公路隧道含煤層圍巖加固措施及效果分析

陶 瓊， 張鵬陽， 李翩翩

(云南省公路科學(xué)技術(shù)研究院， 昆明 650000)

隨著我國山區(qū)高速公路建設(shè)的快速發(fā)展，隧道構(gòu)筑物在路線占比越來越多，但因隧道圍巖的隱蔽性和復(fù)雜性，如巖溶、煤層、暗河、斷層破碎帶等[1-3]不良地質(zhì)不易提前準確預(yù)知。尤其是煤層條件下隧道施工建設(shè)危險性較大，一是煤層會導(dǎo)致圍巖的完整性和自穩(wěn)能力下降，施工中極易發(fā)生圍巖塌方；二是含煤地層賦存的瓦斯氣體因開挖揭露而釋放，在高瓦斯段，若施工不當，極易發(fā)生瓦斯爆炸，造成大量人員傷亡和財產(chǎn)損失[4]。

針對隧道穿越煤系地層的工程問題，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量研究。謝全敏等[5]采用結(jié)構(gòu)力學(xué)理論推導(dǎo)了隧道在含煤地層段開挖時煤巖柱安全厚度，并進一步分析了煤層的動力特性。萬正等[6]運用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)控量測的方法，研究了富水煤系地層的隧道仰拱隆起問題，指出隧道基底圍巖在水的作用下軟化，且在地下水的高水壓力是致使仰拱隆起主要原因。喻軍等[7]結(jié)合隧道施工現(xiàn)場實況，研究了軟弱煤系地層塌方處治技術(shù)。李樹良[8]以具體工程為背景，研究了水平煤系地層隧道塌方的規(guī)律，提出了防治措施并在工程中應(yīng)用，取得了良好效果。劉江等[9]針對特長公路隧道煤層段高瓦斯施工通風技術(shù)問題，通過劃分工區(qū)、通風量計算等方法，確定了通風設(shè)備功率和通風方式。通過文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)[10-12]，目前有關(guān)含煤層隧道的研究主要集中在瓦斯處治方面，而對含煤層區(qū)段圍巖開挖的穩(wěn)定性和破壞特征研究相對較少。

本文結(jié)合隧道含煤層區(qū)段圍巖塌方實際情況，主要針對塌方特征和加固處治方案進行研究，并提出合理的處理措施。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

依托隧道左線長度為2 444 m，里程點ZK162+556～ZK165+000；右線隧道長度為2 447 m，里程點K162+546～K164+993。隧址區(qū)海拔高程1 080 m～1 680 m，相對高差600 m。隧址區(qū)屬構(gòu)造剝蝕巖溶中山地貌區(qū)，地形起伏較大，自然坡度25°～40°，坡面植被不發(fā)育，大多基巖出露，地質(zhì)作用以構(gòu)造剝蝕、溶蝕為主。巖體主要由灰?guī)r、玄武巖、鈣質(zhì)粉砂巖夾煤層、粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖組成，裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖體完整性差。隧道在K163+800～K163+900段存在煤層，產(chǎn)狀為330°～350°∠40°～60°，該段隧道圍巖為Ⅳ級，以黃灰色鈣質(zhì)粉砂巖為主，夾灰黑色頁巖夾煤層，呈中厚層狀構(gòu)造，中風化為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，層間結(jié)合一般，巖體較破碎多呈碎石狀碎裂結(jié)構(gòu)。

1.2 含煤層塌方過程

在隧道左線ZK163+815斷面施工時，掌子面出現(xiàn)較破碎松散狀的黑色煤塊，涌水量較大，掌子面上的石塊開始松動滑落，立即暫停掌子面施工。次日，隧道發(fā)生滑塌，塌方位置由拱頂位置逐漸發(fā)展為整個掌子面，滑塌體積逐漸增大，塌方體積大概有250 m3，掌子面初支臺架被煤塊掩蓋。受坍塌體的影響，ZK163+815～ZK163+838段初期支護受損嚴重，主要表現(xiàn)為初期支護混凝土開裂、掉塊、鋼拱架變形等。

1.3 原支護設(shè)計

本隧道在穿越含煤層圍巖段采用上下臺階法開挖，復(fù)合式襯砌，在隧道兩側(cè)各設(shè)一條維修道，左側(cè)為電纜溝，右側(cè)為消防溝，隧道路基兩側(cè)各設(shè)置排水邊溝，隧道的橫斷面設(shè)計如圖1所示。

單位：m

1.4 位移測點布置

隧道施工過程中，采用收斂計測量圍巖周邊位移收斂值、全站儀測量拱頂沉降值。拱頂沉降監(jiān)測由3個監(jiān)測點組成，在隧道拱頂布置一個監(jiān)測點，距離隧道拱頂監(jiān)測點2 m左右各一個監(jiān)測點，周邊收斂由2個監(jiān)測點組成，分別在隧道左右邊墻位置，周邊收斂和拱頂沉降的監(jiān)測點布置在同一個截面上，在Ⅳ級圍巖中每10 m～20 m布置一個斷面，特殊不良地質(zhì)條件下縮短2個斷面的布置距離，監(jiān)測頻率為1次/d[13]。監(jiān)控點的布置如圖2所示。

(a) 橫斷面測點布置

2 圍巖加固

2.1 加固方案

1) 增設(shè)臨時支撐

塌方預(yù)兆發(fā)生時，立刻停止施工。為確保塌方處理人員的人身安全，先對已施工初支段進行鋼支撐臨時支護，防止圍巖發(fā)生松動變形導(dǎo)致初支破壞。臨時鋼支撐采用與初期支護的鋼拱架同型號的工字鋼制成。同時，為了提高初期支護的穩(wěn)定性和承載能力，防止塌方進一步惡化[14]，鋼拱架的鎖腳采用Φ42、L=3.5 m的鎖腳錨桿，每組鎖腳錨桿數(shù)量由原設(shè)計的2根增加至4根。相鄰2個臨時鋼支撐縱向間距2 m。臨時鋼支撐及鎖腳錨桿布設(shè)位置及主要參數(shù)如圖3所示。

為了提高初期支護的支護能力，襯砌類型由原S4a襯砌變更為S5c襯砌。圍巖由原來的Ⅳ級圍巖變更為Ⅴ級圍巖，同時，改變了隧道的開挖方式，由原來的上下臺階法變更為環(huán)形開挖預(yù)留核心土法，用人工機械開挖方式代替鉆爆開挖。

(a) 隧道開挖橫斷面

(b) 鎖腳錨桿布設(shè)側(cè)視圖

(c) 鎖腳錨桿布設(shè)正視圖

2) 注漿加固圍巖

為了充分發(fā)揮圍巖的自承能力，提高已施工段圍巖的整體穩(wěn)定性，在ZK163+815～ZK163+835的開挖面進行預(yù)注漿處理。采用分段注漿措施，每段長度為7.5 m，相鄰兩端搭接1.5 m。注漿孔沿隧道中軸傘狀布置，漿液擴散半徑為2 m。套管段采用Φ115鉆頭成孔，注漿段采用Φ76鉆頭成孔。注漿液采用水泥-水玻璃漿液，水泥∶水玻璃(體積比)=1∶(0.6～1.0)，水灰比為0.8∶1～1∶1，水玻璃模數(shù)2.6～2.8，注漿壓力0.5 MPa～1.5 MPa。

3) 超前管棚支護

根據(jù)施工現(xiàn)場隧道超前地質(zhì)預(yù)報分析結(jié)果，煤層分布在隧道掌子面前方20 m范圍內(nèi)。為了防止后續(xù)開挖過程中再次發(fā)生坍塌，提高未開挖段圍巖的承載力，采用管棚進行預(yù)加固處理[15]。管棚參數(shù)如下：長度為30 m，內(nèi)徑為108 mm，壁厚為6 mm，環(huán)向間距為30 cm，外插角范圍為1°～2°，在拱頂和兩拱腰位置共布置31根管棚。在掌子面位置施作1.5 m長的套拱，管棚的一端搭接在套拱上，另一端搭接在隧道掌子面前方大概20 m～30 m的巖體中，注漿參數(shù)同前。

2.2 圍巖加固效果驗證

1) 數(shù)值模擬

為了解加固措施在實際應(yīng)用中的效果，保證隧道在加固后的開挖施工能夠安全進行，在加固措施進行實際工程應(yīng)用前，運用數(shù)值模擬的方法進行圍巖加固效果驗證。采用Midas GTS NX有限元軟件建立三維隧道有限元模型，模擬隧道含煤層區(qū)段在經(jīng)過本文的加固措施加固前、后，開挖施工引起的圍巖變形特征。在建模時，為了簡化模型，僅保留隧道拱頂以上20 m范圍內(nèi)的圍巖，在這之上的圍巖重力按照等效荷載施加在模型的頂部。隧道圍巖和支護材料選用摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察報告及隧道設(shè)計資料，模型中各種材料的主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。有限元模型一共劃分網(wǎng)格數(shù)目101 490個，節(jié)點數(shù)59 076個，如圖4所示。

表1 圍巖及支護材料物理力學(xué)參數(shù)

單位：m

2) 加固方案評估

通過對隧道開挖有限元數(shù)值模擬，可得到隧道含煤層區(qū)段圍巖經(jīng)加固后，開挖施工引起的隧道拱頂沉降和周邊收斂分布云圖。實際中，隧道圍巖未采取加固措施開挖后產(chǎn)生了塌方，表明隧道含煤層圍巖發(fā)生了塑性破壞。

為了便于觀察，選取模型中隧道軸線與煤層相交附近的橫截面進行分析。隧道加固后開挖引起的圍巖變形如圖5所示。由圖5可見，隧道在完成開挖施工后，圍巖的最大沉降為1.85 mm，最大值位置在煤層所在位置的右側(cè)拱肩；圍巖的最大水平位移在煤層所在位置的右側(cè)拱腰，數(shù)值為1.79 mm。按照我國隧道施工規(guī)范，已滿足圍巖穩(wěn)定規(guī)定，圍巖加固效果明顯。含煤層圍巖開始開挖時發(fā)生塌方，表明當時隧道開挖時圍巖的變形量和變形速率已遠遠超出規(guī)范的規(guī)定。分析表明含煤層圍巖經(jīng)過加固后，整體穩(wěn)定性得到提高。

3 圍巖加固技術(shù)應(yīng)用及效果

隧道在含煤層區(qū)段開挖初期發(fā)生塌方，塌方穩(wěn)定后進行圍巖加固處理。加固完成后，采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法繼續(xù)進行隧道施工，塌方掌子面樁號為ZK163+815。隧道開挖后，以ZK163+810斷面、ZK163+815斷面和ZK163+820斷面的拱頂沉降和周邊收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，繪制出這3個斷面的拱頂沉降位移時程曲線、周邊收斂位移時程曲線。為了更準確地獲取圍巖變形信息，在ZK163+815斷面和ZK163+820斷面提高了監(jiān)測頻率，即2次/d。監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。

(a) 豎向位移

(b) 水平位移

由圖6(a)可知，ZK163+810斷面的圍巖原已趨于穩(wěn)定，后因ZK163+815掌子面開挖對圍巖產(chǎn)生擾動，使得ZK163+810斷面的拱頂沉降又出現(xiàn)變形增大的趨勢，且右側(cè)拱肩位置的圍巖沉降量最大，其累計沉降位移值達到125.31 mm后趨向穩(wěn)定。由圖6(b)可知，ZK163+815斷面開挖后，第一次拱頂沉降值在開挖后的第3天趨于穩(wěn)定，右側(cè)拱肩的累計拱頂沉降量最大，累計沉降值為1.28 mm，表明圍巖的加固效果較好。在ZK163+820開挖時，ZK163+815的拱頂沉降又呈現(xiàn)一個快速增長階段，ZK163+820開挖完成后，開挖引起的圍巖擾動減小，右側(cè)拱頂沉降再次趨于穩(wěn)定，右側(cè)拱肩的累計拱頂沉降量為2.13 mm。累計沉降值與數(shù)值模擬得到的拱頂沉降值相近。由圖6(c)可知，ZK163+820斷面的拱頂沉降最大值為6.84 mm，表明該位置的圍巖受煤層作用的影響已經(jīng)變小。由圖6(d)可知，ZK163+815斷面和ZK163+820斷面的累計周邊收斂位移值均約為1.6 mm，表明含煤層圍巖在經(jīng)過加固后穩(wěn)定性增強，且在ZK163+820斷面在開挖時，ZK163+815斷面的累計收斂位移有所上升，說明開挖面的圍巖擾動會對已開挖完成的隧道初支結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的擾動。

(a) ZK163+810斷面拱頂沉降位移時程曲線

(b) ZK163+815斷面拱頂沉降位移時程曲線

(c) ZK163+820斷面拱頂沉降位移時程曲線

(d) 周邊收斂時程曲線

4 結(jié)論

本文以我國西南地區(qū)某隧道為例，對該隧道在含煤層區(qū)段的開挖過程中圍巖的變形規(guī)律及其加固處理效果進行了研究，通過有限元數(shù)值模擬和圍巖位移變形現(xiàn)場監(jiān)測，驗證了該加固處理方案的可靠性，主要有以下結(jié)論：

1) 含煤系地層的隧道圍巖加固方案采用設(shè)置長管棚支護、注漿加固圍巖、臨時支撐提高已施工路段及開挖方式調(diào)整為環(huán)形開挖預(yù)留核心土法等措施，可有效控制圍巖變形，提高圍巖穩(wěn)定能力。

2) 借助數(shù)值模擬的方法評估了加固方法的可靠性，并通過對現(xiàn)場施工監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析，驗證了含煤層圍巖加固方法的加固效果，該含煤層圍巖加固設(shè)計方法可供類似工程參考。