全風(fēng)化花崗巖隧道初支變形機(jī)理及換拱施工技術(shù)

文章介紹了廣西某高速公路隧道全風(fēng)化花崗巖段初支變形及侵限情況，采用Midas GTS軟件建立三維模型，對(duì)全風(fēng)化花崗巖隧道施工過程中的初支變形情況進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)情況分析了隧道初支變形的機(jī)理，針對(duì)全風(fēng)化花崗巖隧道換拱施工提出了相應(yīng)的處治措施。經(jīng)應(yīng)用，該隧道順利完成換拱施工，可為今后類似的隧道換拱施工提供借鑒。

全風(fēng)化花崗巖；初支變形；侵限；換拱

U455.4A421333

作者簡(jiǎn)介：

陳人豪（1990—），高級(jí)工程師，主要從事公路隧道勘察設(shè)計(jì)研究工作。

0" 引言

全風(fēng)化花崗巖呈砂土狀，遇水易軟化崩解，自穩(wěn)能力差［1-2］。隧道穿越全風(fēng)化花崗巖段時(shí)，易出現(xiàn)較大沉降甚至初支整體下沉等情況。因此，迫切需要對(duì)隧道穿越全風(fēng)化花崗巖段初支的變形機(jī)理進(jìn)行研究，避免隧道開挖過程中初支出現(xiàn)大變形甚至整體下沉的情況。胡強(qiáng)等［3］深入分析了某項(xiàng)目隧道在風(fēng)化花崗巖地層施工過程中掌子面頻繁塌方的原因，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐等總結(jié)出風(fēng)化花崗巖隧道塌方事故預(yù)防措施。黃銀海［4］通過研究某隧道穿越富水全風(fēng)化花崗巖段時(shí)初支的下沉變形機(jī)理，提出了隧道穿越富水全風(fēng)化花崗巖段初支下沉變形總體防治原則，并建立了富水全風(fēng)化花崗巖段隧道的綜合防治技術(shù)體系。沈孟龍等［5］以景海高速公路賓房2#隧道在全-強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層中發(fā)生塌方為例，提出針對(duì)隧道塌方處治的綜合措施。

本文以廣西某高速公路花崗巖隧道初支出現(xiàn)大變形及換拱施工為依托，采用Midas GTS軟件建立三維模型，對(duì)全風(fēng)化花崗巖隧道施工過程中的初支變形情況進(jìn)行模擬，分析了全風(fēng)化花崗巖隧道初支變形的機(jī)理，針對(duì)全風(fēng)化花崗巖隧道換拱施工提出了相應(yīng)的技術(shù)措施。

1" 工程地質(zhì)概況

該隧道為分離式中隧道，隧道總體走向約為121°～134°，右線設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為925 m，左線設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為931 m，進(jìn)、出口路基設(shè)計(jì)高程分別為104.785 m、94.748 m，最大埋深約165 m。隧道區(qū)屬丘陵地貌。

隧道區(qū)下伏基巖為花崗巖，兩端洞口段坡殘積土層較厚未見露頭，在近隧道頂見露頭。裂隙多以風(fēng)化裂隙為主，發(fā)育密度大，于進(jìn)口端洞口段頂處測(cè)得三組花崗巖節(jié)理裂隙產(chǎn)狀分別為J1：65°/NW/70°、J2：156°/SW/49°、J3：147°/NE/61°；于出口端洞口頂處測(cè)得四組花崗巖節(jié)理裂隙產(chǎn)狀分別為J1：230°/NW/6°、J2：30°/SE/71°、J3：155°/SW/55°、J4：140°/NE/67°。密度為1～2條/m及3～4條/m。

隧道主要穿越印支期（γ51b）全-強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖以及砂質(zhì)黏性土。砂質(zhì)黏性土與全風(fēng)化花崗巖均呈砂土狀，分布于隧道進(jìn)出口位置，無自穩(wěn)能力，淺埋段、偏壓段容易發(fā)生大變形；強(qiáng)風(fēng)化花崗巖原巖大部分破壞，蝕變較為嚴(yán)重，多呈鑲嵌結(jié)構(gòu)分布，自穩(wěn)能力較差，施工過程中無支護(hù)時(shí)拱部易坍塌，側(cè)壁易失穩(wěn)；中風(fēng)化花崗巖巖質(zhì)較堅(jiān)硬，巖體破碎，局部較完整，巖質(zhì)新鮮，自穩(wěn)能力較好，施工過程中可能出現(xiàn)小型坍塌，側(cè)壁可能出現(xiàn)掉塊或失穩(wěn)現(xiàn)象。

2" 初支侵限開裂及地表裂縫情況

隧道右洞YK63+150斷面在進(jìn)行左側(cè)中臺(tái)階施工時(shí)，YK63+160、YK63+150附近兩處初支開裂，拱腰處出現(xiàn)變形。經(jīng)觀察，洞頂?shù)乇鞬63+134、K63+153處沿著等高線出現(xiàn)多條橫向裂縫，裂縫寬度最大為8 cm，可測(cè)深度為3 m。根據(jù)初支內(nèi)輪廓測(cè)量數(shù)據(jù)，YK63+142（掌子面）～YK63+189段初支已侵入二襯空間，長(zhǎng)達(dá)47 m的初支需要換拱（圖1）。

3" 施工過程初支變形的數(shù)值模擬

為進(jìn)一步研究全風(fēng)化花崗巖隧道洞口段初支變形機(jī)理，采用Midas GTS軟件對(duì)隧道的開挖過程進(jìn)行模擬，分析三臺(tái)階法開挖所對(duì)應(yīng)的圍巖變形及初期支護(hù)受力情況。

3.1" 計(jì)算模型

建立的數(shù)值模型如圖2～3所示。為消除邊界效應(yīng)，模型左右邊界取隧道三倍以上洞徑，模型底部與隧道拱底相距三倍以上洞高，模型頂部取至地表，模型底部尺寸為140 m×40 m。應(yīng)用四面體和六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元數(shù)為29 900，節(jié)點(diǎn)數(shù)為23 947。模型圍巖為全風(fēng)化花崗巖地層。隧道開挖分上中下三臺(tái)階，錨桿長(zhǎng)度為4.0 m，間距為1.2 m×0.6 m，采用植入式架模擬，初支采用梁?jiǎn)卧M，厚度為0.26 m，上臺(tái)階高度為2.88 m，中臺(tái)階高度為4.1 m，下臺(tái)階高度為3.53 m。臺(tái)階開挖間距為5 m，開挖進(jìn)尺為0.6 m。

3.2" 計(jì)算參數(shù)及結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)規(guī)范及工程經(jīng)驗(yàn)，地層結(jié)構(gòu)參數(shù)及襯砌參數(shù)取值見表1。

對(duì)隧道施工過程的豎向位移、洞內(nèi)收斂、初支應(yīng)力進(jìn)行分析，詳見圖4～7，可以看出：

（1）圍巖變形主要發(fā)生在隧道拱頂上方直至地表，開挖導(dǎo)致隧道上部圍巖被擾動(dòng)，沉降最大約為9.7 cm，出現(xiàn)在隧道拱頂；洞周收斂最大值為6.17 cm，出現(xiàn)在隧道拱腰處。

（2）初支所受最大拉應(yīng)力約為8.5 MPa，位于邊墻和仰拱連接處，所受最大壓應(yīng)力約為22.4 MPa，同樣位于邊墻和仰拱連接處，說明邊墻和仰拱連接處受力較大，需要加強(qiáng)支護(hù)。

（3）在開挖過程中，每次開挖初支均會(huì)發(fā)生急劇變形，開挖之后較長(zhǎng)時(shí)間，圍巖變形才逐漸穩(wěn)定，故施工中要注意開挖后的位移監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用加強(qiáng)鎖腳、增設(shè)臨時(shí)仰拱等措施控制沉降。

4" 初期支護(hù)變形機(jī)理分析

根據(jù)隧道巖土工程地質(zhì)特征及圍巖分級(jí)情況、隧道初支設(shè)計(jì)參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)施工情況，結(jié)合模擬計(jì)算結(jié)果，分析隧道出現(xiàn)初期支護(hù)侵限的原因有以下三個(gè)：

4.1" 地質(zhì)原因

隧道侵限段落埋深較淺，圍巖主要為全風(fēng)化花崗巖，根據(jù)鉆探資料揭示，該段巖芯呈土狀，內(nèi)聚力差，遇水具有軟化特性，透水能力強(qiáng)。在地下水干、濕交替影響下，巖體發(fā)生反復(fù)的膨脹、崩解，強(qiáng)度降低，圍巖穩(wěn)定性極差。

4.2" 拱腳承載力不足

全風(fēng)化花崗巖發(fā)生反復(fù)的膨脹、崩解后導(dǎo)致隧道拱頂壓力增大，上臺(tái)階及中臺(tái)階初支拱腳落在砂土狀的全風(fēng)化花崗巖上，且42 mm鎖腳錨管錨固力不足，每次開挖中臺(tái)階及下臺(tái)階均出現(xiàn)較大的沉降。

4.3" 施工原因

施工過程中仰拱與掌子面距離過長(zhǎng)，初期支護(hù)未及時(shí)閉合成環(huán)，上臺(tái)階及中臺(tái)階初期支護(hù)拱腳長(zhǎng)時(shí)間落在全風(fēng)化花崗巖上，引起持續(xù)變形。

5" 應(yīng)對(duì)處治措施

5.1" 應(yīng)急處治措施

因山體可能被擾動(dòng)，左右洞施工都可能繼續(xù)擾動(dòng)山體，故左右洞同時(shí)暫停施工，將右洞掌子面進(jìn)行回填反壓；對(duì)地表現(xiàn)有裂縫采用水泥砂漿或者水泥拌土進(jìn)行封閉，加強(qiáng)地表巡視。

5.2" 永久處治措施

5.2.1" 鋼管樁鎖腳

K63+142～K63+163段目前開挖至中臺(tái)階，鋼拱架拱腳落在承載力不足的全風(fēng)化花崗巖上，為防止沉降進(jìn)一步擴(kuò)大，需對(duì)鎖腳進(jìn)行加強(qiáng)。在右洞K63+142～K63+163段中臺(tái)階兩側(cè)拱腳打設(shè)89 mm×6 mm鎖腳鋼管并注漿加固。

5.2.2" 換拱輔助措施及換拱段襯砌方案

（1）未施工仰拱段初支因未閉合成環(huán)，沉降未得到有效控制，換拱后仍存在侵限的風(fēng)險(xiǎn)，故K63+142～K63+163段施工仰拱后再進(jìn)行換拱。

（2）全風(fēng)化花崗巖巖體松散破碎，為避免既有初支拆除后出現(xiàn)塌方冒頂，對(duì)拱部120°范圍內(nèi)的圍巖采用超前小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)［6］。全風(fēng)化花崗巖地層中水泥漿類漿液擴(kuò)散注漿以劈裂形式為主，滲透與擠密形式為輔，且漿液擴(kuò)散極不均勻，漿液與土體混合不夠充分，注漿效果作用有限，因此把超前小導(dǎo)管環(huán)向間距加密至20 cm，長(zhǎng)度取6 m，每三榀鋼拱架施工一環(huán)超前支護(hù)。

（3）換拱段仰拱已施工，拱圈初支拆除后更換的鋼拱架型號(hào)及間距與仰拱初支保持一致。換拱對(duì)圍巖二次擾動(dòng)，襯砌受力增加，需對(duì)二襯鋼筋進(jìn)行加強(qiáng)，拱圈二襯環(huán)向鋼筋由C22螺紋鋼筋增大至C25螺紋鋼筋，縱向間距由20 cm加密至10 cm。

6" 結(jié)語

（1）全風(fēng)化花崗巖呈土狀，內(nèi)聚力差，遇水具有軟化特性，透水能力強(qiáng)，隧道穿越全風(fēng)化花崗巖段拱腳承載力不足，常規(guī)鎖腳錨管對(duì)控制沉降作用甚微，應(yīng)采用大鎖腳錨管控制沉降，避免沉降過大導(dǎo)致初支換拱甚至擾動(dòng)山體。

（2）全風(fēng)化花崗巖隧道初支閉合成環(huán)后沉降基本穩(wěn)定，若拱圈初支侵限但仰拱未施工，建議先施工仰拱控制沉降再進(jìn)行換拱，否則存在換拱后初支再次侵限的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）全風(fēng)化花崗巖巖體松散破碎且注漿效果作用有限，為避免既有初支拆除后圍巖出現(xiàn)大面積坍落，建議采用間距密集的小導(dǎo)管對(duì)拱圈進(jìn)行超前支護(hù)。

（4）隧道全風(fēng)化花崗巖段可采用三臺(tái)階環(huán)向開挖預(yù)留核心土法，開挖過程在中臺(tái)階增設(shè)30 cm厚C20混凝土臨時(shí)仰拱，及時(shí)在上臺(tái)階及中臺(tái)階兩側(cè)打設(shè)大鎖腳錨管。該工法工序簡(jiǎn)單，臨時(shí)仰拱施工便利，開挖過程中初支臨時(shí)閉合成環(huán)，有利于控制沉降。

［1］尚彥軍，王思敬，岳中琦，等.全風(fēng)化花崗巖孔徑分布-顆粒組成-礦物成分變化特征及指標(biāo)相關(guān)性分析［J］.巖土力學(xué)，2004，25（10）：1 545-1 550.

［2］袁敬強(qiáng)，陳衛(wèi)忠，黃世武，等.全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖隧道突水災(zāi)害機(jī)制與協(xié)同治理技術(shù)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2016，35（S2）：4 164-4 171.

［3］胡" 強(qiáng)，楊春平.風(fēng)化花崗巖地層隧道塌方預(yù)防措施研究［J］.交通科技，2022（1）：92-96.

［4］黃銀海.富水全風(fēng)化花崗巖隧道初支下沉變形機(jī)理與防治技術(shù)研究［J］.土工基礎(chǔ)，2021，35（6）：690-693.

［5］沈孟龍，楊華清，茶增云，等.景海高速公路全-強(qiáng)風(fēng)化花崗巖隧道塌方機(jī)理分析與處置［J］.勘察科學(xué)技術(shù)，2021（5）：21-25.

［6］JTG 3370.1-2018，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范" 第一冊(cè)" 土建工程［S］.

20240317