深埋軟巖隧道襯砌開裂原因分析及整治技術研究

杜志勇

(中鐵十二局集團第二工程有限公司,太原 034100)

深埋高地應力軟巖隧道具有穿越地質(zhì)復雜、圍巖強度低、巖體破碎、埋深大等特點[1-5],往往會出現(xiàn)大變形問題。。隧道支護開裂或破壞與大變形有關[6-7],如華麗高速東馬場1號隧道[8]、哈巴雪山隧道[9]、蒙華鐵路中條山隧道[10]、成貴高鐵高坡隧道[11]等,均在施工期間出現(xiàn)初期支護變形侵限及襯砌開裂等問題,若處置不當將危及施工及后期運營安全,因此明確深埋軟巖隧道變形開裂原因、提出相應的控制措施成為隧道施工安全及順利貫通的關鍵。

新建某鐵路A隧道左右線間距約30 m,左線長16 262 m、右線長16 257.5 m,最大埋深約1410 m。隧道設置3橫洞+2斜井進行施工,洞身主要穿越炭質(zhì)千枚巖、千枚巖夾石英巖、灰?guī)r,受構(gòu)造影響,多表現(xiàn)出強烈的褶皺變形和擠壓破碎。斷層發(fā)育、圍巖以軟巖為主,巖體極為軟弱破碎,自穩(wěn)能力差,構(gòu)造帶應力集中,軟巖大變形問題突出。地形地貌屬構(gòu)造剝濁深切割高中山地貌,溝谷縱橫,地形起伏大,自然橫坡15°～65°,局部為陡壁。施工期間,3號橫洞工區(qū)施工段出現(xiàn)襯砌開裂現(xiàn)象。

1 隧道變形特征及開裂原因

1.1 變形特征

D8K146+366～D8K146+390段拱頂沉降最大值為90.8 mm,周邊收斂最大值為126.3～204.1 mm,D8K146+366處的軌面高程抬高3～6 mm,通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得到該段變形具有如下特征:①變形滯后、變形持續(xù)時間長。開挖支護完成約半個月開始出現(xiàn)變形突變情況。由于高地應力條件下軟巖的流變特性,圍巖的應力重分布及變形持續(xù)時間長。②變形量大。圍巖強度低,軟巖隧道變形收斂速率高,在很短時間內(nèi)圍巖與支護結(jié)構(gòu)的相互擠壓作用造成支護結(jié)構(gòu)侵限、開裂甚至破壞,如施工期間三號橫洞工區(qū)左線里程D8K146+366～D8K146+525、右線里程YD8K146+315～YD8K146+465按大變形I型施工,D8K146+238～D8K146+366、YD8K146+233～YD8K146+323段初期支護變形速率增大,拱部鋼架出現(xiàn)扭曲變形,邊墻鋼架折斷侵限。③隧道施工相互影響作用。后行洞施工至先行洞相同里程時,開挖時引起先行洞周圍應力再次重新分布,對先行洞已施作支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。④變形方向復雜。軟巖隧道所處的地應力強度方向具有明顯的各向異性,在隧道不同部位產(chǎn)生變形破壞程度不同,變形破壞在方向上的差異導致支護結(jié)構(gòu)受力不均,造成支護結(jié)構(gòu)局部產(chǎn)生較大的內(nèi)力。

1.2 現(xiàn)場開裂情況

YD8K146+323～YD8K146+441段二襯左右側(cè)邊墻及拱部出現(xiàn)環(huán)、縱向裂縫,局部有剝皮掉塊和錯臺現(xiàn)象。D8K146+366-D8K146+390段落同樣出現(xiàn)襯砌開裂問題。D8K146+366～D8K146+378襯砌線路右側(cè)邊墻擠出約5 cm,拱腳斜向裂紋4條,水溝電纜槽脫離襯砌10～16 cm,施工縫處1 m范圍掉塊。水溝電纜槽錯位最大距離10 cm,水溝內(nèi)墻上端水平傾斜11 cm?，F(xiàn)場開裂照片如圖1所示。該段埋深約1020 m,開挖揭示圍巖巖性為千枚巖,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖體較破碎。根據(jù)開挖揭示圍巖地質(zhì)條件及超前地質(zhì)預報資料分析,綜合判識D8K146+366～D8K146+390段圍巖級別由Ⅲ級調(diào)整為Ⅳ級。

圖1 現(xiàn)場開裂Fig.1 On-site cracking

1.3 襯砌開裂原因分析

經(jīng)調(diào)查,襯砌開裂與圍巖大變形息息相關,致使襯砌結(jié)構(gòu)超過自身承載力,引發(fā)局部的開裂問題,主要有以下原因:①復雜地質(zhì)構(gòu)造。大變形段位于活動構(gòu)造帶與活動斷裂帶交匯復合轉(zhuǎn)折三角區(qū),靠近活動斷裂帶末端,區(qū)域弧形構(gòu)造發(fā)育,分布有隱伏埋藏式擠壓蝕變帶,地質(zhì)構(gòu)造具有地域性復雜狀態(tài)。②高地應力。大變形段處于深埋千米級高地應力動態(tài)調(diào)整區(qū)域,且局部高地應力場變化快,地應力方向及量值具有隨時間調(diào)整的復雜多變特征。③破碎巖層。大變形段處于區(qū)域動力變質(zhì)巖區(qū),復合巖性以負變質(zhì)千枚巖為主,絹云母化明顯,圍巖產(chǎn)狀陡傾,軟硬相間,橫向切割節(jié)理時隱時現(xiàn),層間結(jié)合力易損傷,離層效應明顯。④巖體流變特性。隧道圍巖變形具滯后性和突變性,深埋高地應力條件下巖體流變特性明顯,圍巖變形屬擠壓態(tài)至松動態(tài)轉(zhuǎn)變的特殊大變形類型。

2 開裂襯砌整治技術

針對已開裂的襯砌采取圍巖加固+拆換襯砌相結(jié)合的措施進行處置,A隧道3號橫洞工區(qū)施工段內(nèi)D8K146+366～D8K146+390襯砌開裂變形段按照拆除完成后進行加強支護總體思路實施,遵循短開挖、快封閉、強支護、勤量測的原則。

拆除二襯前采用Φ42鋼花管對拱墻范圍徑向注漿加固圍巖,注漿加固設計如圖2所示。注漿材料使用水泥漿,中巖柱側(cè)加固深度8 m,靠河一側(cè)加固深度3 m,注漿孔口環(huán)向間距150 cm,縱向間距160 cm,交錯布置。注漿跳孔進行,先邊墻后拱部,注漿完成后對變形侵限段進行拆換。

圖2 注漿加固設計Fig.2 Design of grouting reinforcement

拆換襯砌段落前后10 m范圍設置I20b型鋼臨時支撐,間距為0.5 m/榀,臨時鋼架縱向采用Φ20鋼筋連接,環(huán)向間距1.0 m。

襯砌拆除一次性拆除的二襯混凝土控制在2 m范圍內(nèi),為防止拆除過程對圍巖造成過度擾動,松動圈范圍擴大,采用水磨鉆開鑿兩端形成臨空面,使用潛孔鉆及錨桿作業(yè)平臺鉆孔后采用液壓靜態(tài)爆破其余部分,人工鑿除為輔,挖機在另一側(cè)防護掉塊及鋼筋清理。

二襯拆除后,對已破壞的鋼架進行拆換,拆除由拱部開始至下導分步進行,拆除拱部及邊墻鋼架,拆除下導鋼架。存在侵限的初支進行鑿除修補,根據(jù)現(xiàn)場實際情況適當補強初支鋼架。鋼架拆除完成后立即對開挖面采用C30混凝土進行初噴,快速封閉開挖巖面。鋼架安裝完畢后進行復噴混凝土施工,復噴至設計厚度。

左線中巖柱側(cè)墻腳及仰拱下方設置20 m長錨索,靠河側(cè)邊墻腳設置15 m長錨索,錨索布置如圖3(a)所示,錨索間距1.5 m×1.6 m(環(huán)×縱),環(huán)向交錯布置,縱向與預應力錨桿隔排布置。除了設置長錨索外,左線中巖柱側(cè)邊墻及仰拱增設8 m長YE38-8型預應力錨桿,間距1.0 m×1.6 m(環(huán)×縱),預應力錨桿布置如圖3(b)所示,環(huán)向交錯布置,縱向與錨索隔排布置,長錨索與預應力錨桿布置如圖3所示。錨索墊板采用95 cm(長)×30 cm(寬)×3.2 cm(厚)的鋼墊板,鋼墊板與初噴混凝土密貼,并與初支鋼架翼緣焊接。

圖3 長錨索及預應力錨桿布置Fig.3 Layout of long anchor cables and prestressed anchor rods

襯砌換成加強襯砌,二襯厚45 cm,采用C40合成纖維混凝土,環(huán)向主筋調(diào)整為雙肢Φ20@200。

加強監(jiān)控量測,其中D8K146+366～D8K146+445段及其對應右線段落監(jiān)控量測斷面5 m設置一處,其余段落間距10 m設置一處。驗證支護措施的設計效果,保證圍巖穩(wěn)定及施工安全,提供判斷圍巖和支護系統(tǒng)基本穩(wěn)定的依據(jù),確定仰拱拆除及襯砌的施作時間。

3 結(jié)束語

高地應力軟巖大變形隧道支護結(jié)構(gòu)開裂是施工過程面臨的巨大難題,通過分析其變形開裂原因才能采取有效措施進行控制。通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查、地應力環(huán)境及變形數(shù)據(jù)分析,該鐵路A隧道3號橫洞工區(qū)施工段襯砌開裂主要由于復雜活動斷裂地質(zhì)構(gòu)造及高地應力與軟弱破碎圍巖等因素共同作用下圍巖持續(xù)變形、二襯承受荷載超過承載能力引起局部開裂。提出圍巖加固+拆換襯砌相結(jié)合的整治技術,有效控制圍巖變形,確保支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,為隧道后期運營安全提供保障。