深埋復(fù)雜地質(zhì)軟巖大變形隧洞施工技術(shù)

羅舟

（中鐵十六局集團(tuán)第二工程有限公司）

1 基本情況

1.1 工程概況

新疆輸水隧洞II 標(biāo)工程主洞全長(zhǎng)4400m（5+200～9+600），坡比38.64%，長(zhǎng)度558m，高差約170m 的Z2 斜井支洞與主洞交匯樁號(hào)為5+694，主洞5+200～5+900洞段均為N1+2 泥巖，已揭露N1+2 泥巖含水率為18%～24%，圍巖具有中等膨脹性，泥巖遇水見(jiàn)風(fēng)具有快速泥化、膨脹、崩解的特性。隧洞上第三系N1+2 地層在埋深228m 處最大地應(yīng)力達(dá)到5.4MPa，水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值基本接近1∶1。

1.2 圍巖特性

編錄洞段圍巖為第三系（N1+2）泥巖，呈紅褐色夾灰白色泥灰?guī)r包裹體，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，膠結(jié)程度弱，含水率基本為18%～24%，厚層狀，具有可塑～硬塑性。巖體中不規(guī)則陡傾角裂隙及隱微裂隙密集發(fā)育，裂隙面起伏光滑、附泥膜，裂隙間相互切割。巖體結(jié)構(gòu)以碎裂，碎塊結(jié)構(gòu)為主，局部散體狀，巖石成巖程度極差，屬極軟巖，弱膠結(jié)～無(wú)膠結(jié)，圍巖揭露后塌方、掉塊現(xiàn)象嚴(yán)重。

根據(jù)圍巖顆粒分析結(jié)果顯示，N1+2 軟巖中粘土礦物蒙脫石和伊利石總含量達(dá)到35%～50%，N1+2 軟巖試樣的軸向自由膨脹率為0.62%～2.91%，徑向自由膨脹率為0.26%～1.09%，側(cè)向約束膨脹率為1.53%～3.79%，膨脹壓力為51.95～442.10kPa，平均為247kPa。N1+2軟巖具有遇水短時(shí)間快速膨脹和快速崩解破壞的特征，且具有較高的膨脹壓力。

1.3 大變形情況分析

主洞進(jìn)入上第三系N1+2 泥巖洞段施工就發(fā)生了多次大變形導(dǎo)致的一次支護(hù)侵線(xiàn)[1]，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行換拱，造成進(jìn)度滯后，成本增加，對(duì)施工造成嚴(yán)重干擾。因此，取5+660～5+670 段進(jìn)行試驗(yàn)監(jiān)測(cè)，該洞段施工完成后一次支護(hù)噴混開(kāi)裂、剝落，局部拱架發(fā)生扭曲變形，不同程度地出現(xiàn)一次支護(hù)侵線(xiàn)，拱頂最大侵線(xiàn)31.6cm，邊墻最大侵線(xiàn)26.9cm。

根據(jù)檢測(cè)方和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示，該洞段拱頂累計(jì)沉降量最大達(dá)到41.6cm，沉降速率最大為84mm/d，邊墻最大收斂達(dá)到36.9cm，收斂速率最大為44mm/d。斷面測(cè)量顯示，侵線(xiàn)基本發(fā)生在拱肩及起拱線(xiàn)拱腳處。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析總結(jié)，本工程上第三系N1+2 泥巖大變形具有如下特點(diǎn)：①拱部與邊墻收斂變形基本一致；②收斂變形部位基本處于拱架每臺(tái)階拱腳處，如中臺(tái)階開(kāi)挖施工時(shí)上臺(tái)階拱腳沉降收斂；③一次支護(hù)封閉成環(huán)后基本沒(méi)有收斂趨勢(shì)[2]。

2 采取的技術(shù)措施

2.1 加強(qiáng)一次支護(hù)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)一次支護(hù)施工情況顯示，設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)不能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工需求。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)專(zhuān)家研究討論，制定了如表1 所示的試驗(yàn)支護(hù)參數(shù)。

表1 設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)與試驗(yàn)支護(hù)參數(shù)對(duì)比

2.2 雙排外八字鎖腳錨管

鎖腳錨管打入長(zhǎng)度及角度影響到圍巖壓力的變化。打入合適長(zhǎng)度和角度的鎖腳錨管對(duì)圍巖總位移、豎向位移、水平位移和支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩、剪力等有良好的約束效果。打入合適長(zhǎng)度和角度的錨管不僅可以約束支護(hù)結(jié)構(gòu)的自由變形，還能起到加固圍巖的作用。因此，本工程采用φ63，L=6m 的雙排外八字鎖腳錨管[4]施工，錨管打設(shè)角度采用下傾角30～45°、水平角度15°的方式，間距≥75㎝，既能有效限制下沉，又能有效限制水平收斂。

2.3 大長(zhǎng)管棚施工

利用大長(zhǎng)管棚施工加強(qiáng)超前支護(hù)強(qiáng)度及開(kāi)挖支護(hù)安全系數(shù)，超前中管棚施工角度為160°范圍，采用φ63，L=9m，搭接長(zhǎng)度6m，外插角≤5°，避免外插角過(guò)大對(duì)拱部圍巖造成擾動(dòng)。管棚尾部與型鋼拱架牢固焊接，形成有效的超前加固、棚戶(hù)作用。

2.4 采用納米硅粉合成纖維混凝土噴護(hù)

采用C40 納米硅粉合成纖維混凝土作為初期支護(hù)中噴層的材料，其良好的早強(qiáng)及抗裂性能可有效抑制隧洞圍巖前期過(guò)早變形并防止噴層開(kāi)裂。噴層施作分為初噴和復(fù)噴兩個(gè)階段，初噴可使拱梁式支護(hù)結(jié)構(gòu)中的HW型鋼拱架與圍巖緊密接觸，防止隧洞圍巖松動(dòng)圈的進(jìn)一步擴(kuò)展。

2.5 拱梁式支護(hù)方式

隧洞初期支護(hù)結(jié)構(gòu)形式包括超前中管棚、HW 型鋼拱架、鋼筋網(wǎng)、噴混凝土、外八字鎖腳錨管。初期支護(hù)結(jié)構(gòu)核心為由I16 工字鋼及HW 型鋼拱架組成的拱梁式支護(hù)結(jié)構(gòu)，即根據(jù)三臺(tái)階施工法臺(tái)階分布位置，將I16 工字鋼在每臺(tái)階拱腳處形成一條縱向整體托梁，利用縱向托梁的剛性連接將一次支護(hù)鋼拱架連接而成的支護(hù)結(jié)構(gòu)，配合超前中管棚、每臺(tái)階拱腳處設(shè)置的外八字鎖腳錨管，可有效控制軟巖隧洞圍巖膨脹大變形，解決初期支護(hù)結(jié)構(gòu)侵限及失穩(wěn)問(wèn)題。

2.6 擴(kuò)大預(yù)留變形量

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，一次支護(hù)收斂變形速率基本在4㎝/d，且拱架封閉成環(huán)后才有逐漸趨穩(wěn)的趨勢(shì)，為防止在一次支護(hù)收斂沒(méi)有趨穩(wěn)的情況下立即進(jìn)行襯砌施工造成二次襯砌受力過(guò)大，考慮將拱部預(yù)留變形量擴(kuò)大至60cm，邊墻預(yù)留變形量擴(kuò)大至45cm，同時(shí)，確保一次支護(hù)封閉成環(huán)后30 天內(nèi)完成二次襯砌施工，以保證一次支護(hù)與二次襯砌的安全質(zhì)量。

2.7 安全步距調(diào)整

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，V2 類(lèi)泥巖施工進(jìn)度每循環(huán)進(jìn)尺≤1m，考慮到加強(qiáng)一次支護(hù)后的收斂變形速率基本可控制在1.5～2cm/d，以及一次支護(hù)封閉成環(huán)后30 天收斂變形速率有了減緩趨勢(shì)，因此，二次襯砌在一次支護(hù)施工完成30 天后進(jìn)行為最佳時(shí)機(jī)。據(jù)此，將掌子面距離二次襯砌安全步距調(diào)整為30m[3]，這樣既能確保一次支護(hù)及二次安全質(zhì)量，又能實(shí)現(xiàn)掌子面開(kāi)挖與二次襯砌施工同步進(jìn)行。加快了施工進(jìn)度的同時(shí)，還能確保一次支護(hù)施工的連續(xù)性。

3 加強(qiáng)支護(hù)后的效果

3.1 收斂變形數(shù)據(jù)分析

主洞5+626 處與5+618 處根據(jù)調(diào)整后支護(hù)參數(shù)進(jìn)行施工，累計(jì)觀測(cè)29 天，拱頂累計(jì)向下沉降變形為481.2mm、444.5mm， 水 平 收 斂 變 形 為 364.1cm 和407.2mm。從變形速率來(lái)看，向下收斂變形速率為15～17mm/d，水平向內(nèi)收斂變形速率為13～16mm/d，變形速率明顯較之前減緩，確保了一次支護(hù)施工安全質(zhì)量。同時(shí)，預(yù)留變形量滿(mǎn)足30 天內(nèi)一次支護(hù)不侵占二次襯砌厚度的安全質(zhì)量需求。

3.2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

拱頂部位的鋼拱架在9 月1 日開(kāi)挖支護(hù)完成后，應(yīng)力出現(xiàn)顯著增加，在起測(cè)后首日即達(dá)到64MPa。5+626.6監(jiān)測(cè)斷面的拱頂部位10 月3 日的鋼拱架應(yīng)力為-377MPa，該部位應(yīng)變計(jì)10 月4 日超過(guò)量程；左拱肩部位鋼拱架應(yīng)力在11 月4 日讀數(shù)為-400.17MPa；右拱肩部位9 月18 日的鋼拱架應(yīng)力為-337MPa，該部位應(yīng)變計(jì)9 月19 日超量程。

5+626.6 監(jiān)測(cè)斷面左拱肩部位的圍巖-鋼拱架接觸壓力最大讀數(shù)為11 月4 日的318.9kPa。

除右邊墻部位儀器10 月3 日斷線(xiàn)，最后一次讀數(shù)為108.4kPa 之外，其他部位在11 月4 日的土壓力盒讀數(shù)為：拱頂267.8kPa，左拱肩259.0kPa，右拱肩185.8kPa。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析，加強(qiáng)后的一次支護(hù)對(duì)圍巖變形形成了有效的抵抗，減緩了圍巖對(duì)一次支護(hù)的擠壓變形速率，為一次支護(hù)施工提供了安全保障。同時(shí)，二次襯砌在一次支護(hù)施工完成30 天后進(jìn)行施工也減弱了二次襯砌受力過(guò)大的現(xiàn)象，為二次襯砌施工質(zhì)量提供了保障。

4 優(yōu)點(diǎn)和不足

4.1 優(yōu)點(diǎn)

4.1.1 施工功效提高

以設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)施工的情況下，開(kāi)挖進(jìn)尺9m 需及時(shí)進(jìn)行二次襯砌施工，掌子面距離襯砌安全距離僅10m，無(wú)法實(shí)現(xiàn)同步施工，只能單工序施工，因此，月施工功效僅18m/月。同時(shí)因一次支護(hù)強(qiáng)度弱，收斂變形極容易出現(xiàn)突變情況，發(fā)生一次支護(hù)侵線(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)極高，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過(guò)程中就曾出現(xiàn)數(shù)次換拱，對(duì)施工進(jìn)度造成極大影響。

一次支護(hù)參數(shù)調(diào)整后，掌子面距離二次襯砌安全步距達(dá)到30m，可以開(kāi)展棧橋法進(jìn)行底拱襯砌施工，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)挖與二次襯砌同步施工，因此，月施工功效達(dá)到30m/月。加強(qiáng)一次支護(hù)后圍巖收斂變形基本穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)突變的情況，大大降低了一次支護(hù)侵線(xiàn)換拱的風(fēng)險(xiǎn)，為施工進(jìn)度提供了有效保障。

4.1.2 安全質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)降低

采取加強(qiáng)支護(hù)措施后，既保證開(kāi)挖及一次支護(hù)施工期間的安全質(zhì)量，同時(shí)規(guī)避二次襯砌因承受過(guò)大的一次支護(hù)收斂變形應(yīng)力導(dǎo)致的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，為二次襯砌的安全質(zhì)量提供了保障。

4.2 不足

根據(jù)隧洞單點(diǎn)位移計(jì)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，圍巖松動(dòng)圈在6m 以外，因隧洞開(kāi)挖跨度僅7m，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全機(jī)械化施工作業(yè)來(lái)進(jìn)行大長(zhǎng)鎖腳錨管和系統(tǒng)錨桿的施工，從而無(wú)法將錨管（桿）打入穩(wěn)定圍巖內(nèi)，與型鋼拱架形成最有利的支護(hù)體系。

5 注意事項(xiàng)

⑴開(kāi)挖支護(hù)必須具有強(qiáng)時(shí)效性，不能因機(jī)械、人為因素造成一次支護(hù)封閉時(shí)間延長(zhǎng)。

⑵超前中管棚長(zhǎng)度、間排距、搭接長(zhǎng)度必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工，管棚打設(shè)角度≤5°，確保不對(duì)原裝圍巖造成不必要的擾動(dòng)[5]。

⑶局部超挖部分必須嚴(yán)格用同標(biāo)號(hào)噴射混凝土回填密室，拱架背后嚴(yán)禁出現(xiàn)空腔。

⑷鎖腳錨管的打設(shè)角度、數(shù)量、焊接必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求施工，不得出現(xiàn)角度偏小、焊接不牢的現(xiàn)象。

⑸加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)工作，加密斷面、頻次，為一次支護(hù)施工提供及時(shí)有效的數(shù)據(jù)參考。

6 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)試驗(yàn)方案采取的措施及監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析，一次支護(hù)收斂變形速率及變形量有了明顯降低，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供了安全和質(zhì)量保障；同時(shí)，大大降低了大變形洞段一次支護(hù)侵線(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，拉長(zhǎng)了安全布局，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)挖與襯砌同步施工，大大提高了施工功效，降低了施工成本。軟巖大變形洞段施工需堅(jiān)持“快”的原則，同時(shí)要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)施工，以便快速調(diào)整適應(yīng)圍巖變化，從而確保軟巖大變形洞段施工快速、安全、高效。