軟弱圍巖特大斷面偏壓隧道圍巖大變形控制措施探討

【摘要】

依托成都市東西城市軸線（東段）工程龍泉山二號隧道為工程背景，通過對超前小導(dǎo)管、系統(tǒng)錨桿的研究，形成了一套適用于軟弱圍巖特大斷面偏壓隧道圍巖大變形系統(tǒng)完整的組合支護(hù)方案。研究結(jié)果表明，布設(shè)整齊的超前小導(dǎo)管在掌子面前方一定范圍內(nèi)形成類似拱殼的連續(xù)體，可主動承擔(dān)上方圍巖壓力，改善掌子面圍巖受力環(huán)境，同時小導(dǎo)管提供的抗剪力、抗拉力提高了整體的抗剪、抗彎能力，穩(wěn)定了有滑移風(fēng)險的巖體；相較于短錨桿，由于長錨桿已打入穩(wěn)定巖層深處，將松動區(qū)巖塊錨固在穩(wěn)定母體中，更能充分發(fā)揮錨桿的懸吊作用；工程實踐表明，采取“4.5 m超前小導(dǎo)管+6 m中空注漿錨桿”的組合支護(hù)方案可有效控制圍巖變形，降低隧道拱頂塌方風(fēng)險。

【關(guān)鍵詞】

軟弱圍巖； 偏壓隧道； 大變形； 超前小導(dǎo)管； 組合支護(hù)方案

【中圖分類號】U456.3+1【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

［定稿日期］2023-08-01

［作者簡介］李燮（1983—），男，本科，工程師，主要從事施工技術(shù)工作。

［通信作者］任波（1987—），男，本科，工程師，主要從事工程技術(shù)工作。

0 引言

對于軟弱圍巖隧道，施工不當(dāng)極易造成掌子面失穩(wěn)塌方、初噴混凝土開裂、鋼拱架彎折等軟巖大變形誘發(fā)的不良現(xiàn)象［1-4］，嚴(yán)重影響隧道施工，威脅作業(yè)人員生命安全。

為此，國內(nèi)外眾多學(xué)者對軟巖隧道的建設(shè)展開了大量研究。王亞東［5］采用大型有限元軟件MIDAS模擬了大斷面千枚巖公路隧道開挖支護(hù)全過程，通過記錄計算過程中各測點變形歷程，研究分析了千枚巖隧道的變形規(guī)律；李子運(yùn)［6］結(jié)合數(shù)值計算、現(xiàn)場監(jiān)測及室內(nèi)試驗等多種手段研究分析了在不同圍壓下軟巖變形破壞過程，并揭示了隧道軟巖大變形孕育機(jī)理和圍巖變形特征；郭小雄［7］依托蘭渝鐵路毛羽山隧道為工程背景，采用數(shù)值計算研究分析了擠壓型軟巖隧道圍巖變形特征及破壞機(jī)理；雷明鋒等［8］借助模型試驗?zāi)M了不同偏壓角軟巖偏壓隧道的開挖卸荷行為，系統(tǒng)分析了在不同偏壓角下隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力、圍巖變形規(guī)律，并總結(jié)了淺埋偏壓隧道的最終破化特征；Bizjak等［9］采用有限差分法建立數(shù)值模型分析了軟巖隧道開挖支護(hù)后圍巖應(yīng)力場和位移場的演化規(guī)律，并分析了支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征，研究結(jié)果表明，支護(hù)時間和支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度對控制隧道拱頂沉降起著關(guān)鍵性作用。王鐵男等［10-11］結(jié)合數(shù)值分析和現(xiàn)場實測的研究手段，通過對比分析在不同注漿范圍下隧道開挖后結(jié)構(gòu)受力及圍巖變形特征比選出了超前小導(dǎo)管環(huán)向布設(shè)的最優(yōu)范圍。

綜上，國內(nèi)外大多學(xué)者對軟弱圍巖隧道的變形規(guī)律、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征等進(jìn)行了深入的研究，并取得了顯著成果，而目前專門針對軟弱圍巖特大斷面偏壓隧道圍巖大變形控制的系統(tǒng)性研究還很匱乏，提出一套系統(tǒng)完整的軟巖大變形支護(hù)體系迫在眉睫。本文依托成都市東西城市軸線（東段）工程龍泉山二號隧道為工程背景，通過對超前小導(dǎo)管、系統(tǒng)錨桿的研究，形成了一套適用于軟弱圍巖特大斷面偏壓隧道圍巖大變形系統(tǒng)完整的組合支護(hù)方案，為類似工程科學(xué)組織施工提供依據(jù)。

1 工程概況

成都市東西城市軸線（東段）工程龍泉山二號隧道進(jìn)口端為茶店鎮(zhèn)白果村，出口端為茶店鎮(zhèn)民主村，隧道設(shè)計為單洞雙向8車道，設(shè)計車速為80 km/h，隧道凈寬17.75 m，凈高5 m，掌子面最大開挖面積為231.4 m2，為國內(nèi)外罕見的特大斷面隧道。隧道左洞起止里程為LK20+935～LK23+018，左洞全長2 083 m，右洞起止里程為RK20+972～RK23+070，全長2 098 m（圖1）。

如圖1所示，隧道穿越地層巖性以中風(fēng)化—強(qiáng)風(fēng)化泥巖為主，局部夾砂巖，整體巖性較差，巖質(zhì)較軟，巖體較為破碎，圍巖等級主要為V級。開挖卸荷后，圍巖應(yīng)力集中，為避免隧道因發(fā)生軟巖大變形導(dǎo)致拱頂失穩(wěn)塌方，施工中應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。同時隧道位于構(gòu)造剝蝕低山地貌的龍泉山背斜西翼，場區(qū)起伏較大，高差懸殊，隧道洞身地質(zhì)構(gòu)造偏壓特征明顯。

2 小導(dǎo)管超前支護(hù)

2.1 超前支護(hù)選型

隧道圍巖主要為V級中風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化泥巖，巖性較差，巖質(zhì)較軟，巖體較為破碎，為避免隧道因開挖卸荷后發(fā)生軟巖大變形導(dǎo)而致拱頂失穩(wěn)塌方，施工中應(yīng)做好超前支護(hù)措施。

小導(dǎo)管作為一種常見的超前支護(hù)措施常用于隧道工程施工中［12-14］。超前小導(dǎo)管施作后，掌子面一定范圍內(nèi)圍巖位移及地表沉降可得到有效控制，這是由于在開挖之前，超前小導(dǎo)管已將掌子面前方不穩(wěn)定的巖塊連接起來，提高了松散破碎圍巖的整體性；其次，掌子面前方簡單堆積疊在一起的松散圍巖在超前支護(hù)作用下形成類似組合梁的整體，開挖卸荷后共同受力變形；同時，小導(dǎo)管提供的抗剪力、抗拉力提高了組合梁的整體抗剪、抗彎能力，穩(wěn)定了有滑移風(fēng)險的巖體，降低了掌子面失穩(wěn)坍塌風(fēng)險。小導(dǎo)管越長，開挖卸荷后拱頂沉降越小，控制效果越好，越有利于促進(jìn)隧道掌子面穩(wěn)定［15-16］。

2.2 超前小導(dǎo)管方案設(shè)計

超前小導(dǎo)管長初步設(shè)計為4.5 m，采用孔徑50 mm×5 mm的熱軋無縫鋼管，小導(dǎo)管布設(shè)范圍為拱頂120°范圍內(nèi)，均布于隧道邊墻至拱頂部分，管棚插入角初步設(shè)計為20°，環(huán)向間距為0.4 m，為方便施工，超前小導(dǎo)管前端設(shè)計為尖錐狀，整體設(shè)計如圖2所示。

2.3 現(xiàn)場工藝

2.3.1 鋼管制作

超前小導(dǎo)管長度設(shè)計為4.5 m，為方便注漿，導(dǎo)管設(shè)計為有孔鋼花管，每間隔15 cm設(shè)置8 mm孔眼，通過孔眼注漿加固周圍土體，同時，為便于施工，將鋼管前端設(shè)計為錐形，尾部焊接6 mm加筋箍，注漿時，漿液填充至尾部0.5 m范圍外，鋼管具體制作工藝如圖3所示。

2.3.2 小導(dǎo)管施工

采用氣腿式鑿巖機(jī)按照設(shè)計方向鉆孔，鉆孔到設(shè)計位置后，先用高壓風(fēng)、水清孔，然后頂進(jìn)超前小導(dǎo)管，安裝鋼筋籠，封管，注0.8∶1水泥漿液（如地下水豐富，則采用水泥水玻璃雙漿液，水泥漿與水玻璃重量比 1∶0.5），注漿完畢充填M30水泥砂漿。

工藝流程為：開挖至設(shè)計位置—鉆機(jī)就位鉆孔—鉆孔質(zhì)量檢驗—頂管—安裝止?jié){塞封孔—注漿（水泥漿或水泥水玻璃雙漿液）—注漿質(zhì)量檢驗—安裝墊板—M30砂漿充填，具體施工工藝如圖4所示。

2.3.3 小導(dǎo)管注漿

避免初始漿液濃度過高，注漿采用跳孔注漿的方式進(jìn)行，由下向上逐步注漿，注漿時還應(yīng)采用分段注漿的方式，使?jié){液分布均勻；注漿壓力設(shè)為0.5～1.0 MPa，注漿后當(dāng)注漿壓力達(dá)到2.0 MPa時停止注漿；漿液水灰比初步設(shè)置為 0.8∶1，根據(jù)注漿效果優(yōu)化調(diào)整，注漿量采用式（1）計算：

Q=klm（1+n）（1）

式中：k為加固圍巖體積；l為填充率；m為填充系數(shù)；n為損耗系數(shù)。

3 錨桿加強(qiáng)支護(hù)

3.1 強(qiáng)化支護(hù)結(jié)構(gòu)選型

為確保掌子面開挖穩(wěn)定，有效控制圍巖變形，施工過程中除了采用超前小導(dǎo)管穩(wěn)定掌子面前方圍巖外，還采取錨桿徑向加強(qiáng)支護(hù)圍巖的措施。大量研究表明錨桿具有改善圍巖力學(xué)參數(shù)，提高圍巖承載能力的作用，減少圍巖變形，可從源頭上解決軟弱圍巖大變形難題［17-18］。對于軟弱圍巖特大斷面偏壓隧道僅采用超前小導(dǎo)管單一支護(hù)措施而不能滿足現(xiàn)場需求的現(xiàn)狀，綜合考慮超前小導(dǎo)管結(jié)合錨桿的組合支護(hù)方式。

3.2 支護(hù)方案設(shè)計

工程實踐表明，長錨桿對洞周圍巖位移的控制效果更好，更能預(yù)防掌子面失穩(wěn)坍塌。這是由于短錨桿并沒有錨入穩(wěn)定巖層中，而是全部位于受開挖影響的松動區(qū)域內(nèi)，相比之下，長錨桿已打入穩(wěn)定巖層深處，將松動區(qū)巖塊錨固在穩(wěn)定母體中，更能充分發(fā)揮錨桿的懸吊作用。從錨入穩(wěn)定巖層深處的長錨桿對圍巖位移的控制效果更佳，更能有效控制掌子面上方圍巖沉降，通過現(xiàn)場錨桿參數(shù)比選，最終確定采用4.5 m超前小導(dǎo)管結(jié)合6 m中空注漿錨桿的組合支護(hù)方案。

如圖5所示，中空注漿錨桿按設(shè)計要求采用帶排氣孔的中空錨桿，擬采用雙管注漿，錨桿外徑為32 mm，呈梅花型布設(shè)，環(huán)縱間距設(shè)計為1.2 m×1.2 m，布設(shè)范圍為隧道拱墻位置，施工時垂直洞壁徑向打入。

3.3 現(xiàn)場工藝

按照設(shè)計圖紙要求布設(shè)錨桿后采用開挖臺車和鑿巖機(jī)進(jìn)行鉆孔，成孔后進(jìn)行清孔。將安裝好錨頭的中空注漿錨桿插入孔底，安裝止?jié){塞、墊板、螺母，然后連接注漿管，用注漿泵通過尾部向孔內(nèi)注漿，漿液采用水泥砂漿，注漿壓力控制在0.3～1.0 MPa。注漿順序自下而上逐根進(jìn)行，注漿后將止?jié){塞塞入鉆孔，用速凝水泥封孔防止?jié){液從端部漏出。

如圖6所示，錨桿施作具體工藝流程為：錨桿鉆孔測量放樣—鉆機(jī)就位—鉆孔角度定位—鉆孔—高壓空氣、水清孔—鉆孔質(zhì)量檢查—錨桿打設(shè)—中空錨桿注漿—安裝墊板—錨桿質(zhì)量檢查。

通過對拱頂沉降變形以及隧道洞周收斂變形的實時監(jiān)測表明，現(xiàn)場施工安全一直處于可控狀態(tài)，說明采取“4.5 m超前小導(dǎo)管+6 m中空注漿錨桿”的組合支護(hù)方案可有效控制圍巖變形，降低隧道拱頂塌方風(fēng)險，是合理可行的。

4 結(jié)束語

本文依托成都市東西城市軸線（東段）工程龍泉山二號隧道為工程背景，通過對超前小導(dǎo)管、系統(tǒng)錨桿的研究，形成了一套適用于軟弱圍巖特大斷面偏壓隧道圍巖大變形系統(tǒng)完整的組合支護(hù)方案，研究得到主要結(jié)論：

（1）超前小導(dǎo)管可事先將掌子面前方一定范圍的圍巖擠壓加固，形成一個類似拱殼的連續(xù)體，承擔(dān)上方圍巖壓力；同時小導(dǎo)管提供的抗剪力、抗拉力提高了整體的抗剪、抗彎能力，穩(wěn)定了有滑移風(fēng)險的巖體。

（2）錨桿具有改善圍巖力學(xué)參數(shù)，提高圍巖承載能力，減少圍巖變形的作用。由于長錨桿已打入穩(wěn)定巖層深處，將松動區(qū)巖塊錨固在穩(wěn)定母體中，更能充分發(fā)揮錨桿的懸吊作用，故而長錨桿對洞周圍巖位移的控制效果更好，更能預(yù)防掌子面失穩(wěn)坍塌。通過現(xiàn)場參數(shù)比選，最終確定6 m長中空注漿錨桿作為強(qiáng)化支護(hù)措施。

（3）工程實踐表明，采取“4.5 m超前小導(dǎo)管+6 m中空注漿錨桿”的組合支護(hù)方案可有效控制圍巖變形，降低隧道拱頂塌方風(fēng)險。

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