復(fù)雜軟弱圍巖低瓦斯隧道大變形綜合處置技術(shù)研究

李萬勇，劉漢明，唐 皓，陳雙龍，陳 豪

(四川省交通建設(shè)集團股份有限公司市政分公司，四川 成都 610000)

0 前 言

對于隧道圍巖大變形的預(yù)測是大變形研究和操作中最薄弱的環(huán)節(jié)，地應(yīng)力測試困難復(fù)雜，參數(shù)不易獲取[1-3]，而且當前隧道設(shè)計對高地應(yīng)力條件下軟弱圍巖大變形沒有做出比較明確的規(guī)定，施工規(guī)范也只是指導性的。

長期以來，常采取強剛性支護參數(shù)，采用全斷面的強支護來達到抑制變形的目的，支護成本較高[4-18]，因此，對于軟巖大變形隧道應(yīng)改變傳統(tǒng)的“全斷面”治理思維模式，而應(yīng)該根據(jù)全方位的地質(zhì)面貌與應(yīng)力變形數(shù)據(jù)，開展針對性的、選擇性的強支處理措施，在滿足大變形支護要求的同時降低成本。

本文以工程為對象、工藝為核心，總結(jié)出了“初支動態(tài)應(yīng)力變形監(jiān)測”與“綜合物探分析，洞內(nèi)外結(jié)合、長短預(yù)測結(jié)合，物性參數(shù)互補”兩個監(jiān)測控制核心要點，建立綜合預(yù)報工作體系，對巖層大變形、地應(yīng)力、開挖方法進行數(shù)據(jù)模擬分析、對比與評判，動態(tài)調(diào)整初支及二襯結(jié)構(gòu)形式與支護參數(shù)，實現(xiàn)單側(cè)、局部的非對稱加強支護與補強，控制圍巖大變形。

1 依托工程概況

河曲隧道部分施工段深埋超200 m，屬于深埋圍巖，施工開挖過程中軟巖可能變形較大，為保證軟弱圍巖大變形段安全、順利、快速并保證質(zhì)量地通過，提出軟弱圍巖大變形隧道的施工措施。

該施工段設(shè)計為Ⅳ級圍巖，為粉砂質(zhì)泥巖，薄層狀構(gòu)造為主，屬較軟～軟巖，巖體較為完整，局部構(gòu)造裂隙較發(fā)育，局部夾少量砂巖。拱頂易出現(xiàn)沿層面及節(jié)理切割塊體(層面控制)塌落，在設(shè)計和施工中應(yīng)加強支護。地下水以水狀、淋雨狀為主，局部為股狀，在節(jié)理密集帶可能發(fā)生集中涌水災(zāi)害。設(shè)計采用WFZ4C型襯砌支護，初期支護采用I14工字鋼，縱向間距100 cm；預(yù)留沉降量6 cm；C25噴射混凝土厚20 cm；Φ22藥卷系統(tǒng)錨桿長度2.5 m；Φ8鋼筋網(wǎng)片@25 cm；超前注漿單層Φ42×4小導管，環(huán)向間距40 cm；C30混凝土40 cm厚。工程重點及難點為。

1)該段屬高地應(yīng)力條件下軟弱圍巖的大變形。在變形初期，不僅變形的絕對值很大，而且變形速度也很大。如果不進行治理或治理不及時，就有可能發(fā)生大變形導致的塌方，或者初期支護侵入隧道凈空，造成二次破壞。

2)對大變形的預(yù)測很重要，但這又恰好是大變形研究和操作中最薄弱的環(huán)節(jié)，地應(yīng)力測試困難復(fù)雜，參數(shù)不易獲取，而且當前隧道設(shè)計對高地應(yīng)力條件下軟弱圍巖大變形沒有做出比較明確的規(guī)定，施工規(guī)范也只是指導性的，只有零星地見到各種科研結(jié)果，但這種科研結(jié)果非常有針對性，只針對某座隧道而言，適用性不強。

3)河曲隧道左線ZK99+620段隧道富水，在高地應(yīng)力下圍巖軟弱破碎，使其支護難度提高，變形更難控制。

4)河曲隧道工期異常緊張，在圍巖較差的情況下，要保證施工進度，軟質(zhì)圍巖預(yù)支護和初期支護量大，工序多，難以實現(xiàn)快速施工。

5)從軟弱圍巖大變形隧道的施工經(jīng)驗來看，應(yīng)通過現(xiàn)場監(jiān)測和測量結(jié)果對支護參數(shù)進行驗證和調(diào)整，以驗證和調(diào)整預(yù)設(shè)計，監(jiān)控量測主要是位移監(jiān)測和應(yīng)力監(jiān)測，應(yīng)力監(jiān)測技術(shù)較復(fù)雜。

2 適用范圍及工藝原理

本技術(shù)初支監(jiān)測見圖1，單測鎖腳與注漿見圖2，初支監(jiān)測布置見圖3。

圖1 初支監(jiān)測

圖2 單側(cè)鎖腳與注漿

圖3 初支監(jiān)測布置

本技術(shù)屬于隧道技術(shù)領(lǐng)域，主要適用于破碎、高壓、富水地區(qū)隧道和地下工程施工開挖前的超前預(yù)測預(yù)報與大變形超前控制，實現(xiàn)局部支護補強，其他不良地質(zhì)地段也可參照使用。

本技術(shù)以地質(zhì)分析與動態(tài)監(jiān)測為核心，總結(jié)出“初支動態(tài)應(yīng)力變形監(jiān)測”與“地質(zhì)物探分析，洞內(nèi)外結(jié)合、長短預(yù)測結(jié)合，物性參數(shù)互補”兩個監(jiān)測控制核心要點，結(jié)合初支拱架動態(tài)應(yīng)力變形監(jiān)測與綜合地質(zhì)預(yù)報，對巖層大變形、地應(yīng)力、開挖方法進行數(shù)據(jù)分析、對比與評判，利用數(shù)據(jù)分析，預(yù)先動態(tài)調(diào)整初支與二襯結(jié)構(gòu)形式與支護參數(shù)。

利用大變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，精確定位圍巖大變形位置，有針對性地開展單側(cè)、局部的非對稱加強支護與補強，例如加強局部濕噴混凝土厚度、拱墻鋼筋網(wǎng)、拱墻錨桿直徑與長度、初支鋼架型號、在內(nèi)力突變位置打設(shè)單側(cè)鎖腳錨桿補強等，實現(xiàn)初支的非對稱支護。局部強支護與弱支護協(xié)同作業(yè)，相比全斷面統(tǒng)一的強支護措施，大大降低大變形隧道支護成本。

3 施工工藝及操作要點

3.1 工程地質(zhì)調(diào)查

進行隧道工程地質(zhì)調(diào)查，將隧道工程地質(zhì)調(diào)查列為隧道超前地質(zhì)預(yù)報必不可少的一道工序；收集與評價隧道的主要地質(zhì)問題，判定超前地質(zhì)預(yù)報的關(guān)鍵隧道段；其次是對隧道已開挖段進行地質(zhì)編錄，掌握隧道工程地質(zhì)變化情況；必要時輔以隧道工程地質(zhì)測繪。

3.2 綜合地質(zhì)預(yù)報

1)地質(zhì)雷達。在隧洞施工掌子面進行表面雷達探測，探測掌子面前方15～30 m以內(nèi)，最大距離不超過30 m深度范圍內(nèi)的不良地質(zhì)情況(斷層、溶洞、含水等不良地質(zhì)情況)。

2)超前鉆探。采用全液壓專用鉆探鉆機，完全適用于瓦斯隧道的超前瓦斯(地質(zhì))鉆探工作。利用鈷屑法對隧道前方的地質(zhì)情況進行分析和判斷，如煤層、瓦斯的賦存情況，同時利用鉆機鉆探時所表現(xiàn)的狀態(tài)性質(zhì)可以對隧道前方的斷層、溶洞、暗河、圍巖軟硬及巖性進行判斷，初步掌握隧道前方地質(zhì)構(gòu)造的里程位置，還利用返漿流量的變化初步判斷前方圍巖的地下水情況，從而采取相應(yīng)措施保證施工的安全。

為了考察超前探測鉆孔前方巖體的瓦斯賦存情況，在鉆孔施工完成后，對鉆孔前方巖體的瓦斯壓力、瓦斯涌出量、瓦斯衰減系數(shù)進行測量研究。

3.3 初支應(yīng)力與變形監(jiān)測

1)鋼架內(nèi)力及外力。斷面鋼架應(yīng)力測量限于Ⅳ級和Ⅴ級圍巖斷面，每隔200～500 m設(shè)置一個測量斷面，每個斷面設(shè)置3組測點，如圖4所示。

圖4 初支監(jiān)測

2)圍巖壓力。在圍巖與支護、兩層支護時間埋設(shè)壓力傳感器以了解圍巖壓力的大小和分布。在每個測量斷面中，嵌入9個壓力盒，分別為拱頂1個，左右拱腳各1個，左右邊墻各1個，拱腳與拱頂間3個。

3)錨桿軸力。錨桿應(yīng)力測量使用的主要儀器是應(yīng)力傳感器和頻率測量儀器，應(yīng)力傳感器由若干個鋼筋應(yīng)力傳感器串聯(lián)而成，用于觀察初始應(yīng)力變化和二次應(yīng)力的形成和變化，其分布如圖5所示。

圖5 錨桿應(yīng)力計的布置及傳感器在錨桿上的分布

5)支護、襯砌內(nèi)應(yīng)力。噴射混凝土的應(yīng)力測點布置在位移測量的同一截面上，沿隧道拱頂、拱腰和側(cè)壁在噴射混凝土內(nèi)埋設(shè)5個混凝土應(yīng)變計。圍巖初噴后，將應(yīng)變片固定在初噴面上，然后復(fù)噴將傳感器完全蓋住，待噴射混凝土達到初凝時開始讀數(shù)。

3.4 初支狀態(tài)綜合判析

對上述各種預(yù)測方法得到的數(shù)據(jù)進行總結(jié)、分析和比較，提出最終的預(yù)測結(jié)論和工程措施建議，確定下一步預(yù)測方案和工作計劃。

3.5 大變形處治(單側(cè)加強)

在圍巖條件較差情況下，鋼拱架作為隧道初期支護中主要受力結(jié)構(gòu)，并具有較高的承載性能，從內(nèi)力分布監(jiān)測反映出隧道某側(cè)段拱腳處存在較大的受力，相應(yīng)地立即加強拱腳的支護，可采取二次噴射混凝土或增加鎖腳錨桿(見圖6)。采取上述措施后，方可進行下臺階和仰拱施工，徹底封閉圍巖。

圖6 單側(cè)鎖腳與注漿

3.6 預(yù)報與監(jiān)測驗證

預(yù)報驗證的工作步驟可按“預(yù)報一驗證一總結(jié)一再預(yù)報一再驗證一再總結(jié)”循環(huán)模式進行，安排相對較為固定的地質(zhì)人員駐扎施工現(xiàn)場，對隧道開挖后的掌子面地質(zhì)實況進行持續(xù)跟進地質(zhì)編錄，編錄工作可在每次爆破出渣完成后進行，將預(yù)報地質(zhì)情況與開挖地質(zhì)情況按照隧道里程對應(yīng)記錄，附在CAD縱斷面圖下，并將監(jiān)測情況與開挖地質(zhì)實況對比分析，總結(jié)和改進預(yù)報操作，持續(xù)提高監(jiān)測與預(yù)報精度。

4 技術(shù)特點

1)通過地質(zhì)探測與初支應(yīng)力、變形實時監(jiān)控，采取單側(cè)局部的非對稱加強支護與補強，局部強支護與弱支護協(xié)同作業(yè)，相比全斷面統(tǒng)一的強支護措施，大大降低了支護成本。

2)本技術(shù)建立的綜合預(yù)報工作體系具有洞內(nèi)外結(jié)合、長短預(yù)測結(jié)合，物性參數(shù)互補的特點，實現(xiàn)超前探測成果的多源信息化評判。

3)通過初支應(yīng)力與變形監(jiān)測，數(shù)據(jù)處理直觀、監(jiān)測數(shù)據(jù)準確，適用各種復(fù)雜地質(zhì)下隧道施工及監(jiān)控。

4)通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的超前模擬分析、對比與評判，可實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整初支及二襯結(jié)構(gòu)形式與支護參數(shù)，實現(xiàn)預(yù)報與施工的動態(tài)結(jié)合。

5)通過“預(yù)報+驗證”綜合分析來實時確定預(yù)報等級，根據(jù)地質(zhì)情況的危害程度分等級進行預(yù)報的工作模式，相比常規(guī)的計劃預(yù)報模式，保證了預(yù)報效果。

5 效益分析

1)技術(shù)效益。本技術(shù)提出的初支動態(tài)監(jiān)測與綜合預(yù)報方法體系，通過“預(yù)報+驗證”綜合分析來實時確定預(yù)報等級，通過初支應(yīng)力與變形監(jiān)測，數(shù)據(jù)處理直觀、監(jiān)測數(shù)據(jù)準確，通過數(shù)據(jù)對高地應(yīng)力分析與現(xiàn)場實踐相結(jié)合的手段，適用各種復(fù)雜地質(zhì)下隧道施工及監(jiān)控，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的超前模擬分析、對比與評判，可實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整初支及二襯結(jié)構(gòu)形式與支護參數(shù)，實現(xiàn)預(yù)報與施工的動態(tài)結(jié)合。

2)經(jīng)濟效益。本技術(shù)初支動態(tài)監(jiān)測雖然花費一定的費用、占用一定的施工時間，但其在后期支護材料節(jié)省上的意義十分巨大，通過地質(zhì)探測與初支應(yīng)力、變形實時監(jiān)控，采取單側(cè)局部的非對稱加強支護與補強，局部強支護與弱支護協(xié)同作業(yè)，相比全斷面統(tǒng)一的強支護措施，大大降低了支護成本。

3)社會效益。本項技術(shù)解決了高地應(yīng)力軟巖隧道在施工中遇到的施工大變形監(jiān)測與支護問題，使隧道大變形得到提前控制，節(jié)省了成本，有效地降低安全風險并己逐漸得到應(yīng)用和推廣。此項技術(shù)的研究成果，將為類似隧道工程的施工打下堅實基礎(chǔ)，提供寶貴的經(jīng)驗，值得推廣應(yīng)用。

6 應(yīng)用實例

1)樂山至西昌高速公路馬邊至昭覺段工程S2-1項目。本工程河曲隧道位于四川省涼山州美姑縣巴普鎮(zhèn)巴古鄉(xiāng)境內(nèi)，進口位于巴普鎮(zhèn)灑勒村，進口位于巴姑鄉(xiāng)勒布村，采用分離式雙洞布置。本隧道位于兩斷層交匯處北側(cè)，隧道進、進口外設(shè)計線路均與洪溪—美姑斷層相交，隧道進口外斷層與路線交于美姑河支流酒勒那達河，約k96+940(ZK96+990)處，進口外斷層與路線交于美姑河谷，約K97+700(ZK97+700)樁號處。本隧道穿越須家河組地層，地層巖性以粉砂質(zhì)泥巖、砂巖為主，局部夾炭質(zhì)泥巖或薄層煤線，呈黑色～深灰色，具污手特征，具有一定生成瓦斯能力，為低瓦斯隧道。ZK96+571～ZK96+604；K96+404～K96+475不良地段：2020年9月13日—2020年9月25日，左、右洞開挖支護從ZK96+571～ZK96+604；K96+404～K96+475段落時，11組監(jiān)控量測數(shù)據(jù)發(fā)生變化，ZK96+570；ZK96+580；ZK96+590；ZK96+600；K96+410；K96+420；K96+430；K96+450；K96+460；K96+470；左洞最大收斂值為58.67 mm；右洞最大收斂值為62.55 mm。

該工程采用本文技術(shù)，提出的初支動態(tài)監(jiān)測與綜合預(yù)報方法體系，通過“預(yù)報+驗證”綜合分析來實時確定預(yù)報等級，通過初支應(yīng)力與變形檢測，數(shù)據(jù)處理直觀、監(jiān)測數(shù)據(jù)準確，通過數(shù)據(jù)對高地應(yīng)力、軟巖分析與現(xiàn)場實踐相結(jié)合的手段，適用各種復(fù)雜地質(zhì)下隧道施工及監(jiān)控，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的超前模擬分析、對比與評判，可實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整初支及二襯結(jié)構(gòu)形式與支護參數(shù)，實現(xiàn)預(yù)報與施工的動態(tài)結(jié)合。

2)G4216線新金段高速公路XJ11標。G4216線新金段高速公路XJ11標，起于涼山州雷波縣海灣鄉(xiāng)海灣村，止于雷波縣錦城鎮(zhèn)柳口村，施工里程K56+840～K64+490(含雷波服務(wù)區(qū))，管轄主線長7.65 km。主要結(jié)構(gòu)物包括向陽隧道(1/2)、黑林坳隧道、米田隧道、西邊溝右線大橋、忘神坡右線大橋和忘神坡左線大橋。設(shè)計雙向四車道，設(shè)計時速80 km，施工段內(nèi)橋隧比58.5%。合同總工期44個月，造價約9.10億元。

該工程采用本文技術(shù)：①以地質(zhì)分析與動態(tài)監(jiān)測為核心，根據(jù)全方位的地質(zhì)面貌與應(yīng)力變形數(shù)據(jù)，建立綜合預(yù)報工作體系；②對巖層大變形、地應(yīng)力、開挖方法進行數(shù)據(jù)模擬分析、對比與評判，動態(tài)調(diào)整初支及二襯結(jié)構(gòu)形式與支護參數(shù)，實現(xiàn)單側(cè)、局部的非對稱加強支護與補強，控制圍巖大變形，局部強支護與弱支護協(xié)同作業(yè)，相比全斷面統(tǒng)一的強支護措施，大大降低支護成本；③根據(jù)初支應(yīng)力與變形數(shù)據(jù)，動態(tài)調(diào)整初期支護的設(shè)計參數(shù)，有針對性地局部調(diào)整與補強濕噴混凝土厚度、拱墻鋼筋網(wǎng)、拱墻錨桿直徑與長度、初支鋼架型號等，在內(nèi)力突變位置打設(shè)單側(cè)鎖腳錨桿補強，實現(xiàn)初支的非對稱支護。

7 結(jié) 論

本文依托結(jié)合樂山至西昌高速公路馬邊至昭覺段工程S2-1項目河曲隧道大變形防治，闡述了復(fù)雜軟弱圍巖低瓦斯隧道大變形綜合處置技術(shù)，得到了以下結(jié)論。

1)結(jié)合初支拱架動態(tài)應(yīng)力變形監(jiān)測與綜合地質(zhì)預(yù)報技術(shù)，對巖層大變形、地應(yīng)力、開挖方法進行數(shù)據(jù)分析、對比與評判，預(yù)先動態(tài)調(diào)整初支與二襯結(jié)構(gòu)形式與支護參數(shù)。

2)大變形隧道局部補強技術(shù)，利用大變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，定位圍巖大變形位置，針對性開展單側(cè)、局部的非對稱加強支護與補強。

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