大斷面炭質板巖隧道進洞施工技術研究

王林俊

(中鐵十七局集團第二工程有限公司 陜西西安 710038)

1 前言

為了滿足我國交通運輸量增長的需要，改善人們的出行條件，我國鐵路不斷向西南山嶺地區(qū)發(fā)展，需要修建大量的橋梁隧道。在隧道施工中面臨著諸如大變形、涌水、偏壓、高地應力等各種地質問題[1]，特別是軟巖隧道，圍巖變形大，支護困難，出現(xiàn)初支變形侵限、溜塌、二襯開裂等危害。本文所述白石頭隧道出口為淺埋地段，圍巖分布以炭質板巖為主，地表水系發(fā)育，施工過程中極易發(fā)生上述問題。目前，解決圍巖大變形的傳統(tǒng)方法主要有增大預留量、加大支護強度和改變開挖方法三類，而采用預應力樹脂錨桿可以允許圍巖釋放一定的壓力，同時采用掌子面預加固系統(tǒng)，從而有效控制圍巖變形[2]，確保淺埋出口段的施工安全。

2 工程概況

大臨鐵路位于云南省西南部地區(qū)，線路全長202.1 km，白石頭隧道位于云縣站～頭道水站區(qū)間，全長9 375 m，最大埋深約310 m，最小埋深約8 m。隧道出口處巖體極破碎，掌子面揭示主要為片巖夾炭質片巖、綠泥石片巖、線路右側存在炭質板巖等軟巖，中層狀為主，局部為薄層狀，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖性極為復雜，局部地下水較發(fā)育，巖體遇水軟化，導致巖體強度降低，易出現(xiàn)圍巖大變形。

3 現(xiàn)場施工狀況及特征

白石頭隧道出口在套拱施作完成后，明暗分界里程為DK167＋038.8，按照設計圖紙人工配合機械開挖，揭示掌子面巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，呈碎塊狀，有少量基巖裂隙水滲出。在掌子面進尺10.5 m，中臺階左側進尺2 m，中臺階右側未開挖情況下，導向墻右側突然出現(xiàn)了明顯下沉，經(jīng)測量下沉10.7 cm。在隧道開挖至炭質板巖段初期，由于缺少對炭質板巖的了解，導致隧道初支變形量過大，出現(xiàn)支護侵限現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場分析，利用三臺階法開挖時，初期支護破環(huán)呈現(xiàn)出兩階段，首先是中臺階開挖后、下臺階開挖前的破環(huán)，主要表現(xiàn)為拱腳位置的噴射混凝土沿縱向出現(xiàn)掉塊、開裂現(xiàn)象；其次是下臺階開挖后，邊墻、拱頂位置的噴射混凝土出現(xiàn)的破壞現(xiàn)象，同時伴隨著巖體破壞程度加大，出現(xiàn)型鋼拱架彎曲、破壞現(xiàn)象，隧道變形情況如圖1所示。

圖1 支護侵限

經(jīng)研究分析白石頭隧道出口炭質板巖變形具有以下特征:(1)變形量大；(2)變形速率快；(3)持續(xù)時間長；(4)施工擾動顯著；(5)圍巖應力分布不均勻，初期支護變形具有不對稱性，圍巖的變形特征以水平方向的收斂為主，且右側收斂大于左側；(6)破壞形式多樣，在施工過程中白石頭隧道出口在施工期內(nèi)發(fā)生了多次大變形災害，如初支錯動破壞、開裂及掉塊、初支侵限、拱架扭曲等。

4 隧道出口大變形控制措施

4.1 加固導向墻

白石頭隧道出口導向墻由于洞頂覆蓋層為粉質黏土，云南地區(qū)雨水較多，仰坡地表局部出現(xiàn)裂縫，雨水進入土層，造成覆蓋層飽水，全風化炭質片巖地基承載力降低，導致大管棚承擔荷載增大，傳遞至導向墻基底壓力增大，引起導向墻基礎下沉，連帶初期支護下沉量增大，從而引起初期支護變形，施工中采用4根預加固樁對導向墻基礎及水平位移進行加強，導向墻左右拱腳處增加4根φ89鋼管，每根長度9 m，并注水泥漿，鋼管和拱架進行焊接，同時將地表裂縫用黏土回填，然后施作50 cm寬、10 cm厚的砂漿帶覆蓋，防止水侵入，造成圍巖遇水軟化，強度降低，導致大管棚承擔荷載增大。

4.2 地表注漿加固

滇西地區(qū)雨水豐沛，出口地段由于埋深較淺，開挖導致地表出現(xiàn)裂縫，雨水滲入地下并沿陡傾節(jié)理面下滲，導致圍巖承載力及穩(wěn)定性降低，在軟弱帶處變形增大。為降低雨水對地表圍巖及開挖后圍巖松動圈的浸泡及擾動[3]，在隧道頂部開挖線以下1 m至以上5 m范圍進行圍巖注漿固結，加固區(qū)域如圖2所示，加固長度根據(jù)現(xiàn)場地表裂縫范圍而定，加固寬度為24.69 m。加固區(qū)按孔間距1.5 m×1.5 m梅花形布置。注漿采用雙液漿，為保證注漿效果，加固區(qū)必須采用雙液漿對冒漿點進行封堵，具體加入時間和量要根據(jù)注漿過程中冒漿情況而定。

圖2 加固橫斷面示意

鉆孔深度均為進入基巖1 m，加固區(qū)注漿范圍為從拱頂開挖線上5 m至孔底，拱頂開挖線5 m以上至地表注漿管設止?jié){段(注漿管不打孔)。拱頂注漿孔打至距拱頂開挖輪廓線50 cm；開挖輪廓線兩側兩排注漿管鉆孔離開開挖輪廓線50 cm；隧底加固注漿在開挖仰拱前進行，在洞內(nèi)施作。

4.3 優(yōu)化開挖工法

隧道出口段掌子面掘進過程中，采用三臺階加臨時仰拱法開挖，采用 22b工字鋼，間距0.6 m。在掘進10 m后，初支完成段累計最大變形量173 cm，最大變形速率為11 cm/d，C25噴射混凝土開裂失效，22b型鋼、φ300螺旋管豎撐變形扭曲。在圍巖承受擾動能力小的大斷面車站段，上臺階的開挖對圍巖擾動范圍和程度增大，導致拱頂圍巖產(chǎn)生松弛，對初支作用力增大[4]。采用三臺階加臨時仰拱法沒能有效控制局部收斂和拱頂下沉的系統(tǒng)支護，簡單的豎向支撐，不能與臨時仰拱和支護型鋼形成一個整體的受力系統(tǒng)，從而不能有效控制變形。為了能有效控制變形，采用如圖3所示的滇西地區(qū)軟巖大斷面隧道CRD施工工法施工，臨時仰拱和臨時中隔壁將車站大斷面分割成4個封閉成環(huán)的小空間，達到了少擾動、早封閉、早成環(huán)的目的，有效控制了大變形。

4.4 優(yōu)化設計參數(shù)

根據(jù)白石頭隧道出口變形特征及數(shù)據(jù)分析結果，從4個方面對原支護設計方案進行了優(yōu)化。

(1)施作徑向預應力樹脂錨桿

采用預應力樹脂錨桿加強支護可以有效控制隧道拱頂沉降和水平收斂[5]，錨桿的控制效果隨著錨桿長度的增加而增加。在白石頭隧道出口大變形段，雖然9 m錨桿控制變形優(yōu)于6 m錨桿，但是由于隧道施作受CRD工法限制，隧道空間有限，因此選擇6 m錨桿進行現(xiàn)場施作。

由于白石頭隧道出口大變形具有不對稱性，圍巖變形以水平收斂為主，且右側變形遠大于左側，因此，在施工過程中采用R25L中空自鉆式錨桿，錨桿長度6 m，公稱直徑φ25，極限抗拉力為180 kN(設計要求錨固力達到151 kN)。錨固劑類型為超快速CKb，采用端頭錨固，錨固長度1.5 m。預應力樹脂錨桿非對稱布置[6]，對圍巖薄弱部位進行加強，以拱頂為分界線，右側錨桿環(huán)向間距1 m，左側環(huán)向間距為2 m，采用長短預應力樹脂錨桿組合形成群錨效應，通過預應力樹脂錨桿的應用，隧道圍巖周邊收斂和拱頂下沉均呈現(xiàn)出明顯的下降，其中，在施作預應力樹脂錨桿段，拱頂最大沉降量較無錨桿段下降10.2%，拱腳最大水平收斂值較無錨桿段下降16.4%。

(2)差異預留拱架變形量

由于出口段的變形具有變形速率快、變形量大、變形不對稱性等特點[7]，通常設置預留變形量為一個統(tǒng)一數(shù)值，勢必造成上、中、下臺階拱架連接不平順，出現(xiàn)開口現(xiàn)象，對拱架受力將極大的減弱，最終造成變形侵限。在現(xiàn)場施工過程中，采用漸變預留變形量的方式，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，動態(tài)調整預留變形量，加工異性型鋼拱架。

(3)優(yōu)化鋼拱架結構

炭質板巖隧道在巖體開挖后，圍巖向臨空面發(fā)生較大的變形[8]，但噴射混凝土在施作初期支護能力有限，不能有效抵抗圍巖變形，為防止炭質板巖進一步發(fā)生變形，需采用在短時間內(nèi)提供較大支護抗力的支護措施，而型鋼拱架恰能滿足這一要求。通過對不同類型的型鋼拱架變形進行監(jiān)測，優(yōu)化型鋼斷面結構，詳見表1。

表1 不同型鋼變形情況統(tǒng)計

由以上分析說明圍巖最終變形量隨著拱架強度的提高而減低，且拱架強度提高到一定量值后對圍巖變形控制效果將降低，在解決軟巖大變形問題中，單純地提高初期支護強度，并不能有效解決圍巖變形問題[9]，應充分研判圍巖特性，從圍巖自身穩(wěn)定性出發(fā)，以提高圍巖的自穩(wěn)能力為出發(fā)點，才是解決問題的關鍵。

因此，綜合圍巖變形分析可知，就控制圍巖變形來說，炭質板巖隧道的最優(yōu)型鋼拱架型號為 25b。同時如圖4、圖5所示，對剛拱架結構及連接方式進行優(yōu)化，一是優(yōu)化斷面輪廓，將輪廓優(yōu)化為近圓形，改善受力結構；二是將連接板面積較原設計增加40%，同時將螺栓數(shù)量由4顆增加至6顆；三是將設計接頭的加勁角鋼改為加勁鋼板；四是設置縱向連接器，將原有的縱向連接方式優(yōu)化成型鋼連接，采用 18工字鋼作為縱向連接器進行縱向連接，減少初期支護結構整環(huán)相對錯動及邊墻位置鋼架扭曲變形，提高初期支護結構的穩(wěn)定性。

圖4 初支鋼架接頭優(yōu)化

圖5 設置縱向連接器

(4)掌子面預加固技術

受地質巖性、地質構造及施工干擾等因素的影響，白石頭隧道出口段在圍巖沉降及收斂變形顯著段落，采取了上述施工措施，并對支護變形起到了較好的抑制作用，但在隧道圍巖變形嚴重段落，雖然采取了上述措施，但依然難以抑制初期支護大變形、侵限等情況的發(fā)生。為有效控制圍巖變形，借鑒新意法施工理念[10]，對方案進行了優(yōu)化。

針對白石頭出口炭質板巖大變形變形嚴重段落的實際情況，采取了掌子面玻璃纖維錨桿預加固[11]為核心，超前大管棚、預應力樹脂錨桿、鋼拱架和鎖腳錨桿等聯(lián)合變形控制技術，對玻璃纖維錨桿加固密度和加固長度進行了優(yōu)化分析，確定了玻璃纖維錨桿間距設置0.6 m，每一環(huán)施作錨桿不超過6 m，搭接長度不超過3 m的合理布置方式，如圖6所示。該方法對于控制掌子面擠出變形效果明顯，能較好地控制炭質板巖大變形段落的初支變形問題。

圖6 白石頭隧道掌子面預加固示意

由于白石頭出口炭質板巖破碎，卸載引起的擴容現(xiàn)象明顯，在洞內(nèi)施工時，通過增設超前大管棚，利用大管棚對掌子面及前方拱部以上圍巖施加預支護，從而減小圍巖卸載范圍，提高圍巖承載能力(見圖7)。

圖7 采用預加固措施后初支變形情況

5 結束語

本文以大臨鐵路白石頭隧道出口炭質板巖段施工為依據(jù)，對其施工中出現(xiàn)的大變形隧道支護控制措施進行了研究。總結了軟巖大變形中的支護方式和控制措施，著重對超前支護措施、開挖工法、差異性預留變形量、型鋼拱架型號優(yōu)化、預應力樹脂錨桿、掌子面預加固等措施進行了總結，結論如下:

(1)在該隧道地表注漿施工中，按區(qū)段、區(qū)域施工，采用復合注漿方法，效果顯著。

(2)采用“滇西地區(qū)軟巖大斷面隧道CRD施工工法”進行施工，能有效控制變形，杜絕了侵限換拱和安全事故的發(fā)生，同時，提高了施工工效，從而節(jié)約成本，減輕工期壓力。

(3)徑向預應力樹脂錨桿能夠錨固圍巖，使得初期支護和圍巖變形協(xié)調一致，共同受力，同時通過長短布置的方式，能有效解決隧道圍巖變形不對稱問題，對白石頭隧道出口段大變形控制效果明顯。

(4)通過對不同拱架型號對比分析，并結合現(xiàn)場情況，采用 25鋼拱架時，支護能力最佳，能有效控制圍巖變形，同時加強支護結構的強度及剛度是控制破碎炭質板巖隧道大變形最直接有效的措施。

(5)對于炭質板巖大變形特別顯著地段，單純提高初期支護強度和剛度無法有效控制白石頭隧道破碎炭質板巖段的變形，借鑒新意法理念實施掌子面預加固技術對控制該區(qū)段的變形具有較為明顯的作用。