限阻器施工技術(shù)在中老鐵路項(xiàng)目沙嫩山二號(hào)隧道中的應(yīng)用

張英達(dá)

（中國(guó)水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710024）

隧道在穿越高地應(yīng)力軟弱圍巖地層時(shí)極易發(fā)生大變形災(zāi)害，嚴(yán)重增加施工安全風(fēng)險(xiǎn)、滯后施工進(jìn)度、提高建設(shè)投資、增加運(yùn)營(yíng)期維護(hù)負(fù)擔(dān)。

中老鐵路磨萬(wàn)段沙嫩山二號(hào)隧道穿越破碎的碳質(zhì)板巖地層，在施工過(guò)程中初期支護(hù)變形嚴(yán)重、開(kāi)裂和侵限及其誘發(fā)的塌方施工病害嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度和質(zhì)量，導(dǎo)致安全風(fēng)險(xiǎn)極高。本文依托中老鐵路沙嫩山二號(hào)隧道施工中產(chǎn)生的塌方及初支侵限換拱，提出采用限阻器施工技術(shù)解決侵限換拱問(wèn)題，為其他軟巖大變形隧道開(kāi)挖支護(hù)施工提供新思路。

1 工程概況

1.1 工程概況

沙嫩山二號(hào)隧道進(jìn)口里程為DK209+505、出口里程為DK211+595，隧道全長(zhǎng)2090m。為單線鐵路隧道，設(shè)計(jì)行車(chē)速度160km/h。隧道為上坡，縱坡為5.5‰和1‰。DK209+230.747～DK209+645.362 段位于R=9000m 的曲線 上 ，DK210+653.997 ～DK210+958.036 段 位 于R=11000m 的曲線上，其余地段均為直線。DK209+505～DK210+990 為單線隧道，DK210+990～DK211+595 為雙線隧道。隧道進(jìn)口接沙嫩山二號(hào)中橋萬(wàn)象端橋臺(tái)，出口接沙拉巴土三線大橋磨丁端橋臺(tái)，最大埋深約635m。進(jìn)口段作業(yè)面施工任務(wù)為1000m，出口段為1090m，利用5#拌和站至森村隧道的施工便道，作為材料運(yùn)輸和隧道施工通道。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

隧道屬構(gòu)造剝蝕中高山地貌，地形起伏較大，地面高程440～680，相對(duì)高差大于100m。受區(qū)域構(gòu)造影響，次級(jí)斷層發(fā)育，隧道發(fā)育有沙嫩山2#斷層（DK209+865），洞身巖性產(chǎn)狀變化較大。地下水以基巖裂隙水為主，局部為巖溶水。洞身圍巖巖質(zhì)軟硬不均、節(jié)理裂隙發(fā)育。設(shè)計(jì)不良地質(zhì)為：滑坡、巖溶。分布于隧道進(jìn)口端DK209+420～+650 左側(cè)90～370m，軸向長(zhǎng)約290m，滑體厚5～25m，物質(zhì)主要為粉質(zhì)黏土、碎石土，為中型切層滑坡。分布于線路左側(cè)70m 以外，對(duì)隧道主體工程無(wú)影響。隧道通過(guò)石炭系板巖加砂巖、泥灰?guī)r，泥灰?guī)r為夾層，分部無(wú)規(guī)律，屬可溶巖。巖溶一般不發(fā)育，但不排除局部發(fā)育的可能，隧道開(kāi)挖可能巖溶涌水，突泥的危害，對(duì)隧道施工影響較大。

隧道地表水為山間槽溝流水，受大氣降水補(bǔ)充，地表水不發(fā)育，水流流量受季節(jié)及降雨影響明顯，地下水為第四系覆蓋層孔隙潛水、基巖裂隙水、巖溶水，隧道洞身地段巖性主要為板巖夾砂巖、泥灰?guī)r，基巖裂隙水較發(fā)育，局部巖體破碎和可溶巖地段含水量豐富。預(yù)測(cè)隧道一般涌水量為4800m3/d，雨季最大涌水量為5800m3/d。

2 隧道施工遇見(jiàn)的變形及換拱

2017 年10 月2 日在施工過(guò)程中DK209+643.5～DK209+653 段9.5m 范圍左拱腰部位擠壓變形，拱部發(fā)生坍方；2018 年2 月1 日DK209+658～DK209+676 段線路左側(cè)拱部及邊墻發(fā)生變形坍塌，如圖1。

圖1 初期支護(hù)大變形破壞現(xiàn)象

當(dāng)遇見(jiàn)變形塌方后，對(duì)DK209+643.5～DK209+653段、DK209+658～DK209+676 段左、右側(cè)拱腰及邊墻處進(jìn)行換拱。

3 限阻器施工技術(shù)

為了解決初支后大變形問(wèn)題，以蒙華鐵路陽(yáng)山隧道的大變形治理為工程借鑒，并邀請(qǐng)到西南交通大學(xué)仇文革教授團(tuán)隊(duì)進(jìn)行指導(dǎo)，基于陽(yáng)山隧道“直板式限阻器”方案，對(duì)其在工作過(guò)程中出現(xiàn)的豎版彎曲方向不一致的問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化，最終確定為“兩臺(tái)階+弧板型限阻器”的治理方案。最終有限解決了沙嫩山二號(hào)隧道大變形換拱難題。

3.1 限阻器支護(hù)結(jié)構(gòu)

限阻耗能型支護(hù)由原初期支護(hù)和弧板型環(huán)向限阻器組成，根據(jù)工程特點(diǎn)，分別在左右拱腰和邊墻處設(shè)置4 處環(huán)向限阻器（圖2）。限阻器在工作前期限制結(jié)構(gòu)內(nèi)力，讓結(jié)構(gòu)內(nèi)力在達(dá)到一定水平時(shí)不再增長(zhǎng)，以保護(hù)鋼架和噴射混凝土不受破壞，并通過(guò)大行程的壓縮變形釋放圍巖壓力，最終達(dá)到預(yù)定目標(biāo)后壓實(shí)或封閉限阻器，支護(hù)又變回剛度和強(qiáng)度均較大的剛性結(jié)構(gòu)，為后期的穩(wěn)定工作提供安全儲(chǔ)備。

圖2 限阻耗能型支護(hù)示意圖

3.2 施工步驟

3.2.1 隧道開(kāi)挖施工步驟

（1）上臺(tái)階爆破開(kāi)挖。

（2）打設(shè)定位筋，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，架立上臺(tái)階鋼拱架;安裝左右拱腰限阻器，方法詳見(jiàn)限阻器施工步驟;臺(tái)階分界處打設(shè)鎖腳錨桿;噴射上臺(tái)階混凝土。

（3）下臺(tái)階爆破開(kāi)挖。

（4）打設(shè)定位筋，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，架立下臺(tái)階鋼拱架；安裝左右邊墻限阻器，方法詳見(jiàn)限阻器施工步驟；墻腳處打設(shè)鎖腳錨桿；噴射下臺(tái)階混凝土。

（5）仰拱開(kāi)挖，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，架立仰拱鋼拱架，噴射仰拱混凝土。

3.2.2 限阻器施工步驟

（1）工廠中將型鋼鋼架一端與限阻器配套的接頭鋼板及連接角鋼焊接連接；工廠加工阻尼弧板和連接鋼板，焊接成限阻器，運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)。

（2）立架時(shí)，首先將限阻器連接板上的預(yù)留孔與鋼架接頭螺栓孔對(duì)齊，螺栓連接二者。

（3）其次，通過(guò)幫焊鋼筋，將本榀鋼架限阻器與上一榀鋼架上的限阻器在連接板處焊接在一起，限阻器首尾均得到固定。

（4）然后，在限阻器上、下連接鋼板上焊接連接混凝土鋼筋，在限阻器上下至少1m 范圍鋼架內(nèi)側(cè)鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)。

（5）最后，在限阻器連接板上焊接位移量測(cè)靶點(diǎn)，用土工布填充塞實(shí)豎板間的空隙，以防混凝土噴入。

（6）噴射混凝土初凝后，取出預(yù)留空隙內(nèi)的土工布，粘貼監(jiān)控量測(cè)反光標(biāo)。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)及斷面檢測(cè)以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，實(shí)際施工反饋調(diào)整限阻器的有效變形行程，限阻器試驗(yàn)段的設(shè)計(jì)參數(shù)較為合理。在限阻器達(dá)到設(shè)計(jì)變形行程前，利用圍巖壓力以形變壓力為主的特征，弧板型限阻器先引導(dǎo)組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形，釋放圍巖壓力，保護(hù)鋼架混凝土結(jié)構(gòu)，減少初期支護(hù)的破壞。當(dāng)弧板型限阻器變形達(dá)到設(shè)計(jì)變形行程后，圍巖壓力降低至常規(guī)支護(hù)可承載水平。在限阻器變形達(dá)到設(shè)計(jì)行程或初期支護(hù)變形穩(wěn)定收斂后，采用噴射混凝土及時(shí)封閉弧板型限阻器，實(shí)現(xiàn)與圍巖協(xié)調(diào)變形的柔性支護(hù)與常規(guī)剛性支護(hù)的轉(zhuǎn)換。從而以更經(jīng)濟(jì)性的支護(hù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定及變形可控的功能需求，見(jiàn)圖3。

圖3 三維激光掃描儀掃描成果圖

3.4 實(shí)施效果綜述

如圖4 可以看出常規(guī)支護(hù)段存在拱頂、邊墻掉塊現(xiàn)象并且常規(guī)支護(hù)段出現(xiàn)多次換拱都未能有效解決問(wèn)題。限阻器安裝后明顯可以看出其受力變形情況，通過(guò)限阻器自身主動(dòng)的變形有效的將圍巖及初支壓力釋放。在限阻器變形過(guò)程中并未發(fā)生掉塊、圍巖開(kāi)裂等現(xiàn)象，在前期限阻器的效果達(dá)到了預(yù)期。限阻器產(chǎn)生了顯著的變形，尤其以富水側(cè)和上臺(tái)階的限阻器為甚。說(shuō)明在高圍巖壓力區(qū)域，限阻器通過(guò)引導(dǎo)圍巖-支護(hù)體系協(xié)調(diào)變形，釋放圍巖壓力，轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化巖體應(yīng)變能，是有利于巖體穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)安全的。

圖4 限阻器實(shí)施效果

4 結(jié)論

本文依托中老鐵路沙嫩山二號(hào)隧道，對(duì)沙嫩山二號(hào)隧道施工中遇見(jiàn)的軟巖大變形問(wèn)題采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、數(shù)值模擬、監(jiān)控量測(cè)等手段,對(duì)大變形地層隧道工程特性、隧道限阻器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工方法等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究,得出以下結(jié)論：

4.1 采用限阻器技術(shù)施工后，是否產(chǎn)生隧道大變形以及大變形的等級(jí)主要受地應(yīng)力水平控制，同時(shí)也受節(jié)理物理力學(xué)參數(shù)及產(chǎn)狀影響；而隧道大變形破裂的位置則主要受巖層及節(jié)理的產(chǎn)狀所控制。大變形試驗(yàn)段線左節(jié)理傾角在40°～50°，其計(jì)算破壞位置現(xiàn)場(chǎng)施工反饋一致，而通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)變形反推其地應(yīng)力水平約為15～18MPa。

4.2 單線隧道大變形計(jì)算分析可得：在豎直水平地應(yīng)力與水平地應(yīng)力之比在0.5～1.5 變化，巖體節(jié)理產(chǎn)狀不變時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)最大位移的位置并沒(méi)有明顯改變，但是位移量值隨地應(yīng)力矢量的模增大而增大。

4.3 隧道的初支破裂及大變形原因?yàn)樽灾貞?yīng)力場(chǎng)、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)與巖體及其節(jié)理性質(zhì)、產(chǎn)狀綜合作用的結(jié)果。采用優(yōu)化設(shè)計(jì)限阻器型式，在剪應(yīng)變較大區(qū)域設(shè)置可壓縮的徑向限阻器，則可取得良好的治理效果，徑向限阻器的有效壓縮行程在40～45cm 即可滿(mǎn)足支護(hù)需求。

4.4 限阻器在與鋼架連接處的變形明顯大于與素混凝土的連接處，為施縱向變形更加協(xié)調(diào)，需要對(duì)此進(jìn)行優(yōu)化，采取非等剛度的限阻器參數(shù)。限阻器與混凝土的連接方式需要根據(jù)實(shí)際隧道的變形受力狀態(tài)工況調(diào)整其連接方式。

4.5 限阻器變形方向誘導(dǎo)設(shè)計(jì)參數(shù)與限阻器與混凝土的縱向、環(huán)向連接參數(shù)需要看作一個(gè)體系考慮進(jìn)行設(shè)計(jì)，否則在實(shí)際大變形應(yīng)用時(shí)，由于方向誘導(dǎo)且與混凝土的連接約束較弱，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)縱板彎曲現(xiàn)象，引起變形不協(xié)調(diào)而使限阻器上下緣混凝土剝落，甚至限阻器失效。

4.6 限阻器施工時(shí)用土工布堵塞限阻器內(nèi)部以保護(hù)限阻器的有效變形空間。但由于存在超挖，堵塞并不密實(shí)，導(dǎo)致限阻器靠?jī)?nèi)部常有混凝土，清理鑿除消耗人力，為避免這樣的情況建議施工過(guò)程中采用防水板將限阻器兩面都封閉，并用細(xì)鋼筋或鋼筋網(wǎng)片與限阻器焊接形成骨架，內(nèi)部采用土工布堵塞，這樣就可以達(dá)到預(yù)期效果。