高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道大變形初期主動控制關(guān)鍵技術(shù)

周紅祖

(中國水利水電第七工程局有限公司,成都 610213)

高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道大變形控制一直是隧道施工中的一大難題,目前暫無有效的控制措施。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料檢索顯示,我國大變形典型隧道有:蘭新二線烏鞘嶺隧道[1]、蘭渝鐵路木寨嶺隧道[2]、宜萬鐵路堡鎮(zhèn)隧道[3]、滇藏鐵路哈巴雪山隧道[4]、廣成山隧道[5]等等。其中滇藏鐵路哈巴雪山隧道長9 523 m,歷時9 a時間方貫通,工期翻倍;蘭渝鐵路中木寨嶺隧道長約19 km,歷時近9 a方貫通。由于地質(zhì)條件復(fù)雜多樣性,高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道大變形帶來突泥涌水、溜塌掉塊、隧道坍塌等諸多災(zāi)害。本文以某鐵路隧道高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道出現(xiàn)初期大變形為案例,分析總結(jié)大變形機理和發(fā)展規(guī)律,找出變形原因,針對性地采取應(yīng)對措施,盡可能抑制變形量,以達(dá)到減少拱架拆換的目的,確保安全高效施工。

1 工程概況

某鐵路隧道全長17.786 km,IV圍巖長度4 360 m,占比24.51 %;Ⅴ級圍巖長度13 016 m,占比73.18 %;Ⅵ級圍巖長度410 m,占比2.31 %。根據(jù)地勘資料顯示,隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造十分強烈,巖性以含炭質(zhì)板巖為主,巖體強度低,隧道埋深較大,極易發(fā)生大變形,隧道主要穿越含炭質(zhì)板巖、灰?guī)r、砂礫巖,隧道共穿4條斷層、10條解譯斷層、1條背斜褶皺。隧道設(shè)計軟弱圍巖大變形段長11 065 m,占隧道全長的62 %;其中一級大變形長度4 29 5m,占隧道全長的24.17 %;二級大變形長度5 135 m,占隧道全長的28.90 %;三級大變形長度1 295 m,占隧道全長的7.29 %;四級大變形長度340 m,占隧道全長的1.91 %。

該隧道屬構(gòu)造剝蝕、侵蝕中高山峽谷地貌,隧址區(qū)長段穿越三疊系下統(tǒng)黨恩組,洞身主要穿越三疊系下統(tǒng)黨恩組(T/1 d)含炭質(zhì)板巖、絹云母板巖;二疊系上統(tǒng)岡達(dá)概組三段(P/3g3)中厚層狀灰?guī)r、千枚巖夾板巖;第三系熱魯組(E/2-3r)砂礫巖地層。

2 軟弱圍巖隧道大變形機理、表現(xiàn)特征及發(fā)展規(guī)律

2.1 變形機理

高地應(yīng)力、低強度、強流變的擠壓性圍巖開挖后表現(xiàn)出顯著的掌子面擠出、先行位移和后方徑向位移的時空演化過程;隨巖體流變粘性時效發(fā)展,變形持續(xù)增大,圍巖逐漸進(jìn)入粘塑性時效屈服狀態(tài)。

(1)軟弱圍巖的塑流:開挖導(dǎo)致圍巖應(yīng)力調(diào)整,應(yīng)力調(diào)整引起的擴容使巖體中原本閉合的結(jié)構(gòu)面張開滑移,以及圍巖巖體進(jìn)一步碎裂化,在改變巖體應(yīng)力狀態(tài)和強度的同時,圍巖中地下水沿張開裂隙滲流和軟化作用導(dǎo)致圍巖塑性流動,使圍巖產(chǎn)生較大的收斂位移[6]。

(2)碎裂結(jié)構(gòu)變形:圍巖層間存在著軟弱夾層,開挖卸載后,由于裂隙發(fā)育不均勻造成局部應(yīng)力集中,原本在高地應(yīng)力和自重應(yīng)力作用下閉合的節(jié)理張開、擴張,部分圍巖切割為碎裂狀,開挖時易坍塌掉塊和順層滑移;但仍有部分較完整圍巖沿層狀彎曲破壞,此時隧道破壞表現(xiàn)為彎曲、順層滑移、坍塌等組合形式[7]。

(3)散體壓密結(jié)構(gòu):圍巖較為破碎、松散,埋深較大時,受圍巖壓力及高地應(yīng)力作用,圍巖成壓密狀,由于隧道開挖后應(yīng)力釋放和重分布,導(dǎo)致原本壓實閉合的結(jié)構(gòu)面張開滑移,以及圍巖巖體進(jìn)一步碎裂化,圍巖即刻呈松散狀,圍巖的變形破壞表現(xiàn)為松動圈累進(jìn)性擴展特點。但隨著主應(yīng)力方向及側(cè)壓力系數(shù)的不同,塑性區(qū)可出現(xiàn)在洞周不同的部位,從而引起這些部位圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞,將導(dǎo)致大變形發(fā)生[8]。

2.2 變形初期表現(xiàn)特征及發(fā)展規(guī)律

2.2.1 變形初期表現(xiàn)特征

大變形初期表現(xiàn)特征主要為監(jiān)控量測變形數(shù)據(jù)大、底板隆起、初支開裂、噴混凝土剝落掉塊、鋼拱架扭曲、切斷、鎖腳U型筋切斷等。根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,邊墻單側(cè)最大變形量為364 mm,累計變形最大值為511.4 mm,日最大變形速率達(dá)82.5 mm/d,以收斂變形為主,拱頂沉降變形相對較小,初期變形分布不均勻不對稱,收斂變形持續(xù)時間長。

2.2.2 初期變形發(fā)展規(guī)律

初支開裂、噴混凝土剝落掉塊及拱架扭曲主要發(fā)生在上下臺階拱架連接板位置處,根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析,上臺階開挖支護(hù)后變形量并不大,但變形量持續(xù)小數(shù)量增長,在下臺階開挖后,仰拱初支鋼架閉環(huán)之前,該期間變形速率最大(82.5 mm/d),期間變形量占開挖至穩(wěn)定階段總變形量的70 %～90 %。仰拱初支鋼架成環(huán)后每天仍有3～5 mm的變形量,仰拱填充混凝土澆筑完成后10d左右每天仍有1～2 mm的變形,然后趨于穩(wěn)定(變形速率<1 mm/d),初期變形前后持續(xù)時間超過30d,初期變形發(fā)展規(guī)律見圖1。

圖1 初期變形發(fā)展規(guī)律

3 高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道變形原因分析

3.1 地質(zhì)原因

為了了解高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道變形原因,對該隧道分段落開展軟弱圍巖大變形試驗,先后對巖石成分、強度等進(jìn)行測試,具體情況如下。

3.1.1 巖石成分測試分析

該隧道從掌子面處取得新鮮炭質(zhì)板巖,分為5部分,分別為新鮮炭質(zhì)板巖和浸泡時間為1、3、5、7 d的炭質(zhì)板巖。對試樣進(jìn)行X-射線衍射全巖分析,測試組成炭質(zhì)板巖的成分和含量及浸泡時間對炭質(zhì)板巖成分和含量的影響,結(jié)果如圖2所示。通過X-射線衍射可以得出,該隧道的炭質(zhì)板巖主要由黏土礦物和石英組成,伴有少量的鉀長石、斜長石、方解石、白云石、菱鐵礦、硬石膏、鐵白云石和石鹽等礦物,其中黏土礦物的含量占比達(dá)到50 %,其對炭質(zhì)板巖的宏觀性質(zhì)起到了重要的作用。黏土礦物具有較強的親水性,大部分的黏土礦物具有吸水膨脹性。

新鮮炭質(zhì)板巖 浸泡時間為1 d 浸泡時間為3 d 浸泡時間為5 d 浸泡時間為7 d

3.1.2 巖石強度測試

該隧道連續(xù)10個月開展點荷載試驗,由于巖性極為軟弱、難成塊,獲得的試樣數(shù)量較少,排除4組受爆破影響的試樣,其他由點荷載獲得的巖石單軸抗壓強度最大值為10.83 MPa,最小值為0.09 MPa,數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差為2.74,平均強度為4.72 MPa,屬于極軟弱圍巖。

3.1.3 室內(nèi)三軸巖石蠕變試驗

利用軟弱圍巖真三軸實驗儀器模擬現(xiàn)場地應(yīng)力環(huán)境,通過探究不同圍巖角度開展隧道圍巖的時效蠕變試驗,探究不同巖層角度導(dǎo)致的圍巖時效變形的各向異性。初步得出結(jié)論,該隧道薄層狀板巖在一定范圍內(nèi),隨著巖層角度的增大,圍巖變形量會增加且破壞速率更快。

3.1.4 炭質(zhì)板巖疊加不良地質(zhì)

發(fā)生大變形地段為炭質(zhì)板巖或板巖,層狀中-薄層或壓碎巖及斷層影響帶受構(gòu)造影響明顯,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎或褶皺明顯,自穩(wěn)性差,巖層走向與隧道軸線夾角較小,伴隨地下水。且?guī)r層走向與隧道軸線夾角越小,變形越大。巖層層厚越薄,變形值越大,褶皺越明顯,變形值越大[9]。

3.2 設(shè)計原因

(1)拱架支護(hù)參數(shù)偏弱。設(shè)計圖紙明確的軟弱圍巖變形段支護(hù)采用I18和I20b拱架,Ⅴ級圍巖間距0.8 m,不足以抵抗軟弱圍巖大變形。

(2)鎖腳錨管及系統(tǒng)錨桿加固強度不足。鎖腳錨管采用3.5 m長,直徑42 mm的無縫鋼管;系統(tǒng)錨桿采用長度3 m,間排距1.2 m×1.2 m的低預(yù)應(yīng)力錨桿。但該隧道經(jīng)試驗測得松動圈超過5m,錨桿長度不足,對控制圍巖松弛變形不利。

(3)隧道斷面結(jié)構(gòu)不利于受力。隧道斷面結(jié)構(gòu)屬于類橢圓形而非圓形,高跨比較大,初期支護(hù)一旦出現(xiàn)內(nèi)鼓現(xiàn)象,支護(hù)抗力急劇減小,變形持續(xù)增大,支護(hù)結(jié)構(gòu)難以抵抗地應(yīng)力[9]。

3.3 施工原因

現(xiàn)場施工擾動及現(xiàn)場施工工藝控制不嚴(yán)是產(chǎn)生大變形的直接原因。現(xiàn)場爆破施工、施工超前支護(hù)、系統(tǒng)錨桿等鉆孔過程中經(jīng)常出現(xiàn)巖層擾動掉塊,現(xiàn)場支護(hù)施工不及時,封閉時間偏長等因素對軟弱圍巖松動圈影響較大,造成變形控制效果差,錯失變形控制時機導(dǎo)致變形擴大。

4 高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道大變形初期主動控制關(guān)鍵技術(shù)

結(jié)合該隧道初期變形的實際情況,現(xiàn)場出現(xiàn)大變形后,基本都采用增加橫撐、斜撐或套拱進(jìn)行臨時加固,同時增加鎖腳錨管組數(shù)、增加系統(tǒng)錨桿長度及調(diào)整錨桿間排距、加大初期支護(hù)鋼架型號、調(diào)整鋼架間距、淺層注漿等專項措施進(jìn)行處理,變形基本可以得到控制,但對工程進(jìn)度、工程安全及工程成本有較大的影響[9]。結(jié)合現(xiàn)場的試驗結(jié)果、監(jiān)控量測數(shù)據(jù)及上述加強措施,針對該隧道的施工現(xiàn)狀,確定的變形控制總原則為:“快挖快支早封閉,主動控制,初期支護(hù)寧強勿弱一次到位,以穩(wěn)為主,減少套拱,杜絕換拱,二襯適時施作,達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、高效的變形控制目的”[9]。通過該隧道大變形初期控制工程實踐,大變形初期主動控制技術(shù)歸納如下。

4.1 加強預(yù)加固措施,減少圍巖擾動

施工過程中盡可能減少引起圍巖變形的不利因素,積極主動采取保護(hù)圍巖的施工理念,以控制圍巖大變形[9],具體從以下幾個方面考慮。

(1)遵循先加固后開挖原則,采用超前支護(hù)對隧道掌子面圍巖進(jìn)行主動加固,該隧道設(shè)計給的超前支護(hù)為隧道頂拱120 °范圍內(nèi)采用長度9 m,直徑60 mm,縱向間距5.6 m,環(huán)向間距40 cm的中管棚,因?qū)浫跗扑閲鷰r超前支護(hù)效果不佳,現(xiàn)場實際采用隧道頂拱120 °(部分洞段150 °)范圍內(nèi)采用長度4m,直徑42 mm,縱向間距2.5m,環(huán)向間距20 cm(部分破碎圍巖按10 cm控制)的小導(dǎo)管代替中管棚,短小導(dǎo)管外插角度較中管棚更易控制,支護(hù)效果更好,工效更高且更經(jīng)濟(jì)。

(2)嚴(yán)格控制軟弱圍巖大變形段落一次性開挖進(jìn)尺和爆破單響藥量,做到短進(jìn)尺、快循環(huán)、弱爆破,一方面減少圍巖暴露時間,另一方面減少對圍巖的擾動,對大變形有較好的抑制作用。

(3)針對軟弱圍巖大變形段落盡可能采用銑挖機、旋挖機、鷹鉤機、破碎錘、振動錘、反鏟等非爆破方式開挖,既可以有效控制超挖又可以減小對圍巖的擾動,但該方式工效偏低,需要進(jìn)一步調(diào)研。

4.2 規(guī)范工法,仰拱初支盡早閉環(huán)

針對軟弱圍巖大變形段落,短臺階開挖工法較長臺階更有利于控制大變形。短臺階開挖工法主要有微臺階(兩臺階)及三臺階法,微臺階工法的臺階長度3～5m,三臺階法的臺階長度5～8 m。因臺階長度較短,仰拱初支可控制在20 m范圍內(nèi)跟進(jìn)掌子面同步施作,盡快讓上部拱架、中部拱架及底拱拱架形成閉環(huán),與圍巖一起形成拱效應(yīng),有效減緩圍巖大變形速率,實現(xiàn)快挖快支早封閉的目的。

4.3 根據(jù)地質(zhì)特點實時調(diào)整支護(hù)參數(shù)

通過分析軟弱圍巖大變形段落圍巖巖性、產(chǎn)狀、地下水等,據(jù)實調(diào)整圍巖級別,遵循主動控制,寧強勿弱的初期支護(hù)原則,實時調(diào)整加強支護(hù)參數(shù),確保施工安全。因大變形段落,圍巖變化頻繁,且受圍巖級別、巖性、產(chǎn)狀及地下水等因素疊加影響,支護(hù)參數(shù)不能根據(jù)單一指標(biāo)一概而論。該隧道結(jié)合監(jiān)控量測數(shù)據(jù),考慮圍巖級別、巖性、產(chǎn)狀等,通過分段試驗確定不同組合下的支護(hù)參數(shù),為后續(xù)大變形提供依據(jù)。例如,在一級大變形Ⅴ級圍巖緩傾角段落,設(shè)計給的I18@80 cm拱架、兩組3.5m長直徑42 mm的鎖腳錨管、3 m長間排距1.2 m×1.2 m的低預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)錨桿等支護(hù)參數(shù)足以抵抗圍巖擠壓力;但在一級大變形Ⅴ級圍巖片狀薄層陡傾角,略有滲水段落,全環(huán)采用I22b@60 cm拱架、四組5m長直徑60 mm的鎖腳錨管、5m長間排距1.2 m×0.6 m的低預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)錨桿等支護(hù)參數(shù),仍無法抑制大變形,現(xiàn)場出現(xiàn)變形量持續(xù)增加,拱架扭曲等大變形典型特征。最終將I22b拱架換成HW175型拱架,其他參數(shù)不變的情況下,該段落變形才得到抑制。

4.4 預(yù)留合理變形量,及時加強支護(hù),減少換拱

針對大變形段落,預(yù)留變形量非常有必要,但預(yù)留多少變形量很難把握,預(yù)留多了變形量未達(dá)到則增加成本,預(yù)留少了變形量超標(biāo)則要換拱,既影響進(jìn)度、增加成本又帶來安全隱患。預(yù)留變形量可參考的依據(jù)唯有監(jiān)控量測數(shù)據(jù),結(jié)合圍巖情況,通過連續(xù)大量監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析,找出變形趨勢進(jìn)行預(yù)判,但在施工過程中,需實時關(guān)注監(jiān)控量測數(shù)據(jù),一旦數(shù)據(jù)異常則加強措施進(jìn)行控制。如:該隧道預(yù)留變形量建立預(yù)警機制,當(dāng)預(yù)留變形量小于10 cm時及時預(yù)警,立即采取錨桿、鎖腳、注漿、套拱等加強措施,確保初支不侵限,不換拱,并及時調(diào)整后續(xù)支護(hù)措施。

4.5 適時施作二襯是控制軟弱圍巖大變形的關(guān)鍵

軟弱圍巖大變形持續(xù)時間長,二襯澆筑不宜過早,過早會造成二襯提前受力,承受過大荷載則易出現(xiàn)二襯開裂;也不宜太晚,太晚會造成圍巖出現(xiàn)二次變形,支護(hù)結(jié)構(gòu)變形過大,造成坍塌。很多情況下圍巖的變形速率還達(dá)不到小于1 mm/d(單線隧道)的要求,但預(yù)留變形量不能滿足變形要求或安全步距(<70 m)不能滿足要求時,如果再持續(xù)變形將會侵限換拱或不澆筑二襯安全步距將會超標(biāo)逼停掌子面。在以上情況出現(xiàn)時,需及時進(jìn)行四方現(xiàn)場會勘,采取施工緩沖層等支護(hù)措施,提高支護(hù)體系抗變形能力,提前施作二襯確保變形穩(wěn)定、安全步距等滿足要求。

上述措施在軟弱圍巖大變形段落得以應(yīng)用并行之有效,但還需要規(guī)范施工,在有地下水段要及時引排,防止含炭質(zhì)板巖浸泡軟化,造成承載力下降等,確保每項措施落實到位,這也是保證大變形初期主動控制的重要因素[9]。

5 結(jié)語

我們初期對高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道大變形初期主動控制認(rèn)識不足,但通過大變形原因分析和工程實踐,發(fā)現(xiàn)該隧道大變形不可避免但可采取措施進(jìn)行控制。該隧道經(jīng)國內(nèi)多名院士、專家問診把脈后,大多偏向“主動控制”理念,隨著工程進(jìn)度,隧道埋深增大,變形量持續(xù)積累,隧道變形控制難度越來越大,我們秉承“主動控制”理念,后續(xù)繼續(xù)從調(diào)整隧道斷面形式、增設(shè)雙層拱架、深層錨索支護(hù)、變形段徑向淺層預(yù)固結(jié)注漿等方面入手,繼續(xù)探究高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道大變形主動控制關(guān)鍵技術(shù)。