軟巖大變形隧道施工技術(shù)研究

韓亞兵

（云南云嶺橋隧科技有限公司，昆明 650000）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通網(wǎng)絡(luò)持續(xù)完善，公路工程建設(shè)規(guī)模日益增加。同時(shí)，我國是一個(gè)多山國家，越來越多的公路開始向山區(qū)延伸。山區(qū)地勢(shì)起伏大、地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道建設(shè)難度大。當(dāng)隧道穿越高地應(yīng)力、軟弱圍巖體等路段時(shí)，可能出現(xiàn)大變形，造成施工困難、支護(hù)成本增加等問題，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致施工事故，危及施工人員的生命安全[1]。因此，進(jìn)一步研究軟巖大變形隧道變形機(jī)制和施工技術(shù)意義重大。

2 軟巖隧道變形機(jī)制和分類

2.1 軟巖變形機(jī)制

隧道的開挖和支護(hù)措施受圍巖狀態(tài)影響較大，對(duì)圍巖分級(jí)十分必要。軟巖一般是指承載力低、變形量大、具有明顯崩解性和流變性的巖體，從圍巖級(jí)別上看，軟巖大多屬于Ⅴ級(jí)或Ⅵ級(jí)圍巖。根據(jù)GB/T 50218—2014《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，隧道圍巖的軟硬程度取決于巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc。當(dāng)Rc＜15 MPa，隧道圍巖屬于軟巖[2]。

軟巖變形機(jī)理復(fù)雜，故將軟巖變形機(jī)制劃分為3 大類：Ⅰ型（物化膨脹型）、Ⅱ型（應(yīng)力擴(kuò)容型）、Ⅲ型（結(jié)構(gòu)變形型），每種變形機(jī)制的具體分類見表1。

表1 軟巖隧道變形機(jī)制

2.2 軟巖大變形分級(jí)

軟巖隧道大變形可按“強(qiáng)度應(yīng)力比”劃分為輕微（0.25～0.5）、中等（0.15～0.25）、嚴(yán)重（＜0.5）3 個(gè)等級(jí)。軟巖不同等級(jí)大變形的具體特點(diǎn)如下[3]：（1）輕微大變形。圍巖變形速率較小，掌子面圍巖被“擠出”，出現(xiàn)初支混凝土開裂、鋼拱架變形等現(xiàn)象。（2）中等大變形。圍巖變形速率較大，初支混凝土開裂、脫落、掉塊等，鋼架變形嚴(yán)重情況。（3）嚴(yán)重大變性。圍巖變形速率大，持續(xù)時(shí)間長，隧洞結(jié)構(gòu)整體變形嚴(yán)重，支護(hù)措施不合理容易出現(xiàn)塌方事故。

3 軟巖大變形隧道開挖方法選擇

3.1 工程概況

扎務(wù)隧道地處瀾滄縣境內(nèi)，西盟縣城北部山麓斜坡地帶，進(jìn)口處位于扎務(wù)村北側(cè)2 km 處，出口處位于永不落村北側(cè)4 km 處。隧道右線起訖樁號(hào)為K451+310～K457+190、長度為5889 m；隧道左線起訖樁號(hào)為K451+265～K457+154、長度為5 880 m。洞身最大埋深688 m，隧道軸向238°，軸線地面標(biāo)高1 359～2 088 m，設(shè)計(jì)路面標(biāo)高1 360～1 460 m。

3.1.1 外界環(huán)境

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，隧址區(qū)分布地層主要為侏羅系泥巖、泥質(zhì)砂巖。據(jù)所取樣品的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，圍巖天然抗壓強(qiáng)度為5.5～32 MPa，為軟巖-較硬巖，隧道處高地應(yīng)力區(qū)，具備大變形發(fā)生的條件。不同地層的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 隧道圍巖計(jì)算參數(shù)

隧道所在區(qū)域?qū)賮啛釒夂蝾愋停航邓控S富，年均降水量2 758.3 mm，最高年（1991 年）達(dá)3 426.7 mm，且以短時(shí)強(qiáng)降雨為主。連續(xù)降雨天氣下施工隧道，容易出現(xiàn)塌方病害。

3.1.2 支護(hù)參數(shù)

隧道采用復(fù)合式襯砌進(jìn)行支護(hù)，其中，初期支護(hù)為C25 噴射混凝土+鋼拱架+錨桿，二次襯砌為C30 或C35 噴射混凝土。此外，初期支護(hù)與二次襯砌直接設(shè)置防水板。

3.2 常用開挖方法對(duì)比

3.2.1 CRD 法

CRD 法是借助中隔墻和臨時(shí)仰拱將軟巖隧道的斷面劃分成多個(gè)區(qū)塊，以減小隧道結(jié)構(gòu)所承受的圍巖壓力，隧道開挖的穩(wěn)定性。以圖1 為例，CRD 法開挖軟巖隧道的施工順序有兩種：①→②→③→④或①→③→②→④。在實(shí)際施工時(shí)，工程師應(yīng)結(jié)合隧道圍巖的性能選擇相應(yīng)的開挖順序[4]。

圖1 CRD法開挖隧道示意

3.2.2 雙側(cè)壁法

雙側(cè)壁法的施工工序復(fù)雜、施工空間小，大型機(jī)械不易進(jìn)場(chǎng)，且需要設(shè)置大量的臨時(shí)支持，但其最大的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)隧道地表沉降的控制效果好，適用于大跨徑淺埋隧道。雙側(cè)壁法的具體施工流程如下：首先，開挖隧道兩側(cè)導(dǎo)坑，及時(shí)施作初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)；隨后，分部開挖、支護(hù)中部土體；最后，拆除隧道臨時(shí)支護(hù)。需要注意的是，臨時(shí)支護(hù)拆除時(shí)，拱頂下沉量宜≤0.3 mm/d，凈空變形量宜≤0.5 mm/d。

3.2.3 留核心土法

留核心土法是先從隧道拱部弧形開挖、支護(hù)。隨后，開挖中間臺(tái)階，當(dāng)左、右側(cè)導(dǎo)洞開挖一定距離后，再開挖中間核心土；最后，再開挖隧道斷面下臺(tái)階，完成一個(gè)開挖循環(huán)。結(jié)合臨近項(xiàng)目建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，該軟巖隧道的每循環(huán)進(jìn)尺宜控制在0.5～1.0 m，且預(yù)留核心土面積≥隧道斷面面積的50%，隧道斷面開挖結(jié)束后，及時(shí)施工初支、二襯。

3.3 開挖效果評(píng)價(jià)

3.3.1 計(jì)算模型建立

利用MIDAS/GTS 軟件建立K452+300 斷面處的軟巖隧道斷面模型，計(jì)算了其在不同開挖方法下軟巖淺埋隧道的變形。綜合考慮模型邊界效應(yīng)和計(jì)算效率，將隧道模型尺寸取50 m×20 m×50 m（長×寬×高）。同時(shí)，利用六面體單元模擬隧道圍巖。隧道結(jié)構(gòu)周邊的網(wǎng)格適當(dāng)加密，距離隧道中心軸線較遠(yuǎn)的位置網(wǎng)格尺寸可取大值，最終共劃分2 016 個(gè)單元，2 368 個(gè)節(jié)點(diǎn)，見圖2[5]。

圖2 軟巖隧道有限元模型

3.3.2 計(jì)算結(jié)果

利用MIDAS/GTS 軟件模擬了CRD 法、雙側(cè)壁法、留核心土法開挖后軟巖隧道的最大拱頂沉降，計(jì)算結(jié)果表明：CRD法開挖隧道后，拱頂變形最小，僅0.9 mm；留核心土法開挖隧道后，拱頂變形最大，僅2.8 mm。雙側(cè)壁法的開挖效果介于兩者之間。從拱頂變形控制效果來看，建議使用CRD 法開挖軟巖隧道。

4 軟巖大變形隧道施工質(zhì)量控制要點(diǎn)

4.1 大變形處理

扎務(wù)隧道埋深大，最大埋深為690 m，易于形成高地應(yīng)力現(xiàn)象，可能導(dǎo)致巖爆及軟巖大變形等相關(guān)施工地質(zhì)災(zāi)害問題。隧道大變形預(yù)測(cè)采用工程地質(zhì)綜合分析法，重點(diǎn)從地應(yīng)力條件、巖石強(qiáng)度、地質(zhì)構(gòu)造、地下水發(fā)育特征、圍巖級(jí)別以及巖石膨脹性等方面開展分析。經(jīng)判斷：K453+655～K453+785（130 m）、K454+220～K454+320（100 m）、K454+645～K455+435（790 m）存在輕微大變形，需制訂處理方案。

輕微大變形路段的隧道在施工時(shí)應(yīng)堅(jiān)持“先預(yù)報(bào)，預(yù)加固、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、早封閉”的原則。初期支護(hù)宜采用帶止?jié){塞的鉆、錨、注一體化的自進(jìn)式注漿錨桿，鋼架采用可縮式U 形鋼架支撐，二次襯砌應(yīng)設(shè)置足夠強(qiáng)度的仰拱，并盡早封閉成環(huán)。對(duì)規(guī)模較大、暫時(shí)難以治理的隧道路段，應(yīng)設(shè)立警示牌、圍欄等安全設(shè)施。

4.2 加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)

軟巖隧道變形機(jī)制復(fù)雜，在施工過程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，掌握軟弱圍巖的變形規(guī)律，以便于動(dòng)態(tài)調(diào)整支護(hù)參數(shù)。根據(jù)JTG/T 3660—2020《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》，軟巖隧道的監(jiān)控量測(cè)內(nèi)容包括必測(cè)項(xiàng)目和選測(cè)項(xiàng)目，如表3 所示。

表3 隧道監(jiān)控量測(cè)內(nèi)容

檢測(cè)人員在上報(bào)軟巖隧道監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)之前，要利用“回歸分析法”擬合圍巖變形與監(jiān)測(cè)時(shí)間的關(guān)系，繪制沉降-時(shí)間曲線。如果發(fā)現(xiàn)變形數(shù)據(jù)不斷增大，且沉降-時(shí)間曲線沒有收斂趨勢(shì)，應(yīng)立即停工，查明原因后才能復(fù)工。

4.3 管理措施

軟巖隧道施工時(shí)不僅要采取經(jīng)濟(jì)合理的技術(shù)方案，還要加強(qiáng)施工管理，比如[6]：（1）加強(qiáng)培訓(xùn)。施工單位定期組織職業(yè)培訓(xùn)，提高施工人員的技術(shù)水平和增強(qiáng)其責(zé)任意識(shí)，掌握先進(jìn)的軟巖隧道施工理念和方法。（2）建立完善的施工方案審核制度。技術(shù)人員編制好軟巖隧道施工方案后，提交給部分負(fù)責(zé)人復(fù)核，并形成復(fù)核意見。技術(shù)人員修改后，再提交給總工程師審核。（3）建立考核制度。施工單位應(yīng)建議嚴(yán)格的獎(jiǎng)懲制度，約束施工人員的施工。

5 結(jié)語

本文研究了軟巖隧道的變形機(jī)理、開挖方法及施工質(zhì)量控制要點(diǎn)等，得到了以下幾個(gè)結(jié)論：

1）軟巖變形機(jī)制分為物化膨脹型、應(yīng)力擴(kuò)容型、結(jié)構(gòu)變形型3 類，大變化可劃分為輕微、中等、嚴(yán)重3 個(gè)等級(jí)；

2）軟巖隧道常用開挖方法有CRD 法、雙側(cè)壁法、留核心土開挖法，其中，CRD 法對(duì)隧道變形控制效果最好；

3）軟巖隧道施工期間要加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，發(fā)現(xiàn)問題，立即停工。同時(shí)，還要建立完善的施工管理體系，改善施工質(zhì)量。