軟弱破碎圍巖隧道大變形特征及控制措施研究

摘要：以楊郭園為工程背景，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，研究分析了受斷層破碎帶影響隧道發(fā)生坍塌的過(guò)程，并提出了坍塌處反壓回填、徑向注漿、增加支護(hù)強(qiáng)度，將開(kāi)挖方法調(diào)整為三臺(tái)階七步開(kāi)挖等塌方處治措施?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，隧道鋼拱架應(yīng)力及圍巖壓力值均在正常范圍內(nèi)，隧道最大拱頂下沉量和邊墻收斂量分別為14.4mm和 13.6mm，隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，有效解決了軟弱破碎圍巖的大變形問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：軟弱破碎圍巖；坍塌；處治措施；三臺(tái)階七步開(kāi)挖；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

0" "引言

近年來(lái)，隨著交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的快速發(fā)展并逐步向山區(qū)延伸，隧道工程也逐年增多[1]。在山區(qū)隧道建設(shè)中，經(jīng)常會(huì)遇到地應(yīng)力大、圍巖軟弱破碎、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育等復(fù)雜地質(zhì)條件。地應(yīng)力大、圍巖軟弱破碎的隧道開(kāi)挖后，圍巖變形大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力不斷增大[2-3]。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)圍巖和襯砌的承載力時(shí)，初期支護(hù)就會(huì)發(fā)生開(kāi)裂，圍巖就會(huì)侵入隧道凈空，甚至發(fā)生重大工程災(zāi)害，對(duì)隧道施工和建設(shè)者的安全構(gòu)成巨大威脅。

軟弱巖體大變形一直是隧道科學(xué)研究中最難解決的問(wèn)題之一。為此許多學(xué)者對(duì)軟弱巖體大變形進(jìn)行了大量研究，并取得了豐碩成果。He等[4]采用改進(jìn)的非連續(xù)變形分析方法，研究了老虎山隧道圍巖裂隙的演化規(guī)律及變形破壞機(jī)理。Luo等[5]對(duì)不同施工方案下的隧道變形破壞進(jìn)行了原位測(cè)試，并采用反演分析方法模擬隧道在軟弱巖體中的縱向變形，得出了彈性模量和側(cè)壓力系數(shù)對(duì)隧道變形的影響程度。韓風(fēng)雷等[6]采用數(shù)值計(jì)算研究了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和三臺(tái)階法條件下軟弱破碎圍巖隧道變形特征，確定了三臺(tái)階的適用性。祁文睿等[7]針對(duì)隧道穿越軟弱破碎圍巖面臨的塌方和突水等施工技術(shù)難題，提出了短進(jìn)尺三臺(tái)階七步開(kāi)挖法及注漿加固處治措施，并構(gòu)建了監(jiān)控量測(cè)技術(shù)體系。

上述研究成果為軟弱巖體大變形的防治提供了理論支持。然而由于地應(yīng)力環(huán)境、地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件和巖體特征的巨大差異，以往關(guān)于高地應(yīng)力和軟弱巖體大變形的研究，并不完全適用于所有工程。本文基于楊郭園隧道穿越軟弱破碎圍巖段的變形破壞情況，提出了一套“預(yù)防為主、治理為輔”、效果檢驗(yàn)相結(jié)合的圍巖大變形控制技術(shù)。

1" "工程概況

1.1" "地質(zhì)特征

楊郭園隧道位于寧國(guó)市甲路鎮(zhèn)，楊郭園隧道起訖里程DK128+103.73-DK130+523.98，總長(zhǎng)度2417.98m，為單洞雙線隧道。隧道最大埋深約185.72m，隧道進(jìn)口至出口范圍縱坡為8.7‰的下坡。

隧道山坡及坳谷表層為Qel+dl粉質(zhì)黏土，褐黃色，硬塑，夾少量礫石，層厚約0.5～1.5m。其下為Qel+dl粗角礫土，中密，層厚約0～2m。

下伏基巖為志留系下統(tǒng)霞鄉(xiāng)組（S1X）砂質(zhì)泥質(zhì)板巖、含炭質(zhì)泥質(zhì)板巖，灰褐-青灰色，全風(fēng)化-弱風(fēng)化，其中全風(fēng)化多呈砂土狀，局部薄層分布。強(qiáng)風(fēng)化節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，層厚約8～22m。弱風(fēng)化節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較完整。洞身圍巖為砂巖夾砂質(zhì)頁(yè)巖弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較完整。物探揭示，DK128+773～DK128+882段巖體較破碎，主要巖層產(chǎn)狀為100°∠28°、190°∠40°。

1.2" "隧道原支護(hù)設(shè)計(jì)

隧道采用復(fù)合式支護(hù)結(jié)構(gòu)，圍巖變形主要通過(guò)超前小導(dǎo)管支護(hù)和初期支護(hù)來(lái)控制。其中，超前小導(dǎo)管長(zhǎng)度為4.3m，周向距離為40cm，縱向距離為300cm，外插角度控制在5～12°，設(shè)置在襯砌拱部約120°范圍內(nèi)。

隧道初期支護(hù)系統(tǒng)錨桿采用長(zhǎng)度350cm的D25中空注漿錨桿，環(huán)縱間距為100cm×60cm。錨桿沿徑向呈梅花形設(shè)置，采用Φ8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距為15cm×15cm。鋼拱架采用I20a工字鋼，間距60cm，噴C25混凝土26cm。防水層采用1.2mm EVA防水板、400g/m3無(wú)紡?fù)凉げ肌６我r砌采用模筑C30鋼筋混凝土50cm。

2" "隧道圍巖變形及坍塌特征

2.1" "圍巖變形及坍塌破壞特征

隧道DK128+773～DK128+882段圍巖主要為三疊系劉家溝組（T1l）中厚層狀砂巖偶夾薄層泥質(zhì)砂巖，中風(fēng)化，較軟巖，較破碎，中厚層偶夾薄層狀結(jié)構(gòu)。采用兩臺(tái)階環(huán)形預(yù)留核心土法開(kāi)挖，隧道開(kāi)挖至DK128+776處時(shí)，隧道發(fā)生大變形破壞，支護(hù)系統(tǒng)失效，并發(fā)生涌水現(xiàn)象。此外，由于持續(xù)的變形，隧道掌子面發(fā)生大面積坍塌。

隧道開(kāi)挖5d內(nèi)，拱頂沉降及拱腰收斂速率較大。隧道拱頂最大沉降量為660mm，最大沉降速率為37mm/d，隧道拱腰最大收斂值為553mm，最大收斂速率為42mm/d，圍巖變形量超出了施工規(guī)范限值120.0mm。同時(shí)，隧道變形主要集中在拱頂處，變形量超過(guò)預(yù)留變形量，造成侵限，嚴(yán)重影響隧道施工安全。

由于隧道圍巖松散、破碎和軟化，開(kāi)挖過(guò)程中掌子面出現(xiàn)小規(guī)模涌水。同時(shí)出現(xiàn)鋼拱架變形、錨桿斷裂、超前小管破壞以及噴射混凝土開(kāi)裂等破壞現(xiàn)象。在隧道圍巖持續(xù)變形破壞下，鋼拱架因過(guò)度彎曲而突然斷裂，開(kāi)挖面前方松散圍巖坍塌到隧道內(nèi)。坍塌發(fā)生后，支護(hù)系統(tǒng)的所有部件都遭到了徹底破壞。

為避免次生災(zāi)害發(fā)生，立即采取了停止開(kāi)挖、封閉塌方體、回填反壓土等應(yīng)急措施。此次塌方的處理措施從兩方面入手：一方面是提高圍巖支護(hù)體系的承載力，關(guān)鍵是增強(qiáng)隧道圍巖物理力學(xué)性能，提高支護(hù)承載力。另一方面調(diào)整開(kāi)挖方法，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

2.2" "圍巖變形及坍塌破壞原因

軟弱破碎圍巖是導(dǎo)致隧道圍巖大變形的主要因素。此外，地下水的軟化作用進(jìn)一步加劇了圍巖的變形和破壞。在隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)完成時(shí)，圍巖變形仍處于快速增長(zhǎng)階段，原支護(hù)方案強(qiáng)度不足以限制和防止圍巖的過(guò)度變形，無(wú)法承受巨大的圍巖壓力。因此隧道開(kāi)挖后，圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形不斷加大，導(dǎo)致隧道發(fā)生坍塌事故。

3" "隧道坍塌處治技術(shù)

3.1" "前期處理

隧道坍塌發(fā)生后，首先停止開(kāi)挖，對(duì)塌方體進(jìn)行處理。通過(guò)噴射C20混凝土和鋼筋網(wǎng)片對(duì)塌方體進(jìn)行封堵，形成整體受力體，使其均勻受力。再?gòu)乃淼劳膺\(yùn)來(lái)碎石和土作為反壓回填土，回填到隧道面上，防止二次塌方的發(fā)生。反壓回填土有兩層，第一層采用人工壓實(shí)，以避免擾動(dòng)，厚度為50cm，長(zhǎng)度為5m，面積占隧道面的2/3。

3.2" "后期處理

3.2.1" "徑向灌漿

為提高圍巖的整體性穩(wěn)定性，減少斷層破碎帶對(duì)圍巖的破壞，確定采用徑向注漿。具體工藝如下：將砂漿錨桿調(diào)整為φ50×4mm的注漿管，長(zhǎng)5m，縱向間距120cm，每環(huán)25根。為保證漿液在動(dòng)水條件下迅速凝結(jié)，在隧道拱部120°范圍采用水泥懸浮液-硅酸鈉雙漿漿液，其他部分采用普通水泥漿[8-10]。注漿順序?yàn)閺纳系较?，從拱頂?shù)絻蓚?cè)。徑向灌漿及支護(hù)示意如圖1所示。

3.2.2" "提高支護(hù)剛度

在改善圍巖物理力學(xué)性能的同時(shí)，需對(duì)隧道支護(hù)的承載能力進(jìn)行提高，以確保施工安全[11-13]。為提高支護(hù)強(qiáng)度，對(duì)坍塌段支護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。具體措施如下：將鋼拱架類型由I22a調(diào)整為I25b，間距60cm，將二次襯砌主筋由原來(lái)的φ22鋼筋調(diào)整為φ25鋼筋。

3.2.3" "挖掘方法調(diào)整

塌方發(fā)生前，在塌方段采用上下臺(tái)階預(yù)留土法開(kāi)挖。為避免塌方等災(zāi)害再次發(fā)生，對(duì)開(kāi)挖方法進(jìn)行了調(diào)整，確定采用三臺(tái)階七步開(kāi)挖法。三臺(tái)階七步開(kāi)挖法預(yù)留核心土的坡度設(shè)計(jì)為5：1，上層核心土的高度為3m，下層核心土的高度為4m。采取這種方法雖然延長(zhǎng)了工期，但有利于隧道工作面的穩(wěn)定。

此外，為確保施工安全。還采取了縮短工序間隔時(shí)間、調(diào)整各工序順序、及時(shí)施工倒拱、初期支護(hù)緊貼隧道工作面等措施。

4" "現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)

4.1" "隧道監(jiān)測(cè)布置

為分析隧道大變形處治措施的效果，將大變形位置DK128+778作為監(jiān)測(cè)斷面，對(duì)圍巖變形及鋼拱架應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)參數(shù)主要包括拱頂沉降、邊墻收斂變形和圍巖壓力。拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)有3個(gè)，均位于上臺(tái)階，邊墻收斂變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)稱布置在隧道兩邊墻上，形成兩條監(jiān)測(cè)線，分別為監(jiān)測(cè)線1和監(jiān)測(cè)線2。圍巖與初期支護(hù)之間的接觸壓力采用壓力傳感器監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)段共分布有7個(gè)壓力傳感器，編號(hào)分別為P1、P2、P3、P4、P5、P6和P7，分別位于左拱腳、左拱腰、左拱肩、拱頂、右拱肩、右拱腰、右拱腳。

4.2" "監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

4.2.1" "圍巖變形

DK128+778監(jiān)測(cè)斷面圍巖變形監(jiān)測(cè)曲線如圖2所示。由圖2可以看出，掌子面上臺(tái)階開(kāi)挖后，圍巖變形緩慢增加。隨著隧道圍巖裂隙中注漿漿液強(qiáng)度的逐漸增加，圍巖的穩(wěn)定性也逐漸增強(qiáng)。上臺(tái)階開(kāi)挖后第17d，監(jiān)測(cè)斷面的拱頂沉降和邊墻收斂變形基本穩(wěn)定。3個(gè)拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形量分別為13.3mm、14.4mm和12.8mm。監(jiān)測(cè)線1位置處的邊墻收斂變形約為13.6mm，監(jiān)測(cè)線2位置處的邊墻收斂變形約為11.9mm。

4.2.2" "圍巖壓力

圍巖壓力的變化曲線如圖3所示。由圖3可以看出，7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的圍巖壓力均在短時(shí)間內(nèi)急劇增長(zhǎng)，并逐漸趨于穩(wěn)定。圍巖未形成應(yīng)力集中區(qū)，最大壓力約為122.8kPa。二次襯砌施工完成后，圍巖壓力和鋼拱架應(yīng)力變化不大，表明隧道結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定。

5" "結(jié)束語(yǔ)

本文以楊郭園為工程背景，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，研究分析了受斷層破碎帶影響隧道發(fā)生坍塌的過(guò)程，提出了相應(yīng)塌方處治措施，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。得到如下成果

斷層破碎帶是誘發(fā)隧道圍巖坍塌的主要因素，隧道塌方段圍巖變形特征受斷層破碎帶控制，主要特征有變形速度快、變形量大、變形時(shí)間長(zhǎng)、穩(wěn)定性差和變形不協(xié)調(diào)等。

提出的坍塌處治措施主要包括4個(gè)：一是坍塌處反壓回填，二是徑向注漿，三是增加支護(hù)強(qiáng)度，四是將開(kāi)挖方法調(diào)整為三臺(tái)階七步開(kāi)挖法。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，隧道圍巖壓力值均在正常范圍內(nèi)，且隧道最大拱頂下沉量和邊墻收斂量分別為14.4mm和 13.6mm，有效控制了隧道圍巖變形，驗(yàn)證了坍塌處治措施的有效性和合理性。

參考文獻(xiàn)

[1] 康永水，耿志，劉泉聲，等.我國(guó)軟巖大變形災(zāi)害控制技術(shù)與方法研究進(jìn)展[J]. 巖土力學(xué)，2022，43（8）：2035-2059.

[2] 錢七虎.隧道工程建設(shè)地質(zhì)預(yù)報(bào)及信息化技術(shù)的主要進(jìn)展及發(fā)展方向[J].隧道建設(shè)，2017，37（3）：251-263.

[3] 孫鈞，江宇，汪波，等.高地應(yīng)力軟巖隧洞擠壓型大變形的非線性流變屬性及采用讓壓支護(hù)的工程整治研究[J].隧道建設(shè)（中英文），2021，41（10）：1627-1633.

[4] He P， Li SC， Li LP， Zhang QQ， Xu F， Chen YJ. Discontinuousdeformation analysis of super section tunnel surroundingrock stability based on joint distribution simulation.Comput. Geotech. 2017（91）：218–229.

[5] Luo YB， Chen JB， Chen Y， Diao PS， QiaoX.Longitudinaldeformation profile of a tunnel in weak rock mass byusing the back analysis method. Tunn. Undergr. Sp."Tech. 2018（71）478–493.

[6] 韓風(fēng)雷，張學(xué)富，喻文兵，等.銅鑼山隧道軟弱破碎圍巖受力與變形分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，36（3）：22-29.

[7] 祁文睿，高永濤. 公路隧道穿越軟弱破碎圍巖綜合施工及監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[J].公路交通科技，2021，38（11）：88-96，105.

[8] 王亞鋒.高黎貢山隧道TBM不良地質(zhì)條件下卡機(jī)脫困施工關(guān)鍵技術(shù)[J].隧道建設(shè)（中英文），2021，41（3）：441-448.

[9] 陳志敏，余云燕，李國(guó)良，等.基于原巖應(yīng)力的關(guān)角隧道變形潛勢(shì)研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)，2018，55（4）：33-41.

[10] 黃赫，周丁恒，李鳳嶺.軟弱圍巖下鐵路隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測(cè)與分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，37（8）：16-22.

[11] 張羽軍，丁浩江.成貴高鐵高坡隧道軟巖大變形機(jī)理分析及病害整治[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程，2020，20（1）：327-334.

[12] 王廣鐘，王立平.深孔注漿技術(shù)在軟弱圍巖隧道施工中的應(yīng)用[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2001（3）：116-119+103.

[13] 陳志敏，趙德安，余云燕.高地應(yīng)力擠壓性斷層中隧道施工三維仿真[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2016，33（7）：54-58+105.