某隧道堆積體出洞段大變形控制與侵限處治研究

摘要：文章通過對某隧道堆積體出洞段的圍巖變形侵限與變形機制進行分析，并結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)空間情況，提出大變形侵限與處治應對綜合處治措施。研究表明：堆積體段落換拱后圍巖仍存在較大的變形，應充分考慮預留變形，避免再次初支侵限，套拱后應及時采用木楔頂緊，使復拱對初支發(fā)揮有效支撐；對堆積體隧道需要換拱應破除原支護兩榀鋼架間噴射混凝土，施作超前小導管對拱部120°范圍內(nèi)拱頂區(qū)域進行加強預支護，換拱后對換拱部位以上的鋼架施作鎖腳錨管，再將換拱部位的鋼架拆除；大鋼管進行鎖腳對下半拱開挖以及上半拱已施工未閉環(huán)的初支圍巖變形能力具有強約束，在較軟弱大變形地層較適用；大變形段落的鋼架間縱向連接采用高強的連接可為拱架充分抵抗變形提供良好支持。

關鍵詞：隧道；開挖變形；變形控制；堆積體

中文分類號：U456.3+1A431414

0引言

隨著我國高速公路里程的增長，受山區(qū)地形限制，隧道建設的規(guī)模越來越大，選線不可避免地需要穿越不良地質(zhì)，特別是無法避讓的堆積體區(qū)域。堆積體的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)特點、變形特點、力學特性因地而異，對隧道施工安全以及結(jié)構(gòu)受力具有較大的不良影響，若處治不當，將對隧道后期運營安全構(gòu)成重大威脅。戴武等［1］以火鳳山隧道堆積體地層條件下的隧道洞口段為背景，采用有限差分三維計算模型，對三臺階法、CD法和CRD法等工法進行數(shù)值開挖模擬，分析不同施工工法下圍巖應力分布及變形規(guī)律，提出適用于散巖堆積體地層條件下的隧道洞口段施工工法。鄭俊清等［2］對雷公浦小凈距隧道出口段的較厚堆積，選取K70+520斷面進行數(shù)值模擬研究，指出在坍塌堆積圍巖條件下采用三臺階法進洞存在穩(wěn)定性問題。王運周等［3］以西部山區(qū)覆蓋大量松散崩塌堆積體的某公路隧道為背景，利用振弦式傳感器監(jiān)測隧道初支與二次襯砌間接觸應力和二襯混凝土應變，并對覆蓋松散堆積體二襯受力特性進行了分析。昝文博等［4］采用三維彈塑性有限元法研究了堆積體隧道圍巖和支襯體系受力空間變化規(guī)律，通過模擬隧道施工過程，研究周邊圍巖和支護結(jié)構(gòu)應力隨掌子面開挖的變化過程，并對隧道開挖時不同部位的圍巖擾動、支襯體系空間力學特性進行了分析。朱正國等［5］以蘭渝鐵路倉園隧道穿越的泥石流堆積體為背景，對隧道基底常用處理方法進行比較分析，采用數(shù)值試驗模擬隧道施工過程力學行為特性及基底加固處理效果，提出采用樹根樁進行隧道基底加固，以控制泥石流體隧道施工變形。胡恩來［6］采用數(shù)值模擬研究了錨桿長度對維持散巖堆積體中隧道洞口段穩(wěn)定性的影響，認為錨桿越長，錨桿的軸力就越大，對圍巖的錨固效果就越好，并對初支應力有一定的改善；拱頂?shù)氖芾^桿對拱頂?shù)某两涤行》纳?，但是邊墻處受壓，錨桿對洞周水平收斂約束效果不甚明顯。謝亦朋等［7］依托云南羅打拉隧道，基于Monte-Carlo隨機原理，結(jié)合數(shù)字圖像處理技術，建立了考慮接觸面單元及抗拉強度的堆積體地層隧道開挖細觀結(jié)構(gòu)模型，探討了隧道開挖引起的堆積體圍巖變形、破壞過程以及失穩(wěn)機制。肖建章等［8］針對某高速公路大型堆積體圍巖隧道施工中出現(xiàn)的拱頂塌方情況，采用大型室內(nèi)飽和固結(jié)排水剪試驗獲得堆積體力學參數(shù)，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測和設計方案，利用三維數(shù)值模擬方法模擬了上下臺階法，三臺階分步開挖法及單側(cè)壁導坑法等方案施工過程，并對各方案進行了對比分析。唐和青等［9］依托云南華坪至麗江高速公路上的某隧道工程，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場測試，分析對比鎖腳錨管以不同參數(shù)施工時，支護結(jié)構(gòu)的拱頂下沉與水平收斂情況。于京波等［10］為解決高原鐵路某隧道進口淺埋偏壓坡積土與泥石流堆積混合帶Ⅵ級圍巖易坍塌、易滑坡、進洞難的問題，采用“大管棚+抗滑樁+旋噴樁+渡槽+懸臂掘進機開挖”綜合方法，有效確保隧道安全進洞。陶志剛等［11］基于隧道和邊坡實際幾何特征和空間展布特征，以深圳部九窩棄土場堆積體構(gòu)建上覆松散堆積體邊坡的物理模型，開展了降雨條件下大斷面隧道下穿開挖與未開挖兩種工況的物理模型對比試驗，探討隧道下穿開挖擾動影響松散堆積體邊坡的變形機理。

本文通過對某隧道堆積體出洞段的圍巖變形造成二襯空間侵限以及變形機制進行分析，并結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)空間情況，提出大變形二襯空間侵限應對處治措施，為類似地質(zhì)環(huán)境條件隧道施工提供參考。

1工程背景

某高速公路隧道設計為分離式雙洞隧道。隧道左洞起訖樁號為ZK32+092～2K32+732，長640 m，最大埋深約150 m；右洞起訖樁號為K32+072～K32+670，長598 m，最大埋深約152 m（見圖1）。隧道單洞跨徑即開挖斷面凈寬為13.76 m，斷面開挖面積約110 m2。隧道左、右線開挖掘進從出口端向進口端施工推進。

隧道進出口均位于山體斜坡上，其中隧道進口段圍巖主要為粉質(zhì)黏土混碎石、塊石土組成的堆積土，最大厚度為13 m，下伏強風化至中風化砂巖，夾泥巖、頁巖或與泥巖、頁巖互層。巖質(zhì)極軟至較軟，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體極破碎至較破碎，圍巖穩(wěn)定性極差。隧址區(qū)域地下水動態(tài)隨季節(jié)變化大，洞內(nèi)一般以潮濕或點滴狀出水。隧道施工以右洞作為先行洞，從出口端向進口端開挖掘進。隧道右洞上臺階開挖至K32+101 m后掌子面停止開挖掘進，從進口端進行隧道貫通開挖，貫通前已提前完成隧道進口端的套拱與管棚、仰坡防護施工，隧道貫通開挖采用三臺階預留核心土法機械開挖方式進行。

隧道右洞上臺階貫通后，由于隧道進口端未設置棄土場，圍巖體主要為堆積體，因此中臺階的開挖采用機械開挖的方式從出口端向進口端進行。2022-12-27，隧道在K32+101進行中臺階開挖時，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)K32+103出現(xiàn)拱頂速率急劇增加的現(xiàn)象，該斷面的單日拱頂沉降變形量達80 mm，各參建單位高度重視，立即停止隧道開挖工作。為防止變形進一步加劇，隨后于2022-12-29分別增加施作K32+119～K32+101段中臺階與K32+101～K32+083上臺階臨時仰拱，臨時仰拱采用C25混凝土澆筑20 cm；對已開挖中臺階的K32+119～K32+101段增加臨時套拱，套拱采用I14號工字鋼，間距為1 m。施作臨時仰拱與套拱后沉降與收斂變形速率顯著下降。臨時仰拱與套拱完成后因春節(jié)放假停工30 d，節(jié)后復工進行圍巖變形監(jiān)測發(fā)現(xiàn)K32+127～K32+083段拱頂部位累計拱頂沉降部分斷面最大達255 mm，由于預留開挖變形量為150 mm，開展侵限核測發(fā)現(xiàn)隧道實際穿越堆積體段落K32+127～K32+077中的K32+127～K32+120段初期支護出現(xiàn)了局部侵限，K32+120～K32+077段初期支護基本整體出現(xiàn)侵限，侵限程度由大里程往小里程加劇，其中K32+120拱頂部位最大侵限為3.1 cm，K32+110拱頂部位最大侵限為17.4 cm，K32+100拱頂部位最大侵限為19.8 cm，K32+90拱頂部位最大侵限為40 cm，K32+083拱頂部位最大侵限為50.8 cm。

2變形機制分析

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，該段大變形主要以整體沉降為主，如圖2所示為K32+103斷面監(jiān)測曲線，收斂累計為75.2 mm，拱頂左中右沉降位移分別為224.1 mm、202 mm、184 mm。結(jié)合現(xiàn)場圍巖實際施工以及節(jié)假期間氣候情況，推測發(fā)生累計大變形的主要原因是隧道穿越的圍巖為堆積體，圍巖自承載能力較弱，隧道開挖后由于未及時形成封閉成環(huán)的初期支護結(jié)構(gòu)，對圍巖變形約束較弱，隨著圍巖松動圈向外擴展以及大氣中水汽入滲進一步減弱圍巖自承載能力，長時間發(fā)生變形未能進行及時處治，變形累計產(chǎn)生圍巖大變形，局部段落由于大變形累計超過預留變形繼而出現(xiàn)初期支護結(jié)構(gòu)侵限。

3大變形控制與侵限處治

針對隧道穿越堆積體段落K32+127～K32+077段初期支護結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的大變形以及初期支護侵限情況，為避免結(jié)構(gòu)進一步變形惡化引起支護結(jié)構(gòu)以及圍巖垮塌，并為后期隧道施工作業(yè)環(huán)境提供保障，臨時對K32+077～K32+108段在前期已經(jīng)施作臨時仰拱基礎上增加復拱。復拱采用I18工字鋼，工字鋼的縱向間距≤1 m，鋼架與原初期支護間隙采用木楔頂緊，使復拱對原初期支護結(jié)構(gòu)有效支撐，提高初期支護整體抗變形能力。同時，對圍巖進行徑向注漿加固，徑向注漿采用長L=3.5 m，42 mm×4 mm鋼管，管壁四周開8 mm壓漿孔≥3排。注漿小導管布置在拱頂附近區(qū)域，以拱頂為對稱軸左右兩側(cè)分別布置，環(huán)向間距為1.5 m，每環(huán)布置12根，前后環(huán)錯開布置，前后環(huán)間距1 m，注漿漿液采用水灰比≤1∶2的硅酸鹽水泥凈漿（摻5%水玻璃）。

對后期隧道穿越堆積體段落，為防治換拱后圍巖再次發(fā)生大變形，導致初期支護再次侵限，對隧道穿越堆積體段落圍巖大變形處治采取方案如下：

（1）對K32+127～K32+120段僅需要進行局部換拱段落下臺階增加鎖腳，鎖腳采用89 mm×6 mm的大鋼管，長度L=9 m。如圖3所示。

（2）對需要整體換拱段K32+120～K32+077段，換拱開挖預留變形量調(diào)整為25 cm，換拱后初期支護鋼拱架型號采用Ⅰ22b工字鋼，鋼拱架縱向間距50 cm。

（3）整體換拱段換拱后初期支護上臺階鎖腳采用89 mm×6 mm大鋼管，長L=6 m；下臺階鎖腳采用89 mm×6 mm大鋼管，長L=9 m；仰拱鎖腳采用42 mm×4 mm鋼管，長L=4.5 m。如圖4所示。

（4）整體換拱段I22b鋼拱架縱向兩環(huán)間采用I14工字鋼于腰板焊接進行縱向連接，環(huán)向間距拱部、拱肩部位為0.8～1.0 m，兩側(cè)邊墻部位為1.0～1.2 m，增加鋼拱架縱向抗變形能力。

（5）整體換拱段初期支護噴射混凝土厚28 cm，強度不低于C25。

（6）換拱部位系統(tǒng)錨桿采用42 mm×4 mm注漿鋼花管，長L=4.5 m，縱向間距為鋼支撐間距0.5 m，環(huán)向間距1.2 m，注漿漿液采用水灰比≤1∶1硅酸鹽水泥凈漿（摻5%水玻璃），注漿終壓≤0.8 MPa。

對侵限處治主要采取換拱方案，為確保換拱施工安全，換拱嚴格逐榀進行，并注意：

（1）加強換拱后圍巖與初支結(jié)構(gòu)變形監(jiān)控量測，出現(xiàn)異常及時撤離人員，并通知各參建單位。

（2）換拱前先對拱部120°范圍內(nèi)施作超前預支護，對換拱部位鋼架拆除需替換鋼架以及鎖腳錨桿鎖定穩(wěn)固后方可拆除。

（3）對噴射混凝土或臨時仰拱的破除應采用環(huán)向或橫向切割的方式進行，避免直接錘擊導致產(chǎn)生較大的擾動。

（4）分段換拱完成后通過監(jiān)控量測確認變形穩(wěn)定后二襯襯砌緊跟澆筑。

采用前述綜合處治設計方案后，換拱過程中以及二襯施工前未發(fā)生再次大變形侵限情況，圍巖變形得到了有效控制。圖5所示為K32+103斷面換拱后重新布測的監(jiān)測曲線。由圖5可知，換拱后拱頂累計沉降仍高達152 mm，但是由于充裕預留變形，未發(fā)生再次侵限情況。

4結(jié)語

（1）堆積體段落換拱后圍巖仍存在較大的變形，應充分考慮預留變形，避免再次初支侵限。

（2）對于堆積體隧道施工，套拱后應及時采用木楔頂緊，使復拱對初支發(fā)揮有效支撐作用。

（3）堆積體隧道需要換拱應首先破除原支護兩榀鋼架間噴射混凝土，施作超前小導管對拱部120°范圍內(nèi)拱頂區(qū)域進行加強預支護，換拱后對拱部位以上的鋼架施作鎖腳錨管，再將換拱部位的鋼架拆除。

（4）大鋼管進行鎖腳對下半拱開挖以及上半拱已施工未閉環(huán)的初支圍巖變形能力具有強約束，在較軟弱大變形地層較適用。

（5）大變形段落的鋼架間縱向連接采用高強的連接可為拱架充分抵抗變形提供良好支持。

參考文獻：

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基金項目：廣西重點研發(fā)計劃項目“復雜地質(zhì)條件下隧道結(jié)構(gòu)性能演變與健康狀態(tài)評估關鍵技術研究”（編號：桂AB24010276）；廣西重點研發(fā)計劃項目“基于分布式光纖的隧道施工安全與運營健康實時監(jiān)測技術研究（自籌）”（編號：桂科AB22080027）；廣西工信廳技術創(chuàng)新項目“基于布里淵散射的分布式光纖長大隧道施工安全實時監(jiān)測關鍵技術”（編號：桂工信科技〔2019〕13號）

作者簡介：葉雄（1983—），高級工程師，主要從事高速工程項目技術變更管理與災害防治研究工作。