侵入蝕變巖隧道大變形控制技術(shù)研究

彎曉林

(中鐵十九局集團(tuán)第二工程有限公司 遼寧遼陽(yáng) 111000)

1 引言

隨著我國(guó)交通路網(wǎng)的逐步完善，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)重心逐步向西南地區(qū)轉(zhuǎn)移[1]。該地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜、地質(zhì)活動(dòng)強(qiáng)烈，由此導(dǎo)致隧道工程施工會(huì)面臨洞周變形較大、掌子面失穩(wěn)等問題，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度、危害施工人員安全[2]。因此，隧道大變形與掌子面穩(wěn)定性控制問題成為西南地區(qū)隧道建設(shè)中亟需解決的關(guān)鍵問題[3]。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已對(duì)隧道大變形問題展開了深入研究，并取得了相關(guān)成果。朱永全[4]從隧道圍巖變形量角度，給出了大變形界定標(biāo)準(zhǔn)；何滿潮[5]根據(jù)軟巖變形機(jī)理對(duì)大變形問題進(jìn)行分類，分為彈性大變形與塑性大變形兩類；陳宗基[6]歸納了大變形產(chǎn)生的原因；趙旭峰[7]、田偉權(quán)[8]、李國(guó)良[9]、郭尚坤[10]等主要從隧道軟弱圍巖擠壓性大變形的力學(xué)特性出發(fā)，揭示了大變形力學(xué)機(jī)理和影響因素，提出了變形潛勢(shì)分級(jí)方法和擠壓性圍巖荷載計(jì)算公式，分別采取斷面曲率優(yōu)化、限阻器變形吸收圍巖構(gòu)造應(yīng)力、雙層支護(hù)結(jié)構(gòu)等方法控制圍巖大變形，在蘭渝鐵路等隧道工程中得到了很好的驗(yàn)證；潘飛等[11]對(duì)高地應(yīng)力地層隧道圍巖大變形采用了優(yōu)化開挖方法、調(diào)整預(yù)留變形量、多層復(fù)合初支等手段進(jìn)行綜合處理；張德華[12]對(duì)大梁隧道極高地應(yīng)力問題開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并提出了新型支護(hù)結(jié)構(gòu)。

從以上研究現(xiàn)狀分析可知，對(duì)隧道大變形控制技術(shù)多數(shù)是基于施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，且采取的工程措施適用性有限。本文以玉磨鐵路安定隧道為工程依托，對(duì)侵入蝕變巖隧道大變形控制措施展開研究，分析不同支護(hù)措施的控制效果；總結(jié)侵入蝕變巖隧道施工功效降低的原因，提出相應(yīng)解決方案，形成侵入蝕變巖隧道大變形控制技術(shù)，可為蝕變巖隧道大變形的控制提供技術(shù)支撐。

2 工程背景

安定隧道總長(zhǎng)度約17.476 km，處于滇西南地區(qū)哀牢山脈。受區(qū)域構(gòu)造影響，發(fā)育斷層20條、向斜2條。

隧道洞身主要通過3套地層:一是三疊系上統(tǒng)路馬組(T3lm)泥巖、砂巖夾頁(yè)巖、炭質(zhì)泥巖、灰?guī)r、煤線；路馬組(T3lm)灰?guī)r夾泥巖；一碗水組下段(T3ya)砂巖、泥巖夾砂礫巖，上統(tǒng)(T3)板巖、千枚巖、砂巖夾砂礫巖，中統(tǒng)(T2)板巖、變質(zhì)砂巖夾泥灰?guī)r、灰?guī)r、千枚巖，長(zhǎng)度約6.2 km。二是志留系中下統(tǒng)(S1-2)砂巖、泥巖、板巖、千枚巖夾灰?guī)r、頁(yè)巖、炭質(zhì)板巖，長(zhǎng)度約1.3 km，隧道出口為代表。三是燕山期侵入超基性巖等地層及斷層角礫(Fbr)，長(zhǎng)度約1.1 km。

3 施工中遇到的主要問題

3.1 有水地帶的侵入巖

4號(hào)斜井平導(dǎo)巖性為超基性巖(橄欖巖)和泥巖，橄欖巖為橄欖色，粗粒結(jié)構(gòu)，含黑色云母片，塊狀構(gòu)造，受構(gòu)造影響巖體破碎，呈碎塊、角礫狀，部分塊狀結(jié)構(gòu)；泥巖為灰綠色，呈土塊狀，粘性強(qiáng)、表面光滑，遇水極易軟化變形，主要分布于左側(cè)和右側(cè)拱部開挖輪廓線附近。圍巖整體強(qiáng)度低，軟弱，自穩(wěn)性差，呈角礫、碎石狀松散富水結(jié)構(gòu)，開挖易坍塌或大變形。掌子面有大股狀水流出，水量較大，如圖1所示。

圖1 PDK138＋373掌子面出水狀況

4號(hào)斜井小里程段揭示圍巖以侵入巖為主，系橄欖巖，灰綠色，粗粒狀結(jié)構(gòu)，強(qiáng)風(fēng)化，地處蝕變帶，巖質(zhì)較弱，強(qiáng)度低，節(jié)理裂隙很發(fā)育，結(jié)合程度差，巖體極破碎，呈角礫碎塊狀松散結(jié)構(gòu)，自穩(wěn)性極差。掌子面含較多裂隙水，呈散流狀，拱頂呈淋雨?duì)?。圍巖軟弱富水，施工期間溜塌現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，圍巖難自穩(wěn)，如圖2所示。加之地下水對(duì)圍巖的弱化作用，造成初支收斂變形嚴(yán)重，剛進(jìn)入侵入巖地段對(duì)圍巖認(rèn)識(shí)不清，采用常規(guī)支護(hù)措施，造成長(zhǎng)段落換拱現(xiàn)象。

圖2 掌子面破碎巖體溜塌及出水

3.2 無水地帶侵入巖

3號(hào)斜井大里程揭示地層巖性為蛇紋巖，灰綠～黑綠色，變晶結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)軟弱；節(jié)理裂隙極發(fā)育，結(jié)構(gòu)面雜亂無序，結(jié)合程度很差，巖體極破碎，呈角礫碎石狀松散結(jié)構(gòu)，遇水極易軟化，如圖3所示。

圖3 無水地段侵入巖

施工后發(fā)現(xiàn)初支收斂、沉降過大，后及時(shí)增加套拱加強(qiáng)支護(hù)，個(gè)別段落初支變形失效嚴(yán)重，出現(xiàn)鋼架扭曲、變形，造成長(zhǎng)段落初支換拱現(xiàn)象。工期、人力、物力、財(cái)力損失嚴(yán)重。

3.3 斷層破碎帶對(duì)施工的影響

3號(hào)斜井平導(dǎo)巖性為砂巖，掌子面施工至PDK136＋902里程后地下水極發(fā)育，處于有壓涌水狀態(tài)，初始揭示時(shí)水平鉆孔射出距離30 m左右。根據(jù)流量計(jì)顯示單平導(dǎo)掌子面出水量由1 000 m3/h逐步增加到1 800 m3/h，水質(zhì)混濁，含砂泥。推測(cè)已進(jìn)入到九甲－安定逆沖斷層，比原設(shè)計(jì)里程提前153 m，對(duì)施工進(jìn)度造成嚴(yán)重影響。

3.4 淺埋段志留系地層對(duì)隧道施工的影響

志留系地層以炭質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)泥巖為主，巖質(zhì)較軟弱，薄層狀為主，強(qiáng)風(fēng)化，揭示全部以炭質(zhì)泥巖為主，夾少量砂礫，屬軟質(zhì)巖，圍巖穩(wěn)定性差，難自穩(wěn)，如圖4所示。施工中出現(xiàn)長(zhǎng)段落初支收斂沉降過大造成侵限變形。

圖4 志留系地層

出口段施工43個(gè)月，施工 944 m，換拱166 m，自行增加套拱324 m，可想其施工難度之大。

4 施工控制措施

4.1 噴砼封閉掌子面

(1)現(xiàn)場(chǎng)掌子面穩(wěn)定控制措施

蛇紋巖地段和蝕變帶富水地段，采用噴砼(厚度5 cm，強(qiáng)度C20)進(jìn)行掌子面封閉，來延長(zhǎng)圍巖的自穩(wěn)時(shí)間，利用有限的穩(wěn)定時(shí)間，對(duì)初支進(jìn)行快速封閉，防止洞周初支發(fā)生大變形，加快施工進(jìn)度，保證安全，封閉掌子面后圍巖變形顯著減小。

(2)噴砼封閉掌子面控制措施效果分析

采用Flac3D有限差分軟件，對(duì)比分析不同噴砼厚度下隧道掌子面縱向變形曲線、上臺(tái)階及中臺(tái)階水平位移。三維計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 三維數(shù)值計(jì)算模型

模型橫向取90 m，豎直向上取至拱頂以上50 m，豎直向下取40 m，縱向取80 m。圍巖采用實(shí)體單元，噴砼層采用Shell單元。材料參數(shù)見表1。工況劃分見表2。

表1 圍巖與噴砼力學(xué)參數(shù)

表2 噴砼厚度工況劃分

不同噴砼厚度下，隨施工進(jìn)展隧道拱頂沉降曲線如圖6所示。由圖6可看出，掌子面噴砼可有效控制掌子面附近拱頂沉降，而對(duì)掌子面穩(wěn)定時(shí)拱頂沉降影響不大。由于施工時(shí)掌子面不穩(wěn)定，會(huì)使圍巖松弛范圍增大，因此掌子面噴砼封閉對(duì)減小拱頂下沉?xí)鸬揭欢ㄗ饔谩?/p>

圖6 不同噴砼厚度下隧道拱頂沉降曲線

不同噴砼厚度條件下上、中臺(tái)階水平位移曲線如圖7所示。

圖7 不同噴砼厚度下水平位移曲線

由圖7可知:掌子面噴砼厚度增加，上、中臺(tái)階水平位移均顯著減小，表明掌子面噴砼措施可有效控制洞周水平收斂；掌子面噴砼措施對(duì)上臺(tái)階水平位移的控制相對(duì)中臺(tái)階較為明顯；掌子面噴砼措施對(duì)控制洞周水平位移比拱頂沉降效果明顯。

4.2 大變形支護(hù)措施

(1)?76大鎖腳錨管穩(wěn)定拱腳措施

為了避免軟巖地段初支收斂過大，采取對(duì)鎖腳錨管加大加長(zhǎng)方式控制初支變形，將原設(shè)計(jì)4.5 m長(zhǎng)?42鎖腳錨管調(diào)整為6 m長(zhǎng)?76鎖腳錨管，并進(jìn)行注漿。初支的收斂、沉降變形得到了明顯的控制。

(2)?76大直徑鎖腳錨管穩(wěn)定拱腳控制措施效果分析

采用Flac3D有限差分軟件，對(duì)比分析了不同鎖腳錨管長(zhǎng)度下隧道圍巖拱頂沉降與拱腳水平位移。鎖腳錨管長(zhǎng)度見表3。圍巖采用實(shí)體單元，按V級(jí)圍巖材料參數(shù)取值，鎖腳錨管采用beam單元。鎖腳錨管與水平面夾角45°斜向下打設(shè)。

表3 鎖腳錨管長(zhǎng)度

不同鎖腳錨管長(zhǎng)度對(duì)隧道洞周變形影響規(guī)律如圖8所示。

圖8 隧道洞周變形與鎖腳錨管長(zhǎng)度關(guān)系曲線

由圖8可知:鎖腳錨管長(zhǎng)度增加拱頂沉降明顯減小，長(zhǎng)度為2.5 m時(shí)，拱頂沉降值為40.52 cm，長(zhǎng)度為5 m時(shí)，拱頂沉降值減小為26.32 cm，減小35.04%；鎖腳錨管長(zhǎng)度增加，洞周水平位移也明顯減小，長(zhǎng)度為2.5 m時(shí)，洞周水平位移值為35.62 cm，長(zhǎng)度為5 m時(shí)，洞周水平位移值減小為26.88 cm，減小24.62%；鎖腳錨管措施對(duì)拱頂沉降比水平位移的控制效果更為明顯。

(3)加大預(yù)留變形量

為了避免初支過大變形，造成侵限換拱，不僅要控制變形，還要加大預(yù)留變形量，延長(zhǎng)變形時(shí)間。在大變形地段預(yù)留變形量調(diào)整至最大70 cm，可避免大量換拱作業(yè)。

5 施工功效降低原因及解決方案

5.1 功效降低原因

(1)圍巖級(jí)別變化對(duì)施工進(jìn)度影響

關(guān)鍵段落圍巖級(jí)別統(tǒng)計(jì)及影響時(shí)間見表4。

表4 關(guān)鍵段落圍巖級(jí)別統(tǒng)計(jì)及影響時(shí)間

由表4可看出:圍巖級(jí)別的大幅度調(diào)整對(duì)施工進(jìn)度造成了嚴(yán)重影響。施工過程中揭露圍巖級(jí)別與設(shè)計(jì)圍巖級(jí)別差別較大，多是圍巖級(jí)別升高，穩(wěn)定性降低，造成工期滯后。

(2)不良地質(zhì)的頻繁出現(xiàn)對(duì)施工進(jìn)度影響

發(fā)育斷層20條、向斜2條，期間侵入巖出露頻繁，圍巖富水，斷層、向斜部位施工十分困難，個(gè)別斷層處理需要大量時(shí)間。侵入蝕變巖地帶溜塌現(xiàn)象明顯，初支變形大，屬大變形地段，造成了大量的砼超耗。

5.2 隧道施工功效提升措施

(1)增設(shè)斜井輔助施工通道

由于圍巖等級(jí)變化較大，造成實(shí)際進(jìn)度指標(biāo)低于原設(shè)計(jì)指標(biāo)。為了滿足玉磨鐵路工期要求，動(dòng)態(tài)調(diào)整施工組織，通過增設(shè)平導(dǎo)進(jìn)行分水降壓、探明地質(zhì)、增加工作面來解決工期問題，在施工過程中4號(hào)斜井增設(shè)1 780 m平導(dǎo)，3號(hào)斜井正洞增設(shè)迂回平導(dǎo)800 m。

(2)變更鋼拱架支護(hù)方案

施工時(shí)拱頂?shù)魤K、初支變形時(shí)有發(fā)生，四肢格柵鋼架早期強(qiáng)度低，拱頂?shù)魤K對(duì)格柵鋼架變形影響較大，處理時(shí)間長(zhǎng)，格柵鋼架加工工藝較型鋼鋼架復(fù)雜，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，經(jīng)實(shí)踐證明Ⅳ級(jí)圍巖段采用 18型鋼鋼架代替四肢格柵鋼架可加快施工進(jìn)度。

6 結(jié)論

以安定隧道為工程背景，研究了侵入蝕變巖隧道大變形控制措施及其效果，并分析隧道施工功效降低原因，提出了相應(yīng)解決方案。

(1)侵入蝕變巖段采用掌子面噴砼、?76鎖腳錨管、加大預(yù)留變形量3種措施對(duì)隧道大變形進(jìn)行了有效控制，避免了大量初支拆換。

(2)掌子面噴砼封閉可減小拱頂沉降和水平位移，對(duì)洞周水平位移的控制效果更為顯著；鎖腳錨管可降低隧道拱頂沉降與水平位移，且對(duì)拱頂沉降的控制效果更顯著。

(3)圍巖級(jí)別變化與不良地質(zhì)頻繁出現(xiàn)是導(dǎo)致侵入蝕變巖隧道施工功效降低的主要原因，增設(shè)斜井輔助施工通道和采用型鋼鋼架兩種措施使施工功效顯著提升。