要經(jīng)歷開挖、出渣、排險(xiǎn)、初噴、立架、掛網(wǎng)、打鎖腳、打超前小導(dǎo)管(上臺(tái)階)、注漿、噴漿等工作。在開挖與初期支護(hù)過程中因工序多、各施工班組交替作業(yè)、工序的銜接不暢和工序時(shí)間超標(biāo)都會(huì)使初期支護(hù)時(shí)間增加。在沒有完成初期支護(hù)的情況下圍巖會(huì)持續(xù)風(fēng)化、膨脹和軟化，而持續(xù)不斷的變形會(huì)導(dǎo)致初期變形增大，從而增加隧道的總變形量。

2.4 單循環(huán)進(jìn)尺長(zhǎng)度

單次進(jìn)尺的長(zhǎng)度一方面會(huì)影響各個(gè)工序完成該進(jìn)尺的時(shí)間，另一方面也決定了該進(jìn)尺施工過程中暴露在初期支護(hù)狀態(tài)下的面積。對(duì)于同樣的施工工法、同樣的施工班組，在不考慮單榀拱施作時(shí)工效差異的情況下，與每次進(jìn)尺長(zhǎng)度相比較，其進(jìn)尺長(zhǎng)度越長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致所有工序的時(shí)間變長(zhǎng)，也會(huì)成倍增加圍巖的暴露面積和時(shí)間。因此，進(jìn)尺的長(zhǎng)度將通過以上兩個(gè)因素直接影響隧道開挖的初期沉降量。

2.5 膨脹泥巖滲水產(chǎn)生的變形

為充分說明膨脹泥巖遇水膨脹對(duì)隧道變形的影響，選取了2號(hào)隧道和4號(hào)隧道進(jìn)行說明，具體情況如下。

(1)2號(hào)隧道的膨脹變形。施工過程中，2號(hào)隧道DK74+817～DK74+789里程發(fā)生了較大沉降并全部侵限。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘發(fā)現(xiàn)，發(fā)生較大沉降部位附近的掌子面揭示圍巖上臺(tái)階為全風(fēng)化泥巖，呈土夾碎石狀，中下部為強(qiáng)風(fēng)化泥巖，少量滲水，拱頂全風(fēng)化層穩(wěn)定性較差，圍巖分級(jí)仍為Ⅴ級(jí)較差類型。掌子面覆土厚度約為23 m，附近地表距隧道中線右側(cè)17～30 m 范圍內(nèi)幾處磚房出現(xiàn)較大的開裂，地表出現(xiàn)寬度為5 ～15 cm的貫通裂縫。

隧址區(qū)范圍內(nèi)雨季部分沖溝內(nèi)有季節(jié)性流水?，F(xiàn)場(chǎng)施工記錄了2號(hào)隧道各施工里程的含水量及沉降量，2號(hào)隧道已施工里程含水量及沉降量對(duì)照情況見表3。

表3 2號(hào)隧道已施工里程含水量及沉降量對(duì)照表

(2)4號(hào)隧道的膨脹變形。在4號(hào)隧道施工過程中，DK77+000～DK76+945發(fā)生了較大的沉降變形并發(fā)生了侵限。在隧道掌子面前方約25 m(里程約DK77+020)地表處發(fā)現(xiàn)垂直線路方向、長(zhǎng)度約為20 ～25 m、寬度約為10～30 cm的裂縫。在DK76+996斷面進(jìn)行中管棚施工時(shí)管棚成孔向外股狀涌水明顯。暴雨過后，洞內(nèi)初期支護(hù)漏水嚴(yán)重，單日最高沉降量達(dá)62.2 mm，位于DK76+988與DK76+991斷面的初期支護(hù)出現(xiàn)開裂，監(jiān)控量測(cè)顯示兩天內(nèi)K76+990處拱頂沉降達(dá)203 mm，裂縫寬度達(dá)5 cm；DK76+985.8～DK76+996左側(cè)拱肩部位初期支護(hù)明顯向內(nèi)擠壓變形并已侵限，最大侵限量為39.8 mm。

現(xiàn)場(chǎng)施工記錄了4號(hào)隧道各施工里程的含水量及觀測(cè)到的拱頂沉降量。 4號(hào)隧道已施工里程含水量及沉降量對(duì)照情況見表4。

表4 4號(hào)隧道已施工里程含水量及沉降量對(duì)照表

結(jié)合2號(hào)隧道和4號(hào)隧道的涌水情況與對(duì)應(yīng)的拱頂最大平均沉降值可以看出：水量較大時(shí)其相應(yīng)的拱頂平均沉降值明顯偏大，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。對(duì)于膨脹性泥巖隧道而言，遇水膨脹變形導(dǎo)致的沉降明顯。由此可知，軟弱膨脹性泥巖隧道的遇水膨脹變形也是引發(fā)隧道變形的一個(gè)關(guān)鍵性因素。

3 沉降量的確定

3.1 沉降量的表達(dá)式

隧道Ⅴ級(jí)圍巖的開挖采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法,根據(jù)對(duì)文獻(xiàn)[6]進(jìn)行的研究，施工期隧道圍巖的總變形量u可表示為：

u=u1+u2+u3+u4+u5

(1)

式中u1為掌子面未開挖時(shí)的超前變形；u2為掌子面開挖后至第一次觀測(cè)這段時(shí)間的變形；u3為上臺(tái)階開挖引起的變形；u4為中臺(tái)階開挖引起的變形；u5為下臺(tái)階開挖引起的變形。

同時(shí)，考慮到軟弱膨脹性泥巖隧道在開挖遇水之后要發(fā)生膨脹變形，因此，適用于軟弱膨脹性泥巖的隧道的總變形量可以表示為：

u=u2+u3+u4+u5+u6

(2)

式中u6為隧道泥巖膨脹引起的變形。

3.2 沉降量數(shù)值

目前，對(duì)隧道沉降量數(shù)值的確定主要有四種方法，分別是數(shù)值模擬、公式計(jì)算、工程類比和測(cè)量觀測(cè)。

數(shù)值模擬的方法見于諸多文獻(xiàn)[4]，[7～9]，主要是利用ANSYS等有限元軟件的CFD模塊進(jìn)行模擬求解。

李春清等人對(duì)大斷面黃土隧道縱向位移進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)圍巖縱向位移占總位移的比例在隧道半徑一半范圍內(nèi)呈線性分布關(guān)系，其線性方程為：

y=ax+b

(3)

式中x為圍巖已知沉降距離開挖掌子面的距離與隧道開挖半徑的比值;y為圍巖縱向位移占總位移(Ur)的比例(%)；a為線性系數(shù)；b為初始位移比，兩者均可通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)反推得到。

工程類比是根據(jù)以往類似工程的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行類比套用。但由于熱帶雨林的膨脹性泥巖隧道難以在國(guó)內(nèi)尋找到對(duì)應(yīng)的類似工程，因此，該方法不適用。但是，可以根據(jù)已有施工段的變形情況，按照臨近施工部位的上中下臺(tái)階的分配系數(shù)反算隧道的最終沉降量。

測(cè)量觀測(cè)是在初期支護(hù)面上埋設(shè)觀測(cè)標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，通過觀測(cè)各個(gè)斷面的數(shù)據(jù)可以獲得相應(yīng)的信息，從而根據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行預(yù)警和調(diào)整施工參數(shù)的方法。不同文獻(xiàn)中上中下臺(tái)階初期支護(hù)沉降量占總沉降量的比值見表5。

表5 不同文獻(xiàn)中上中下臺(tái)階初期支護(hù)沉降量占總沉降量的比值表

4 工程應(yīng)用

為了檢驗(yàn)以上方法在雅萬高鐵隧道施工中的適應(yīng)性，項(xiàng)目部選取了2號(hào)隧道DK74+020～DK74+050和4號(hào)隧道DK77+963～DK77+993兩段作為試驗(yàn)段進(jìn)行了相關(guān)的觀測(cè)和分析試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：試驗(yàn)段施工時(shí)采用設(shè)計(jì)的預(yù)留沉降量能夠滿足要求，并根據(jù)觀測(cè)結(jié)果反算出上臺(tái)階、中臺(tái)階、下臺(tái)階和隧底開挖初期支護(hù)過程中沉降值占總沉降的比例，并且換算出式(3)中的a、b值。最終通過試驗(yàn)獲得了各項(xiàng)參數(shù)值，采用各種方法得到的沉降值及參數(shù)匯總情況見表6。

表6 采用各種方法得到的沉降值及參數(shù)匯總表

5 變形控制方法

5.1 變形量預(yù)測(cè)流程

采用上述方法進(jìn)行預(yù)留沉降量預(yù)測(cè)后，通過監(jiān)控量測(cè)法及時(shí)對(duì)沉降部位進(jìn)行核對(duì)，對(duì)于與預(yù)測(cè)情況不符的情況及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

5.2 變形量預(yù)測(cè)的實(shí)施

5.2.1 布置觀測(cè)點(diǎn)

對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖，大部分使用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工?，F(xiàn)場(chǎng)根據(jù)施工工序的調(diào)整，少部分部位使用CRD法施工。三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法開挖測(cè)線布置情況見圖1，CRD法開挖測(cè)線布置情況見圖2。

圖1 三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法開挖測(cè)線布置示意圖

圖2 CRD法開挖測(cè)線布置示意圖

隧道內(nèi)所有量測(cè)點(diǎn)均采用全站儀配合反光片進(jìn)行觀測(cè)。所有量測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)均嚴(yán)格按照《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》(Q/CR 9218-2015)中的要求觀測(cè)。在Ⅴ級(jí)圍巖中，量測(cè)點(diǎn)的布置為每5 m布設(shè)一個(gè)斷面，出現(xiàn)沉降突變時(shí)加密觀測(cè)頻次。

5.2.2 預(yù)測(cè)采用的變形量及數(shù)據(jù)處理方法

在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，應(yīng)對(duì)量測(cè)到的數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行整理、核對(duì)并繪制量測(cè)數(shù)據(jù)與時(shí)間的關(guān)系曲線，同時(shí)繪制與開挖面距離的關(guān)系曲線，再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理回歸分析。

(1)依據(jù)回歸分析，預(yù)測(cè)位移、收斂、拱頂下沉并確定其最終值；

(2)以位移和時(shí)間曲線為基礎(chǔ)，根據(jù)位移、速率分析圍巖的支護(hù)穩(wěn)定性。

5.2.3 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

在隧道開挖過程中，如果隧道的實(shí)測(cè)最大位移超過極限位移，隧道很可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞。為確保隧道施工安全，在量測(cè)數(shù)據(jù)采集后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理與分析，嚴(yán)格按照隧道監(jiān)控量測(cè)位移控制基準(zhǔn)等級(jí)進(jìn)行判斷并采取相應(yīng)的工程對(duì)策。隧道初期支護(hù)極限相對(duì)位移參照表見表7。

表7 隧道初期支護(hù)極限相對(duì)位移參照表

根據(jù)位移控制基準(zhǔn)，位移管理等級(jí)可以分為三個(gè)等級(jí)，位移管理等級(jí)及相應(yīng)應(yīng)對(duì)措施見表8。

表8 位移管理等級(jí)及相應(yīng)應(yīng)對(duì)措施表

6 工程應(yīng)用效果分析

在采用上述基于各種變形量預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)調(diào)整方法后，該工程在雨季施工時(shí)水量大的情況下仍安全地度過了2號(hào)隧道DK74+200～DK74+220段和4號(hào)隧道DK77+963～DK77+993段。

7 結(jié) 語

基于變位控制原理，根據(jù)數(shù)值模擬、工程類比、公式計(jì)算和實(shí)際的觀測(cè)結(jié)果對(duì)已開挖部位的預(yù)留沉降量進(jìn)行了系統(tǒng)研究，對(duì)幾種方法的適應(yīng)性進(jìn)行了對(duì)比分析，提出了針對(duì)不同圍巖類型和滲水狀況下預(yù)留變形量的控制方法，并以此作為控制隧道預(yù)留沉降量的預(yù)測(cè)依據(jù)構(gòu)建了隧道開挖預(yù)留沉降量的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)體系，取得的主要結(jié)論為：

(1)在其他條件相同的情況下，隧道開挖至初期支護(hù)完成的時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)隧道的初期變形具有很大的影響；

(2)對(duì)于軟弱膨脹性泥巖隧道，隧道的滲水量和泥巖的膨脹特性直接決定隧道的膨脹變形量；

(3)對(duì)于同一條隧道而言，不同的預(yù)留變形量控制方法適應(yīng)性不同，不能一概而論地進(jìn)行照搬預(yù)測(cè)，一定要根據(jù)所施工隧道的工程地質(zhì)特性對(duì)有效的預(yù)測(cè)方法進(jìn)行識(shí)別，動(dòng)態(tài)的選擇預(yù)測(cè)預(yù)留沉降量方法的組合以提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

同時(shí)，各種方法預(yù)測(cè)的變形量可能會(huì)有所差異，但其所反映的基本原理和趨勢(shì)仍具有一定的指導(dǎo)意義，在施工過程中可以借鑒相應(yīng)的規(guī)律作為變形量宏觀調(diào)整的依據(jù)。