公路隧道軟巖大變形及支護(hù)施工技術(shù)

何成素

(中鐵建云南投資有限公司，云南 昆明 650000)

1 工程概況

木寨嶺公路隧道位于甘肅省岷縣梅川鎮(zhèn)，采用分離式結(jié)構(gòu)，進(jìn)出、出口分別設(shè)置為削竹式、端墻式。左線長(zhǎng)15 221 m，右線長(zhǎng)15 163 m，設(shè)置3條施工配套斜井裝置，并基于現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)條件采取針對(duì)性的縱向射流通風(fēng)措施，以此改善隧道內(nèi)部的施工環(huán)境。此外，配套照明、消防及監(jiān)控設(shè)施，提供基礎(chǔ)條件保障。隧址穿越多條折皺、斷裂構(gòu)造區(qū)域，隧道主要以炭質(zhì)頁(yè)巖、板巖為主，隧道部分段落炭質(zhì)板巖段存在高地應(yīng)力、大變形特征，遇水易崩解軟化，圍巖穩(wěn)定性極差，缺乏足夠的自穩(wěn)能力，是施工中的主要干擾因素。

2 公路隧道軟弱圍巖變形特征

1)軟巖隧道變形的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，產(chǎn)生的塑性變形量較大。

2)圍巖變形的流變特征突出，時(shí)間效應(yīng)和空間效應(yīng)均較為明顯，產(chǎn)生的變形量持續(xù)積累，難以有效收斂，因此有垮塌的風(fēng)險(xiǎn)。

3)軟巖對(duì)卸荷松動(dòng)、施工震動(dòng)的抵抗能力不足，加之隧道開(kāi)挖等環(huán)節(jié)的擾動(dòng)性影響，將加劇圍巖的變形量。

4)隧道圍巖變形具有并發(fā)性，例如出現(xiàn)拱頂下沉、邊墻收斂、隧道坍塌、噴射混凝土開(kāi)裂，環(huán)、縱向裂縫，拱架內(nèi)鼓、扭曲等問(wèn)題，明顯加大工程施工難度，潛在諸多質(zhì)量隱患和安全隱患。

3 公路隧道軟巖大變形支護(hù)施工技術(shù)

3.1 大變形體征

木寨嶺隧道自2016年7月以來(lái)，大部分地段出現(xiàn)大變形，最大變形達(dá)1 062 mm，最大變形速率達(dá)150 mm/d，噴混凝土剝落，拱架扭曲，初支結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重。對(duì)于大變形段進(jìn)行了大范圍拆換拱架，局部地段甚至多次拆換，10個(gè)月僅完成開(kāi)挖支護(hù)200余m。

3.2 變形成因及影響因素

1)巖性的影響因素。該地段炭質(zhì)板巖板狀構(gòu)造，變晶結(jié)構(gòu)，主要成分砂質(zhì)、鈣質(zhì)、炭質(zhì)、鐵質(zhì)等，含石英細(xì)粒，裂隙、節(jié)理發(fā)育，遇水易軟化，微膨脹。炭質(zhì)板巖的力學(xué)特點(diǎn)及微膨脹性，導(dǎo)致隧道開(kāi)挖形成臨空面后，巖體易發(fā)生塑性變形而擠入隧道，加大支護(hù)結(jié)構(gòu)的荷載，從而誘發(fā)大變形。

2)支護(hù)參數(shù)對(duì)變形的影響?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，在符合大變形巖性特征地段采用常規(guī)支護(hù)參數(shù)的結(jié)構(gòu)大都發(fā)生了大變形現(xiàn)象，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用加大剛架型號(hào)、優(yōu)化斷面形式等加強(qiáng)措施后，變形控制情況有較大改善，部分地段由于變形持續(xù)發(fā)展突破限值后，經(jīng)采取套拱或拆換拱架等措施后大多趨于穩(wěn)定。

3)地下水對(duì)變形的影響。由于地下水在軟巖中的出露會(huì)加速巖體的崩解，迅速降低其承載力，因此地下水發(fā)育軟巖地段變形速率和變形量都較大，地下水對(duì)變形影響顯著。

4)施工工藝的影響。施工過(guò)程中，初期支護(hù)施工工藝也是變形控制的影響因素之一，拱架安設(shè)不平順、連接不牢固、超挖及錨桿、噴射混凝土等都會(huì)對(duì)變形發(fā)展起到推波助瀾的作用。

綜上所述，大變形產(chǎn)生的原因由多種因素組成，可以總結(jié)如下：①高地應(yīng)力、軟巖是擠壓性變形的內(nèi)因；②施工擾動(dòng)是擠壓性變形的外因；③支護(hù)強(qiáng)度不足、施工工藝控制不力是產(chǎn)生擠壓大變形的直接原因；④擠壓現(xiàn)象實(shí)質(zhì)是一種變形速率快、收斂速率慢的巖體非線性流變，黏塑性變形導(dǎo)致巖體長(zhǎng)期強(qiáng)度值降低；⑤高地應(yīng)力軟巖應(yīng)力擴(kuò)容膨脹是擠壓變性的重要組成部分，而軟巖物化膨脹加劇了隧道擠壓變形；⑥水的弱化作用不可忽視。

3.3 施工過(guò)程控制

結(jié)合前期斜井及正洞變形段實(shí)際情況，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及科研階段成果，針對(duì)支護(hù)參數(shù)、施工工藝控制、工法等進(jìn)行了分階段調(diào)整與優(yōu)化，以避免侵限，杜絕拆換。支護(hù)參數(shù)在斜井工程實(shí)踐和試驗(yàn)研究中逐步優(yōu)化。

第一次：I18拱架全環(huán)設(shè)置，系統(tǒng)錨桿3.5 m，噴射混凝土23 cm，超前小導(dǎo)管4 m，仰拱45 cm，C35鋼筋混凝土。炭質(zhì)板巖多為薄層，強(qiáng)風(fēng)化，局部中厚層，巖體破碎，褶皺扭曲，局部滲水，I8型鋼拱架應(yīng)用初期變形基本可控，隨著斜井深入及地質(zhì)惡化變形逐漸增大。本段平均變形161.63 mm，最大變形378.81 mm(K0+250—300)，72個(gè)量測(cè)斷面中收斂變形大于150 mm的斷面有37個(gè)，占51.39%。初支拱架封閉成環(huán)，局部圍巖較差地段采用I20b型鋼拱架，及時(shí)封閉變形為150～200 mm，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，及時(shí)注漿，增設(shè)錨桿變形>200 mm，增設(shè)套拱。

第二次：I20b拱架全環(huán)設(shè)置，拱部：3.5～4 m，Φ22 mm組合中空錨桿，邊墻：3.5～4 m，長(zhǎng)4 m、Φ22 mm全長(zhǎng)粘結(jié)型砂漿錨桿，C35鋼筋混凝土。炭質(zhì)板巖，弱風(fēng)化，薄層，局部中厚層，巖體破碎，地下水發(fā)育，最大涌水量25～26 m3/h。炭質(zhì)板巖遇水后力學(xué)性能大幅下降，圍巖極易發(fā)生變形、坍塌、掉塊。(K0+350—450)段初支以I20b型鋼為主，水平收斂變形超150 mm的段落長(zhǎng)達(dá)105 m，二次支護(hù)段落長(zhǎng)84 m，前期變形發(fā)展迅速，經(jīng)二次支護(hù)后變形基本得以有效控制。

第三次：H150拱架全環(huán)設(shè)置，拱部：長(zhǎng)4 m、Φ22組合中空錨桿，邊墻：長(zhǎng)4 m、Φ22全長(zhǎng)粘結(jié)型砂漿錨桿C35鋼筋混凝土。隨著隧道埋深增加，圍巖壓力進(jìn)一步增大，同時(shí)出現(xiàn)泥化夾層，導(dǎo)致圍巖整體穩(wěn)定性降低。以全環(huán)H150型鋼拱架為主，平均變形271.43 mm，前期，斜(K0+550—600)段變形超150 mm段落長(zhǎng)165 m，套拱段長(zhǎng)50 m，變形基本可控；進(jìn)入斜145～070斜后，變形呈增大趨勢(shì)，經(jīng)采取加強(qiáng)措施后變形仍未有效控制，套拱長(zhǎng)度60 m。

第四次：HW175型拱架全環(huán)設(shè)置，間距0.5～0.8 m，拱部：長(zhǎng)4 m、Φ22 mm組合中空錨桿，邊墻：長(zhǎng)4 m、Φ22全長(zhǎng)粘結(jié)型砂漿錨桿C35鋼筋混凝土。斜(K1+210-790)副聯(lián)段以炭質(zhì)板巖為主，弱風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化，局部夾砂巖，褶皺扭曲，局部有黑色軟泥夾層及滲水鑒于前段大變形，采用正洞斷面進(jìn)行模擬試驗(yàn)。由于臨近正洞，地質(zhì)極差，施工過(guò)程中變形仍較大，平均變形達(dá)379.77 mm，最大變形726.44 mm斜(K1+310—400)，局部拆換拱。通過(guò)該試驗(yàn)段，對(duì)早高強(qiáng)混凝土、深孔錨桿等變形控制措施進(jìn)行了試驗(yàn)，并取得了較好效果，確定了正洞軟巖段支護(hù)參數(shù)以HW175型鋼拱架為主的總體思路。

經(jīng)過(guò)幾個(gè)階段的調(diào)整與優(yōu)化，變形控制逐漸由前期的“被動(dòng)抗”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃?dòng)控”，大部分地段的變形得到了較為有效的控制，施工生產(chǎn)也逐步穩(wěn)定。

3.4 隧道支護(hù)

3.4.1 支護(hù)形式

1)加強(qiáng)鎖腳及鎖固。施工中上臺(tái)階變形最大，往往呈現(xiàn)出初期變形快的特點(diǎn)，導(dǎo)致上中臺(tái)階拱架連接困難，進(jìn)一步加劇變形發(fā)展。上臺(tái)階拱腳初期變形為變形控制的重點(diǎn)，必須加強(qiáng)鎖腳，必要時(shí)可增至2～3組(2根/組)

2)鎖固錨桿。由于拱腳處經(jīng)鎖腳錨桿約束，致使該處應(yīng)力過(guò)于集中，往往出現(xiàn)拱架節(jié)點(diǎn)破壞，因此，同時(shí)設(shè)置拱架鎖固錨桿于拱架連接板之間，并固定于拱架上，使拱架受力更趨均勻，避免拱架節(jié)點(diǎn)處因應(yīng)力集中而破壞。

3)徑向注漿。鑒于炭質(zhì)板巖或板巖原狀地層可注性不強(qiáng)，開(kāi)挖后僅施作注漿管，據(jù)變形情況適時(shí)注漿補(bǔ)強(qiáng)，達(dá)到較理想的效果。通常大變形地段，將其納入工序根據(jù)變形等級(jí)管理，在變形達(dá)到一定程度時(shí)適時(shí)注漿，既具有一定的可注性，又可最大程度遏制變形。

4)長(zhǎng)錨桿。結(jié)合松動(dòng)圈測(cè)試及施工實(shí)踐，大變形地段采用7 m長(zhǎng)自進(jìn)式錨桿，以加強(qiáng)拱架與圍巖的連接力，與拱架、鎖腳、注漿等措施共同形成初期支護(hù)體系。一般設(shè)置于邊墻位置，雙線隧道必要時(shí)設(shè)置為鎖腳錨桿，水平向下打設(shè)。采用自進(jìn)式，工效較低，對(duì)施工影響大，通過(guò)錨桿鉆機(jī)調(diào)研及改裝，在木寨嶺隧道2#斜井進(jìn)行了試驗(yàn)，工效得到了一定的提高；統(tǒng)籌安排工序作業(yè)，可與立拱與錨噴平行作業(yè)，盡量減少對(duì)施工的影響。

5)臨時(shí)橫撐。施工中嚴(yán)格按變形控制標(biāo)準(zhǔn)適時(shí)施作，使受擾動(dòng)圍巖在橫撐的約束下盡快完成應(yīng)力調(diào)整達(dá)到新的平衡，同時(shí)為其他補(bǔ)強(qiáng)措施爭(zhēng)取時(shí)間，避免拆換，拆除前應(yīng)進(jìn)行注漿補(bǔ)強(qiáng)。

6)工法、工藝控制?？紤]到H175型鋼重量大、兩臺(tái)階施工時(shí)間長(zhǎng)等因素，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖以三臺(tái)階為主，臺(tái)階長(zhǎng)度5 m左右，必要時(shí)上臺(tái)階預(yù)留核心土，可做到快封閉。工序化注漿，注漿補(bǔ)強(qiáng)納入工序管理，在上、中臺(tái)階拱架安設(shè)后施作邊墻徑向注漿管，既避免了后期鉆設(shè)注漿管無(wú)作業(yè)平臺(tái)的困難，還能保證注漿作業(yè)及時(shí)進(jìn)行。

3.4.2 二次支護(hù)施工時(shí)間的選擇

軟巖隧道二襯施工時(shí)間的選擇尤為重要，通常在圍巖應(yīng)力、塑性區(qū)及變形速率趨于穩(wěn)定后施工二次支護(hù)結(jié)構(gòu)，原因在于此時(shí)圍巖的膨脹變形在前期已經(jīng)經(jīng)過(guò)充分的釋放，圍巖所具備的承載力無(wú)明顯損失，整個(gè)圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)相對(duì)較好(進(jìn)入等速蠕變階段)?？筛鶕?jù)隧道表面位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)而定，根據(jù)數(shù)據(jù)做出判斷，待表面位移速率趨于平緩時(shí)施作二次支護(hù)。

3.4.3 隧道支護(hù)注意事項(xiàng)

1)開(kāi)挖后隨即初噴混凝土，嚴(yán)格控制開(kāi)挖間距，從而封閉圍巖。隨后，按照要求將錨桿、鋼筋網(wǎng)及鋼架設(shè)置到位，再以分層的方式復(fù)噴。

2)各系統(tǒng)錨桿處均配套合適尺寸的鋼墊板，并以焊接的方法將其與鋼筋網(wǎng)、鋼架穩(wěn)定結(jié)合于一體，提高整體穩(wěn)定性，避免偏位。

3)有效處理鋼架接頭，避免接頭布設(shè)在同一截面鋼架拱部節(jié)點(diǎn)受力薄弱處。

4)施工中充分考慮各向異性，針對(duì)薄弱部位做補(bǔ)強(qiáng)處理，提高整體穩(wěn)定性。軟弱圍巖的變形以及受損最初見(jiàn)于某處或多處，后續(xù)將由于控制不當(dāng)而向周邊擴(kuò)展，從而破壞整個(gè)支護(hù)體系的穩(wěn)定性。因此，隧道開(kāi)挖后隨即加強(qiáng)地質(zhì)檢查，對(duì)巖體變形破壞的主要因素做出判斷，識(shí)別隧道應(yīng)力集中的區(qū)域，再對(duì)此類部位采取加強(qiáng)支護(hù)措施，消除應(yīng)力集中所造成的不良影響。

5)注漿也是隧道施工中的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，在完成注漿作業(yè)后可借助漿液封堵圍巖裂隙，消除水的滲漏通道，以免因滲漏水而破壞軟弱圍巖的穩(wěn)定性。針對(duì)活動(dòng)斷裂帶，處理時(shí)可采取帷幕注漿的方法，使得圍巖堵水加固效果突出。

3.5 大變形控制關(guān)鍵技術(shù)

堅(jiān)持“以抗為主，控放結(jié)合”的原則，木寨嶺隧道以大剛度的H175型鋼拱架為主，結(jié)合圍巖地質(zhì)變化適度調(diào)整拱架間距和預(yù)留變形量，按照變形管理等級(jí)，適時(shí)施作注漿補(bǔ)強(qiáng)、長(zhǎng)錨桿、鎖腳與鎖固錨桿、臨時(shí)橫撐等各項(xiàng)控變措施。

1)結(jié)合量測(cè)數(shù)據(jù)分析與地質(zhì)情況預(yù)測(cè)變形發(fā)展，按照變形控制工藝要求及時(shí)施作各項(xiàng)措施，并對(duì)變形趨勢(shì)異常之處提高管理等級(jí)，以此提高支護(hù)剛度來(lái)降低隧道位移。

2)拱部鋼管棚注漿加固地層并超前支護(hù)，拱墻設(shè)系統(tǒng)長(zhǎng)錨桿，錨桿采用加長(zhǎng)中空注漿錨桿，必要時(shí)采用長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力徑向錨桿；掌子面正面噴射混凝土封閉，架設(shè)全環(huán)鋼架、掛網(wǎng)噴錨加強(qiáng)支護(hù)，采用錨、注、噴一體化圍巖加固-支護(hù)系統(tǒng)，設(shè)底部橫撐或臨時(shí)仰拱，提高隧道抗擠壓，抗變形的強(qiáng)度。嚴(yán)格按超前及初期支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行施工。

3)加大預(yù)留變形量。為了防止噴層變形后侵入二次襯砌的凈空，開(kāi)挖時(shí)加大預(yù)留變形量，另外采取了不均衡預(yù)留變形量技術(shù)[1]。

4)施工支護(hù)采用“先柔后剛、先放后抗、剛?cè)岵?jì)”原則，使初期支護(hù)能適應(yīng)大變形的特點(diǎn)。

5)及時(shí)封閉仰拱特別是仰拱初支，是減小變形、提高圍巖穩(wěn)定性的措施之一；另外加大仰拱厚度，增大仰拱曲率，也有利于改善受力狀況。

6)根據(jù)隧道始終存在順層偏壓的特點(diǎn)和順層巖層施工力學(xué)行為分析，確定地質(zhì)順層情況下巖石傾角對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響，采取了不均衡預(yù)留變形量技術(shù)，不對(duì)稱支護(hù)措施，短進(jìn)尺，微震爆破開(kāi)挖，防坍塌。強(qiáng)支護(hù)，快封閉，仰拱緊跟對(duì)穩(wěn)定支護(hù)的作用很大，保持仰拱、二次襯砌緊跟，盡量縮短仰拱、二襯到掌子面步距。采用間隔空眼、微差爆破技術(shù)以及左右側(cè)不均衡裝藥爆破技術(shù)，盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)[2]。

7)全過(guò)程實(shí)施施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作。綜合應(yīng)用超前鉆孔探測(cè)、TSP203地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)等多種方法，從地層特性、結(jié)構(gòu)面特征、圍巖應(yīng)力、地下水四個(gè)角度切入，系統(tǒng)性分析各自對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響。對(duì)于可溶巖地段斷層、高壓富水地段等性質(zhì)較為特殊、脆弱性較強(qiáng)的部分則加大探測(cè)力度，準(zhǔn)確掌握實(shí)際情況[3]。對(duì)于高地應(yīng)力軟弱圍巖，規(guī)范探測(cè)方法、準(zhǔn)確分析，進(jìn)行圍巖級(jí)別的判定與修正，根據(jù)所掌握的信息判斷圍巖級(jí)別的具體特征，據(jù)此組織設(shè)計(jì)工作。

8)加強(qiáng)圍巖監(jiān)控量測(cè)。以軟巖變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為主要的分析對(duì)象，綜合考慮圍巖的特性以及變形特征，建立具有適用性的圍巖變形管理基準(zhǔn)作為工作的引導(dǎo)。從監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)出發(fā)，判斷隧道的穩(wěn)定程度，同時(shí)基于數(shù)據(jù)做動(dòng)態(tài)化的設(shè)計(jì)，確保成型的設(shè)計(jì)方案與現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件相適應(yīng)，在監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生變化后適時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

軟弱圍巖地質(zhì)條件特殊，加強(qiáng)處理具有必要性。通過(guò)本文有關(guān)工程實(shí)例的分析，提出了軟弱圍巖大變形的基本特點(diǎn)，并闡述了實(shí)際施工中應(yīng)注重的關(guān)鍵支護(hù)技術(shù)要點(diǎn)，希望本文內(nèi)容可以給類似工程提供參考，以此充分保證公路隧道施工安全，在此前提下達(dá)到提質(zhì)量、增效率、創(chuàng)效益的效果。

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