炭質(zhì)板巖軟弱圍巖隧道擠壓變形規(guī)律及處理措施分析

羅虎LUO Hu

（中交二公局第四工程有限公司，洛陽 471013）

0 引言

當(dāng)前，隧道施工所穿越的地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性和工程問題的多樣性都是空前未有的[1]。對(duì)于修建在地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)的隧道，容易產(chǎn)生塌方、變形和支護(hù)開裂等地質(zhì)災(zāi)害問題。圍巖大變形是隧道工程界的一個(gè)重要研究課題，已有研究成果證實(shí)擠壓和膨脹是軟弱圍巖隧道大變形的兩種主要誘導(dǎo)模式[2-4]。隧道圍巖變形初期不僅絕對(duì)量值較大，位移的速度也很快，且變形持續(xù)時(shí)間也較長(zhǎng)。對(duì)于軟弱圍巖的上述大變形特征，若處理方案不當(dāng)，會(huì)緊接著產(chǎn)生次生災(zāi)害或給隧道的未來運(yùn)營(yíng)埋下隱患。因此，由于隧道所處地區(qū)地質(zhì)條件的復(fù)雜性，類似工程的大變形特點(diǎn)與防治通常需要進(jìn)行合理而有效的研究。以某隧道為依托，通過室內(nèi)試驗(yàn)，地質(zhì)調(diào)查，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料，對(duì)該隧道變形和相應(yīng)的處理方案進(jìn)行了研究。

1 工程地質(zhì)環(huán)境

1.1 地形地貌

依托隧道左、右線分別長(zhǎng)2268m、2286m。隧道多次穿越彎曲多變的黃洋河，河流兩側(cè)地勢(shì)略顯陡峭，山前坡積物發(fā)育，厚度約1-2m，下覆基巖斷續(xù)出露。

1.2 地質(zhì)條件

隧道圍巖主要由不同風(fēng)化程度的板巖構(gòu)成。巖層物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 巖體主要物理力學(xué)參數(shù)

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)褶皺束構(gòu)造格局為兩個(gè)復(fù)背斜夾一個(gè)復(fù)向斜，位于斷層斜穿隧道進(jìn)口段，該斷層與隧道呈大角度相交，其斷裂方向呈近北西向展布，屬于逆斷層類型。

2 擠壓變形特征

2.1 宏觀特征

隧道擠壓變形主要發(fā)生在不同風(fēng)化程度的泥質(zhì)、砂質(zhì)板巖與斷裂帶中，最大變形為607mm。相應(yīng)的變形特征如下：初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的斷裂和變形導(dǎo)致了隧道的部分坍塌。隨著隧道的逐步開挖，圍巖經(jīng)歷了連續(xù)的變形，鋼格柵出現(xiàn)扭曲，噴射混凝土出現(xiàn)劈裂和剝落。圍巖最大變形達(dá)250mm。I14 號(hào)工字鋼被用來支撐隧道右線10m 區(qū)域，但是并不能防止進(jìn)一步的變形，隧道圍巖仍然發(fā)生了崩潰。隧道拱頂出現(xiàn)嚴(yán)重下沉。當(dāng)隧道右線開挖時(shí)，部分圍巖為風(fēng)化板巖、節(jié)理裂隙極發(fā)育并夾有小型褶皺造成地質(zhì)偏壓。在此階段，隧道開挖斷面出現(xiàn)了少量地下水滲出，導(dǎo)致圍巖發(fā)生明顯的變形。水平方向的收斂變形達(dá)到230mm，拱頂下沉140mm，同時(shí)噴射混凝土出現(xiàn)劈裂和剝落。典型的邊墻擠壓破壞，當(dāng)隧道右線因小型褶皺造成地質(zhì)偏壓，邊墻發(fā)生了嚴(yán)重?cái)D壓變形。水平收斂變形達(dá)到180mm，拱頂下沉110mm，噴射混凝土出現(xiàn)劈裂、剝落。典型的邊墻失穩(wěn)破壞，隧道右線開挖出現(xiàn)薄板巖層。板巖層在地質(zhì)偏壓的作用下，造成圍巖產(chǎn)生較大擠壓變形與坍塌。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

對(duì)隧道右線多個(gè)斷面開展了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，歷時(shí)3 個(gè)多月。工作包括隧道拱頂下沉和周邊位移量測(cè)。隧道V 級(jí)圍巖巖體的時(shí)間-位移曲線如圖1 所示?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中，巖體變形通常出現(xiàn)在拱頂和邊墻部位，同時(shí)伴隨著噴射混凝土劈裂、剝落。邊墻最大變形量分別高達(dá)62.5cm 和56.1cm。此外，在一些嚴(yán)重變形區(qū)，出現(xiàn)了初期支護(hù)損壞，甚至大面積坍塌的現(xiàn)象。

圖1 隧道圍巖收斂時(shí)間-位移曲線

大變形一般在初期支護(hù)施工完成后開始，隨后持續(xù)一段相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。斷面最大變形速率是34.18mm/d。受地下水的影響，圍巖的水平收斂和拱頂下沉曲線出現(xiàn)了反彎點(diǎn)。同時(shí)，兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面分別需要大約90-130 天，80-120天的時(shí)間來完成90%的變形，此時(shí)隧道圍巖才基本趨于穩(wěn)定。在軟巖隧道中發(fā)生的這種大變形量和持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的現(xiàn)象對(duì)隧道施工造成較大的影響。

3 變形影響因素

3.1 巖體強(qiáng)度

在隧道發(fā)生大變形的巖體主要為極軟-較軟砂質(zhì)板巖，其巖體表現(xiàn)為抗風(fēng)化能力差，遇水易軟化。節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖質(zhì)不均勻等特點(diǎn)，相應(yīng)參數(shù)的變異系數(shù)也較大。通過室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)，對(duì)隧道巖體進(jìn)行了天然和飽和狀態(tài)下的強(qiáng)度試驗(yàn)（詳見表2）。結(jié)果顯示，大多數(shù)巖體的單軸抗壓強(qiáng)度低于10MPa，同時(shí)測(cè)試樣本的軟化系數(shù)為0.85。這些特性有助于地層長(zhǎng)期發(fā)生蠕變，從而引起較大的圍巖變形。

表2 巖體單軸抗壓強(qiáng)度匯總

3.2 巖體結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)圍巖結(jié)構(gòu)的劃分是基于初步的地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，由以下參數(shù)，如：抗壓強(qiáng)度、縱波速度、風(fēng)化程度、裂隙發(fā)育，地下水條件，來進(jìn)行等級(jí)劃分。現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察顯示，隧道穿越的整個(gè)地層圍巖呈現(xiàn)明顯的破碎狀況；同時(shí)，巖體的不連續(xù)性主要包括結(jié)構(gòu)節(jié)理和平面特征，而這兩個(gè)特性會(huì)給裂隙儲(chǔ)水提供空間，促使圍巖的變形。隧道開挖在穿越此類地層時(shí)，由于自穩(wěn)能力差，以及隧道開挖的擾動(dòng)，極易造成圍巖的變形和坍塌。

3.3 膨脹

為研究隧道圍巖中粘性材料對(duì)變形是否有影響，通過化學(xué)分析和X-射線衍射等測(cè)試手段檢測(cè)板巖中的粘土礦物成份。根據(jù)X-射線衍射結(jié)果，板巖主要由綠泥石、伊利石等粘土類礦物組成，并夾雜有石英、長(zhǎng)石等其他礦物。綠泥石呈針狀、片狀，長(zhǎng)軸長(zhǎng)50-75um。石英、長(zhǎng)石等礦物主要分布于粘土礦物排列形成的孔隙中。粘土礦物粒徑在10-30um，顆粒之間以孔隙充填式膠結(jié)為主。

通過化學(xué)分析確認(rèn)了板巖各粘性化學(xué)成份含量。樣本板巖含有大量的堿性氧化物：Fe2O3（6.43%-7.27%），K2O（3.45%-4.31%），Al2O3（19.46%-21.67%）。而K2O 的含量高則可能證明伊利石的存在。從試驗(yàn)結(jié)果可以判斷出綠泥石及伊利石的百分含量可達(dá)到80%。板巖中的粘性材料含量很高，而這些粘性材料在隧道開挖遇到地下水時(shí)，會(huì)對(duì)圍巖變形起到促進(jìn)作用，不利于隧道襯砌的安全與穩(wěn)定。

3.4 地下水

隧道各段預(yù)測(cè)的地下水最大涌入量如表3 所示。隧道各段的變化較大，涌水量從0-113m 段的19.5m3/d，到1483-2223m 段的149.7m3/d。

表3 預(yù)計(jì)最大涌水量

值得注意的是，隧道開挖過程中，有時(shí)隨著地下水的出現(xiàn)，大變形量迅速增大。地下水的出現(xiàn)可能是由于隧道掘進(jìn)形成的塑性區(qū)改變了圍巖內(nèi)原本的滲流場(chǎng)。水會(huì)滲透和流入隧道，地下水對(duì)變質(zhì)板巖有明顯的軟化作用，降低了板巖的強(qiáng)度，造成開挖面不能維持穩(wěn)定。此外，由于地下水的流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一定的滲流力，同樣對(duì)圍巖變形起到推動(dòng)作用。

4 處理方法與驗(yàn)證

4.1 處理方法

對(duì)于隧道試驗(yàn)段，其初始設(shè)計(jì)支護(hù)無法滿足圍巖穩(wěn)定要求。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況看，初支完成后由于圍巖強(qiáng)度較低致使嚴(yán)重收斂，從而造成初支噴射混凝土開裂、變形，初支嚴(yán)重侵入二襯，導(dǎo)致二襯厚度不足。為減輕隧道地質(zhì)災(zāi)害，提高和改善圍巖承載能力，主要采用了以下處理方法：①拱腰至拱腳進(jìn)行超前注漿導(dǎo)管預(yù)加固；②藥卷錨桿和鎖腳注漿導(dǎo)管；③拱部反向超前導(dǎo)管注漿加固。圖2 所示為隧道襯砌變形處理方法?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，換拱在拱部施作反向超前導(dǎo)管注漿加固后進(jìn)行。同時(shí)，安裝I18 型工字鋼臨時(shí)支撐，換拱部位后方設(shè)置3 環(huán)臨時(shí)支撐，前方設(shè)置6 環(huán)臨時(shí)支撐。支護(hù)工字鋼由I14 調(diào)整為I18，縱距調(diào)整為80cm，提高支撐能力。施作單層間距20×20cm 的Φ8 鋼筋網(wǎng)片。系統(tǒng)錨桿拱部以上采用藥卷錨桿與注漿小導(dǎo)管交叉布置，拱部以下與拱腳之間采用Φ22 藥卷錨桿，C20 噴射混凝土厚度為24cm。超前支護(hù)采用30 根Φ42×3.5mm 超前小導(dǎo)管，每根長(zhǎng)3.5m，排距為1.6m；仰拱初期支護(hù)增加I18 工字鋼，C20 噴射混凝土厚度為22cm。注漿采用單液漿，水灰比為1：1，注漿壓力0.5-1.0MPa。

圖2 處理方法

4.2 效果驗(yàn)證

4.2.1 變形

圖3給出了隧道右線兩個(gè)測(cè)試斷面在換拱后的圍巖收斂時(shí)間-位移曲線?？梢钥闯?，兩個(gè)斷面的最大水平收斂分別為18.5cm 和13.9cm；拱頂最大下沉分別為12.3cm 和10.1cm。兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的大部分變形在支護(hù)完成后的20天內(nèi)進(jìn)行，最終均在40-50 天左右完成90%的變形，圍巖基本趨近穩(wěn)定狀態(tài)。采取對(duì)應(yīng)支護(hù)措施后，不僅圍巖變形速率降低，最終變形完成時(shí)間減少，而且總變形量也大幅減少，因此，處理效果很理想。

圖3 換拱后隧道圍巖收斂時(shí)間-位移曲線

4.2.2 襯砌厚度

從隧道右線兩個(gè)斷面在三個(gè)時(shí)期的襯砌厚度變化可以看出，進(jìn)行隧道襯砌的替換之前，兩個(gè)斷面的襯砌厚度損失嚴(yán)重，襯砌總厚度分別為13.8-32.3cm 和20.0-37.6 cm，尤其是斷面1 右邊墻襯砌厚度損失嚴(yán)重，最小僅為13.8cm。從現(xiàn)場(chǎng)情況來看，如果不進(jìn)行換拱施工，初支侵入二襯的不良現(xiàn)象仍會(huì)繼續(xù)?？紤]到工程的安全性需要，襯砌厚度較原始設(shè)計(jì)有所提高?？梢钥吹剑谑┕ず?0 天內(nèi)，兩個(gè)斷面的隧道襯砌厚度減小量小于10cm，變形基本趨于穩(wěn)定。

5 結(jié)論

①隧道變形主要表現(xiàn)形式為拱頂嚴(yán)重下沉，邊墻壓向外側(cè)擠壓變形，邊墻局部屈曲破壞和隧道局部坍塌。隧道研究區(qū)段邊墻最大變形量高達(dá)62.5cm，最大變形速率為34.18mm/d。大約需要80-130 天的時(shí)間來完成90%的變形，然后圍巖才基本趨于穩(wěn)定。板巖的軟弱性導(dǎo)致板巖隧道中的變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且變形量大。同時(shí)，巖體的膨脹和地下水作用也同樣對(duì)圍巖變形起到了推動(dòng)作用。

②提出的三種處理方法：1）拱腰至拱腳進(jìn)行超前注漿導(dǎo)管預(yù)加固；2）藥卷錨桿和鎖腳注漿導(dǎo)管；3）拱部反向超前導(dǎo)管注漿加固。在處理方法實(shí)施后，最大水平收斂為18.5cm；拱頂最大下沉量為12.3cm，最大變形量顯著降低，僅為實(shí)施前的三分之一左右。