公路隧道項(xiàng)目掘進(jìn)強(qiáng)風(fēng)化破碎帶的施工技術(shù)分析

陳 鵬

（貴州路橋集團(tuán)有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550001）

0 引言

隧道開(kāi)挖后圍巖成拱作用降低，穿越破碎帶施工易引發(fā)隧道圍巖塌陷和結(jié)構(gòu)變形，導(dǎo)致隧道失穩(wěn)，故穿越隧道破碎帶施工成為項(xiàng)目施工的關(guān)鍵難點(diǎn)。強(qiáng)風(fēng)化破碎帶、斷層破碎帶常見(jiàn)于隧道開(kāi)挖施工中，該文基于某公路隧道項(xiàng)目施工實(shí)例，對(duì)隧道穿越強(qiáng)風(fēng)化破碎帶的施工技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了分析。

1 工程概況

某公路隧道項(xiàng)目全程4.3 km，最大埋深262 m。項(xiàng)目位于山嶺重丘區(qū)域，沿線穿越泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r、白云灰?guī)r，巖體伴不同程度裂隙。該項(xiàng)目隧道圍巖為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r向泥質(zhì)灰?guī)r過(guò)渡階段，巖體含泥量豐富，發(fā)育有不同程度的裂隙，易破碎程度高。隧道開(kāi)挖至ZK8+348段現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，斷面拱頂沉降值為89 mm，接近100 mm 的預(yù)留空間，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況和地質(zhì)特點(diǎn)，經(jīng)施工、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、承建等不同單位現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)后，確定該區(qū)域泥質(zhì)灰?guī)r達(dá)到了強(qiáng)風(fēng)化水平，且該區(qū)域裂隙發(fā)育，認(rèn)定其為泥質(zhì)灰?guī)r強(qiáng)風(fēng)化破碎帶。基于現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)結(jié)果，原項(xiàng)目初期施工方案與支護(hù)參數(shù)不達(dá)標(biāo)，不符合現(xiàn)場(chǎng)施工開(kāi)挖需求，需對(duì)施工方案與支護(hù)參數(shù)加以調(diào)整以滿足施工穿越強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r破碎帶的需求。

2 施工及支護(hù)方案確定

2.1 施工方案

目標(biāo)施工段巖層裂隙明顯發(fā)育。施工段位于強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r破碎帶，隧道開(kāi)挖后基巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受損，區(qū)域內(nèi)地下水發(fā)育。調(diào)整后的施工方案與支護(hù)參數(shù)在滿足隧道項(xiàng)目施工安全的基礎(chǔ)上，還應(yīng)精簡(jiǎn)工序，提高施工便捷程度，從而合理控制項(xiàng)目成本支出。現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)結(jié)果顯示隧道開(kāi)挖跨度為12.86 m，開(kāi)挖高度達(dá)10.3 m，目標(biāo)區(qū)域裂隙發(fā)育顯著，強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r結(jié)構(gòu)伴豐富地下水層，基于項(xiàng)目實(shí)地情況分析不同施工方案可行性，最終確定三臺(tái)階法施工。結(jié)合三臺(tái)階法施工方案，臺(tái)階長(zhǎng)度確定為4~6 m，針對(duì)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)完成封閉并及時(shí)設(shè)置系統(tǒng)錨桿支撐與鋼架支護(hù)，滿足系統(tǒng)支撐強(qiáng)度需求，同時(shí)以C25 混凝土噴射使其厚度符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[1]。

2.2 支護(hù)方案

（1）超前支護(hù)。強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r破碎帶圍巖結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖壓力迅速增加，為提高施工安全性可于施工開(kāi)挖前于開(kāi)挖圍巖前方，以超前小導(dǎo)管注漿加固。小導(dǎo)管型號(hào)為長(zhǎng)4 m 壁厚4 mm 的直徑42 mm 無(wú)縫鋼管，間距為25 cm，控制外散角10~13°，并將其均勻布設(shè)于供頂部[2]。

（2）初期支護(hù)。以厚度為26 cm 的C25 型噴層混凝土完成封閉型初期支護(hù)，控制網(wǎng)格尺寸為20 cm×20 cm，型鋼拱架選I20b 型，控制間距60 cm，采用梅花形布設(shè)中空系統(tǒng)錨桿，其長(zhǎng)度為4 m。為加強(qiáng)支護(hù)，將預(yù)留變形量增加至12 cm，相比于原設(shè)計(jì)方案，初期支護(hù)沿開(kāi)挖輪廓完成封閉，改善初期支護(hù)強(qiáng)度同時(shí)提高整體承載力，確保支護(hù)結(jié)構(gòu)變形能力符合施工需求[3]。

（3）二次襯砌。以C30 型鋼筋混凝土完成防水襯砌，襯砌厚度為50 cm。

3 隧道施工效果數(shù)值模擬

采用FLAC 分析軟件完成三維數(shù)值建模，評(píng)估改善支護(hù)參數(shù)之后應(yīng)用三臺(tái)階法施工的安全性，對(duì)方案調(diào)整前后施工情況進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 數(shù)值計(jì)算模型

巖體材料有顆粒性，假定圍巖初期支護(hù)材料性質(zhì)相同且顆粒性質(zhì)一致以便于后續(xù)研究與計(jì)算，假定超前支護(hù)加固和圍巖支護(hù)中應(yīng)用的巖體材料均為理想彈塑性材料，即目標(biāo)材料滿足摩爾捧侖屈服準(zhǔn)則。計(jì)算中，將鋼拱架提供的間接支護(hù)作用考慮在內(nèi)并忽略可能存在的鋼筋網(wǎng)為彈性材料提供的支撐力[4]。

將超前注漿小導(dǎo)管對(duì)掌子面圍巖的加固作用認(rèn)定為均勻加固區(qū)，并借助相關(guān)力學(xué)指標(biāo)來(lái)分析其作用。隧道支護(hù)系統(tǒng)錨桿借助Cable 單元模擬，并借助FLAc 實(shí)體單元模型進(jìn)行圍巖和初期支護(hù)環(huán)節(jié)的模擬，借助模型來(lái)進(jìn)行模擬不同操作單元。

3.2 模擬施工過(guò)程

為提高數(shù)值運(yùn)算的準(zhǔn)確性，數(shù)值模擬需與施工實(shí)際情況相吻合，以三臺(tái)階法進(jìn)行初期支護(hù)并于開(kāi)挖完畢后實(shí)施本部支護(hù)施工。根據(jù)模擬計(jì)算，臺(tái)階長(zhǎng)度為4.2 m，保持施工環(huán)節(jié)開(kāi)挖面與仰拱閉合間距小于24 m，初期支護(hù)仰拱的施工長(zhǎng)度約3.6 m。初期支護(hù)中需對(duì)計(jì)算步進(jìn)行開(kāi)挖以模擬隧道開(kāi)挖過(guò)程中地應(yīng)力的釋放過(guò)程。以新奧法為基礎(chǔ)，隧道開(kāi)挖過(guò)程中的主要承載結(jié)構(gòu)為初期支護(hù)，施工環(huán)節(jié)二次襯砌需于隧道穩(wěn)定后施工，模型計(jì)算中并未將該部分內(nèi)容考慮在內(nèi)[5-6]。

3.3 計(jì)算參數(shù)

基于施工場(chǎng)地地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果，準(zhǔn)確評(píng)估物理力學(xué)指標(biāo)以確定施工參數(shù)，結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)調(diào)整拱部圍巖注漿標(biāo)準(zhǔn)，參數(shù)情況如表1 所示。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

將施工中模型中斷面作為研究對(duì)象，分析隧道施工過(guò)程中的圍巖變形特點(diǎn)及支護(hù)受力結(jié)構(gòu)情況，結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)三臺(tái)階法施工情況進(jìn)行評(píng)估，判斷項(xiàng)目施工可行性與安全性。

（1）隧道變形。以隧道施工數(shù)值計(jì)算模型的結(jié)果對(duì)隧道變形性進(jìn)行評(píng)估，結(jié)合數(shù)據(jù)分析可知，影響隧道拱頂沉降的因素眾多，項(xiàng)目最終沉降值為30.8 m，上中下臺(tái)階的最大收斂值隨其收斂水平增大而增加，確定其最大值為40.1 m。

（2）初支結(jié)構(gòu)主應(yīng)力。支護(hù)初期，噴混凝土強(qiáng)度值與剛度值均小于鋼拱架提供的水平，早期圍巖結(jié)構(gòu)壓力多集中在鋼拱架，故支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值為2.76 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于C25 噴混凝土的抗拉強(qiáng)度值2.0 MPa，但由于鋼拱架承擔(dān)了大多數(shù)壓力，故噴混凝土層實(shí)際有較高的安全性。最大初期支護(hù)壓應(yīng)力水平為11.4 MPa，小于最大抗壓極限值，故該項(xiàng)目初期支護(hù)方案的安全性突出。

（3）錨桿應(yīng)力。以數(shù)值計(jì)算模型為基礎(chǔ)，結(jié)合應(yīng)力云圖模擬斷面臺(tái)階錨桿應(yīng)力水平，可知兩側(cè)錨桿中部應(yīng)力值最大，可能與其水平收斂位移較大有關(guān)，該處最大拉應(yīng)力水平為235.6 MPa，未達(dá)到錨桿的抗拉屈服最大強(qiáng)度值。

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 超前支護(hù)施工

采用密排超前注漿小導(dǎo)管加固的方案控制掌子面地層位移，從而改善圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。于超前注漿小導(dǎo)管設(shè)計(jì)位置用潛孔鉆機(jī)在鋼架腹板割孔，孔徑約80 mm，鉆孔完畢后迅速將小導(dǎo)管插入并注漿。導(dǎo)管設(shè)計(jì)位置前端多于10 cm 處設(shè)計(jì)為圓錐狀以便于小導(dǎo)管順利置入鉆孔內(nèi)，同時(shí)在鋼管尾部焊接直徑6 mm 的鋼筋箍。用快硬水泥封堵小導(dǎo)管孔口，封堵長(zhǎng)度需大于15 cm 并借助跳孔方案完成紙漿，注意避免注漿環(huán)節(jié)相鄰孔口出現(xiàn)躥漿。注漿中需以地層吃漿量為基準(zhǔn)對(duì)漿液水灰比進(jìn)行適度調(diào)節(jié)，選擇合理的焊接方式將鋼管尾部焊接在鋼拱架。

4.2 隧道開(kāi)挖及支護(hù)施工

以小導(dǎo)管注漿，凝固后完成三臺(tái)階法施工，借助小爆破、機(jī)械開(kāi)挖完成開(kāi)挖施工，并控制開(kāi)挖進(jìn)尺為0.6 m。完成各階開(kāi)挖后將8 mm 直徑的鋼筋網(wǎng)掛設(shè)完畢并初噴混凝土5 cm 后安裝系統(tǒng)錨桿，保持間距1 m 利用直徑22 mm 的螺紋鋼將相鄰榀鋼架內(nèi)外翼緣牢固焊接，保證鋼架空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的同時(shí)，通過(guò)后續(xù)噴混凝土使其厚度達(dá)標(biāo)。鋼架兩側(cè)底部配備注漿鎖腳錨管并于開(kāi)挖支護(hù)施工完畢后進(jìn)行封閉。

5 監(jiān)控量測(cè)

5.1 測(cè)點(diǎn)布置

于ZK8+332 斷面分別設(shè)置鋼筋應(yīng)力計(jì)和壓力盒，同時(shí)設(shè)置拱頂沉降觀測(cè)點(diǎn)對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的拱頂沉降狀態(tài)與支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀況進(jìn)行分析，詳見(jiàn)圖1 所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置

5.2 圍巖壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果

圍巖壓力與時(shí)間變化曲線如圖2 所示。對(duì)圖2 分析可知，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的圍巖壓力水平初期增速較大，隨著工序進(jìn)展，封閉支護(hù)后各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的圍巖壓力值變化幅度降低，壓力水平逐漸趨于穩(wěn)定。供頂部圍巖壓力水平較高，隨著圍巖壓應(yīng)力場(chǎng)變化，后續(xù)安裝的監(jiān)測(cè)點(diǎn)獲得數(shù)據(jù)顯示圍巖壓力水平較小，最終測(cè)量結(jié)果略小于公式計(jì)算值。

圖2 圍巖壓力隨時(shí)間變化曲線

5.3 鋼架外翼緣應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果

鋼拱架外翼緣應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系如圖3 所示。安裝初期，鋼拱架應(yīng)力水平不斷增加且后期施工階段應(yīng)力被釋放，支護(hù)封閉完成后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值不斷趨于穩(wěn)定。分析不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力水平可知，鋼拱架拱部應(yīng)力水平最大，其最大水平為81 MPa。

圖3 鋼拱架翼緣應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

5.4 拱頂沉降

斷面ZK8+332 拱頂沉降曲線如圖4 所示，上臺(tái)架開(kāi)挖之后拱部沉降水平不斷加大，后續(xù)持續(xù)開(kāi)挖進(jìn)程中，拱頂沉降隨著施工進(jìn)展不斷增大。支護(hù)封閉完畢后，鋼拱架拱頂處沉降水平不斷減小并穩(wěn)定，檢測(cè)結(jié)果顯示其最終沉降值為35.4 mm，略高于模擬值水平。

圖4 隧道拱頂沉降曲線

分析隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力、變形情況，該研究所選施工方案及施工參數(shù)可行性高，隧道穿越強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r破碎帶施工安全。

6 結(jié)論

綜上所述，該隧道項(xiàng)目穿越強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r破碎帶施工實(shí)踐，存在部分圍巖坍塌和支護(hù)噴混凝土開(kāi)裂現(xiàn)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查對(duì)隧道施工方案進(jìn)行了調(diào)整，最終確定了三臺(tái)階法施工。施工過(guò)程中通過(guò)加強(qiáng)超前加固及初期支護(hù)方案，具體措施為：

（1）強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r破碎帶結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖壓力迅速增加，采用開(kāi)挖面前方圍巖超前小導(dǎo)管注漿加固方案處置。

（2）應(yīng)用26 cm 厚C25 噴混凝土層聯(lián)合封閉型初期支護(hù)方案，將預(yù)留變形量增加至12 cm。

（3）二次襯砌。以C30 型50 cm 厚鋼筋混凝土進(jìn)行二次襯砌，相比于原支護(hù)方案，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)整體剛度水平與穩(wěn)定性明顯提升，支護(hù)結(jié)構(gòu)抵抗圍巖變形能力增強(qiáng)。