公路隧道淺埋充填巖溶段開挖變形與控制技術(shù)研究

黃詩洪，盧超波，姜洪亮，張 偉

(1.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007；3.廣西壯族自治區(qū)公路隧道安全預(yù)警工程研究中心，廣西 南寧 530007；4.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，湖北 武漢 430071)

0 引言

對特殊地質(zhì)、巖溶或特殊環(huán)節(jié)隧道開挖圍巖變形，大量學(xué)者進(jìn)行了細(xì)致系統(tǒng)的研究[1-10]。由于巖溶區(qū)隧道受巖溶發(fā)育程度、巖溶位置、巖溶大小、施工開挖等影響，圍巖變形特征存在較大區(qū)別。本文結(jié)合數(shù)值方法，對貴州省德江至習(xí)水高速公路正安至習(xí)水段羊角垴隧道進(jìn)口左幅淺埋充填巖溶隧道施工開挖監(jiān)測數(shù)據(jù)的變形機(jī)制進(jìn)行研究分析，提出控制技術(shù)措施，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，為其他類似隧道工程設(shè)計與施工提供參考。

1 工程背景

貴州省德江至習(xí)水高速公路正安至習(xí)水段是貴州省規(guī)劃的“6橫7縱8聯(lián)4環(huán)線”高速公路網(wǎng)6橫中第1橫(德江至習(xí)水)的重要組成部分，為東西向運輸重要通道。其中的羊角垴隧道進(jìn)口位于遵義市習(xí)水縣仙源鎮(zhèn)騎龍村，出口位于遵義市習(xí)水縣溫水鎮(zhèn)群英村。隧道按左、右線分離式設(shè)計。左線隧道里程樁號為ZK116+770～ZK117+837，長1 067 m；右線隧道里程樁號為K116+712～K117+823.9，長1 111.9 m。設(shè)計左洞進(jìn)洞淺埋段上覆少量第四系殘坡積粉質(zhì)黏土，下伏基巖為Pm灰?guī)r，隧道圍巖主要為強(qiáng)-中風(fēng)化灰?guī)r，節(jié)理裂隙發(fā)育，完整性差，埋深較淺，為2～30 m，圍巖穩(wěn)定性較差。左線實際進(jìn)洞里程為ZK116+775，設(shè)計采用超前支護(hù)為長管棚28 m+超前小導(dǎo)管；襯砌為馬蹄形斷面(見圖1)，S-Va級襯砌，開挖斷面凈寬為12.86 m，斷面面積為107.6 m2。隧道開挖至ZK116+804處，揭露黏土充填型溶洞，該溶洞充填物為潮濕的黃色黏土，拱頂出現(xiàn)持續(xù)性掉塊、垮塌并形成突發(fā)性冒頂，塌坑形成邊坡外延，發(fā)生地表錯臺開裂，冒頂區(qū)域地表開裂。冒頂塌腔上口直徑為8.3 m，下口直徑約5 m，深8 m。

圖1 隧道進(jìn)洞淺埋段縱斷面圖(m)

2 開挖變形機(jī)制分析

根據(jù)現(xiàn)場開挖施工情況，在揭示溶洞前，圍巖巖性主要為弱風(fēng)化-中風(fēng)化灰?guī)r，節(jié)理裂隙發(fā)育，完整性一般，超前支護(hù)為長管棚28 m+超前小導(dǎo)管，襯砌為S-Va級襯砌，隧道開挖后掌子面穩(wěn)定性較好。在里程ZK116+775、ZK116+785、ZK116+795斷面分別布置地表沉降、洞內(nèi)初期支護(hù)變形監(jiān)測點，如圖2所示。其中，ZK116+775的地表沉降、洞內(nèi)初期支護(hù)變形監(jiān)測曲線如圖3～5所示。

圖2 監(jiān)測斷面測點布置示意圖

圖3 ZK116+775斷面累計地表沉降變化曲線圖

圖4 ZK116+775斷面洞內(nèi)累計拱頂沉降變化曲線圖

圖5 ZK116+775斷面洞內(nèi)收斂變化曲線圖

從圖3～5的監(jiān)測結(jié)果看，各斷面穩(wěn)定累計變形值均較小。如表1、表2所示，ZK116+775、ZK116+785、ZK116+795最大地表沉降穩(wěn)定值分別為8.7 mm、3.2 mm、6.2 mm。洞內(nèi)ZK116+775、ZK116+785、ZK116+795監(jiān)控斷面拱頂沉降穩(wěn)定最大值分別為16.8 mm、8.7 mm、9.5 mm，收斂穩(wěn)定最大值分別為15.1 mm、6.7 mm、7.8 mm。

表1 各斷面地表變形穩(wěn)定累計沉降數(shù)據(jù)表

表2 各斷面洞內(nèi)拱頂沉降和收斂穩(wěn)定累計變形數(shù)據(jù)表

揭示巖溶充填物后，前期雨水下滲軟化巖溶充填物，掌子面開挖揭露巖溶充填物導(dǎo)致邊界約束條件發(fā)生變化，軟化后充填物向隧道開挖引起的臨空面塌落，臨空面因作業(yè)安全無法及時進(jìn)行有效封閉，塌腔不斷外延擴(kuò)大，拱頂巖溶充填物不斷塌落繼而引發(fā)巖溶充填物塌落直至地表。從冒頂區(qū)域外露的地質(zhì)條件情況踏勘，冒頂塌落物主要為覆蓋層與下伏巖溶充填物，巖溶充填物正常情況下存在較高的自穩(wěn)定性。

3 數(shù)值試驗

3.1 數(shù)值試驗?zāi)Ｐ?/h3>

圖6 數(shù)值分析模型云圖

為進(jìn)一步探索該段巖溶充填物開挖變形機(jī)制，建立如圖6所示的巖溶充填物隧道圍巖數(shù)值模型，模型采用以走向中心對稱的半隧道圍巖模型，長、寬、高分別為80 m、30 m、40～51 m(對應(yīng)地表埋深4～15 m)，模型網(wǎng)格單元與節(jié)點數(shù)分別為175 500、181 944，模型采用的物理參數(shù)如表3所示。在數(shù)值試驗中，隧道圍巖采用M-C本構(gòu)模型，初次支護(hù)采用實體單元，本構(gòu)模型為彈性，圍巖的初始地應(yīng)力場為自重場，計算平衡后進(jìn)行隧道開挖。

表3 模型圍巖參數(shù)表

由于前期在進(jìn)行冒頂處治過程中將洞內(nèi)超前支護(hù)，超前小導(dǎo)管長度由原設(shè)計的4 m調(diào)整為6 cm，環(huán)向間距由0.4 m調(diào)整為0.15 m，布設(shè)范圍與原設(shè)計相同，縱向間距由原設(shè)計的1.2 m調(diào)整為1.0 m，并在超前小導(dǎo)管內(nèi)部穿φ18 mm螺紋鋼筋后注水泥漿。根據(jù)采取的超前加固措施，將上臺階臨近洞內(nèi)初期支護(hù)掌子面前方6 m、圍巖300 mm厚設(shè)置為超前支護(hù)參數(shù)。見下頁圖7。

圖7 參數(shù)轉(zhuǎn)化示意圖

3.2 數(shù)值試驗結(jié)果

圖8 無超前支護(hù)進(jìn)洞上臺階開挖進(jìn)尺29 m變形云圖

圖9 超前支護(hù)上臺階開挖進(jìn)尺29 m變形云圖

如圖8所示為隧道采用上下臺階方法進(jìn)行開挖，上臺階開挖進(jìn)尺29 m即對應(yīng)實際隧道掌子面開挖揭露溶洞充填物變形云圖。如圖9所示為采取超期支護(hù)措施后，以上臺階開挖進(jìn)尺29 m即對應(yīng)上臺階支護(hù)至ZK116+804，超前支護(hù)至ZK116+810，初期支護(hù)(ZK116+775～ZK116+804)僅開挖上臺階，初期支護(hù)未閉合成環(huán)前變形云圖。對比分析可以得出：采取前期冒頂處治超前支護(hù)措施后，巖溶充填物開挖得到了較大的約束控制，變形主要由冒頂垮塌向掌子面垮塌滑移轉(zhuǎn)變。

圖10 超前支護(hù)、初期支護(hù)閉合成環(huán)進(jìn)洞上臺階開挖進(jìn)尺 29 m變形云圖

如圖10所示為采取超期支護(hù)措施后，初期支護(hù)(ZK116+775～ZK116+895)閉合成環(huán)，開挖上臺階進(jìn)尺29 m，即對上臺階支護(hù)至ZK116+804變形云圖。由圖10可知，初期支護(hù)閉合成環(huán)，對控制開挖卸荷回彈底鼓起到一定程度抑制，開挖的底鼓累計變形從15～20 mm下降至10～15 mm。

圖11 超前支護(hù)、初期支護(hù)閉合成環(huán)進(jìn)洞上臺階開挖進(jìn)尺 29.5 m變形云圖

如圖11所示為采取超期支護(hù)措施后，初期支護(hù)(ZK116+775～ZK116+895)閉合成環(huán)，開挖上臺階進(jìn)尺29.5 m即對上臺階支護(hù)至ZK116+804.5變形云圖。由圖11可以分析得出，采取循環(huán)小步距開挖50 cm，掌子面開挖卸荷變形在40～60 mm，可確?，F(xiàn)場開挖安全。

4 變形控制方案及效果

4.1 變形控制方案

為安全穿越隧道淺埋段充填巖溶段，控制開挖支護(hù)變形，主要采取循環(huán)施作超前支護(hù)、開挖方法與及時初期封閉成環(huán)進(jìn)行控制。

開挖方法采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法，每循環(huán)進(jìn)尺為1榀鋼拱架間距，即≤50 cm，支護(hù)緊跟開挖面。

每循環(huán)初期支護(hù)完成后立即進(jìn)行后續(xù)仰拱開挖及填充施工，減縮全斷面初步支護(hù)封閉成環(huán)時間，對洞身范圍內(nèi)巖質(zhì)部分圍巖采用局部松動爆破開挖。

開挖初期支護(hù)完成后布置監(jiān)控斷面，進(jìn)行初期支護(hù)變形監(jiān)測。變形監(jiān)測以拱頂沉降監(jiān)測為主，收斂變形為輔。

4.2 控制效果

隧道掌子面在推進(jìn)支護(hù)后分別于ZK116+805、ZK116+810、ZK116+820處監(jiān)測斷面，其掌子面在ZK116+810穿過巖溶充填物區(qū)域，進(jìn)入中風(fēng)化灰?guī)r。ZK116+805處斷面布設(shè)三個拱頂沉降點及1條收斂測線，ZK116+810、ZK116+820處斷面布設(shè)三個拱頂沉降點。

ZK116+805處監(jiān)測數(shù)據(jù)累計拱頂沉降值、收斂值變化如圖12、圖13所示，變化速率如圖14、圖15所示。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：結(jié)構(gòu)在未封閉成環(huán)前(監(jiān)測第10 d前)，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形速率較大，拱頂沉降速率在5～25 mm/d，收斂速率在3～7 mm/d；初期支護(hù)封閉成環(huán)后，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形速率顯著下降，拱頂沉降速率在2～14 mm/d，收斂速率在1.5 mm/d以下，并逐步收斂穩(wěn)定。初期支護(hù)總體穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)變形主要以垂直變形為主，收斂變形次之。

ZK116+810、ZK116+820處累計拱頂沉降值如圖16、圖17所示。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，穿越隧道巖溶充填物后，累計沉降值從101～176 mm下降至77～96 mm，進(jìn)入弱風(fēng)化-中風(fēng)化灰?guī)r段后，累計沉降值下降至31～38 mm。

圖12 ZK116+805處斷面洞內(nèi)累計拱頂沉降變化曲線圖

圖13 ZK116+805處斷面洞內(nèi)收斂變化曲線圖

圖14 ZK116+805處斷面洞內(nèi)拱頂沉降變化速率曲線圖

圖15 ZK116+805處斷面洞內(nèi)收斂變化速率曲線圖

圖16 ZK116+810處斷面洞內(nèi)累計拱頂沉降變化曲線圖

圖17 ZK116+820處斷面洞內(nèi)累計拱頂沉降變化曲線圖

5 結(jié)語

本文針對高速公路隧道穿過巖溶充填物開挖變形機(jī)制進(jìn)行研究，提出了科學(xué)經(jīng)濟(jì)的處治方案，取得了良好效果，結(jié)論如下：

(1)該隧道淺埋段巖溶充填物開挖地質(zhì)風(fēng)險為隧道拱頂坍塌與掌子面坍塌，進(jìn)行超前支護(hù)后，開挖地質(zhì)風(fēng)險為掌子面坍塌。

(2)巖溶充填物段隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形以沉降變形為主，收斂變形次之。穿越隧道巖溶充填物后，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)累計沉降值從101～176 mm下降至77～96 mm，進(jìn)入弱風(fēng)化-中風(fēng)化灰?guī)r段后，累計沉降值下降至31～38 mm。

(3)巖溶充填物段隧道開挖初期支護(hù)未封閉成環(huán)前拱頂沉降速率為5～25 mm/d，收斂速率為3～7 mm/d；初期支護(hù)封閉成環(huán)后，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形速率顯著下降，拱頂沉降速率為2～14 mm/d，收斂速率在1.5 mm/d以下，并逐步收斂穩(wěn)定。

(4)在隧道內(nèi)對具有自穩(wěn)定性巖溶充填物，采用超前小導(dǎo)管內(nèi)插鋼筋注漿作為超前支護(hù)，循環(huán)小步距開挖，及時支護(hù)，后續(xù)跟進(jìn)仰拱閉合成環(huán)，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。