陳永建

炭質(zhì)片巖是滬漢蓉通道武漢—安康增建第二線(xiàn)工程漢江峽谷段遇到的主要地質(zhì)問(wèn)題,而該類(lèi)圍巖隧道的開(kāi)挖施工方法在目前國(guó)內(nèi)外隧道施工中仍是一道難題。主要原因是該類(lèi)圍巖的穩(wěn)定性差,在地下水作用下,炭質(zhì)片巖易軟化變形,導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)變形或坍塌。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)情況和圍巖量測(cè)結(jié)果分析顯示,該類(lèi)圍巖開(kāi)挖后的變形具有不收斂性,特別是在開(kāi)挖完成后15 d左右圍巖易發(fā)生突變產(chǎn)生塌方。因此研究炭質(zhì)片巖的圍巖特性和變形規(guī)律,解決該類(lèi)圍巖的開(kāi)挖施工方法勢(shì)在必行。

1 圍巖變形機(jī)理分析

1.1 圍巖特征及分類(lèi)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工揭示的炭質(zhì)片巖,按分布形態(tài)和巖性特征可分為透鏡體或薄夾層狀、互層狀和呈厚層或帶狀分布等不同類(lèi)型,當(dāng)炭質(zhì)片巖以透鏡體、薄夾層狀或互層狀存在于石英云母片巖或云母石英片巖中時(shí),一般情況下對(duì)圍巖的整體穩(wěn)定性影響不大,但在地下水的作用下,炭質(zhì)片巖易軟化變形,強(qiáng)度和穩(wěn)定性降低,局部可能出現(xiàn)變形或坍塌。厚層或帶狀分布的炭質(zhì)片巖,從工作面看圍巖大部分或全部分為炭質(zhì)片巖,連續(xù)出現(xiàn)長(zhǎng)度數(shù)十米至數(shù)百米。受構(gòu)造等因素的影響,巖體的抗剪強(qiáng)度低,巖體扭曲、褶皺現(xiàn)象明顯,節(jié)理發(fā)育,巖體節(jié)理面光滑亮澤,多為曲面,往往夾雜有石英巖脈侵入體,并伴有地下水滲流,結(jié)構(gòu)面之間結(jié)合差,易分離剝落,在地下水的作用下,圍巖強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)一步降低,容易出現(xiàn)初期支護(hù)的開(kāi)裂變形和塌方。

1.2 圍巖監(jiān)控量測(cè)及分析

1.2.1 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)實(shí)際情況,在隧道每個(gè)測(cè)量斷面各布置一個(gè)拱頂下沉觀測(cè)點(diǎn)D和三條凈空水平收斂量測(cè)線(xiàn)C,B,A,共7個(gè)測(cè)點(diǎn),布置見(jiàn)圖1,測(cè)點(diǎn)選用、頻次及要求參照相關(guān)規(guī)范執(zhí)行。

1.2.2 監(jiān)控量測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)結(jié)果繪制分析圖,見(jiàn)圖2。

根據(jù)繪制的數(shù)據(jù)分析圖,我們可以得出如下結(jié)論:

1)圍巖變形量大,且在個(gè)別時(shí)段變形加劇:施工過(guò)程中工序轉(zhuǎn)化時(shí)對(duì)圍巖收斂變形影響較大,從圖2我們可以看出在掌子面爆破、下臺(tái)階落底及仰拱開(kāi)挖等施工時(shí),由于施工的干擾,破壞了圍巖的受力均衡性,從而加劇了圍巖的變形。圍巖最大變形量達(dá)到1 440 mm(水平收斂)。

2)變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng):圍巖蠕變比較嚴(yán)重,持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),二襯施工之后依然存在變形。如DZK256+475～DZK256+505共30 m段二襯拱頂和拱腰均出現(xiàn)較大的裂紋,很多地方甚至出現(xiàn)混凝土塊剝落,可見(jiàn)該類(lèi)圍巖的變形持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)。

3)變形分布不均勻,主要表現(xiàn)在以下兩方面:a.水平收斂明顯大于拱頂下沉:水平收斂的速度和累計(jì)變形量均明顯大于拱頂下沉,拱頂下沉一般累計(jì)變形在100 mm左右,水平收斂累計(jì)變形一般達(dá)到500 mm以上。局部段落最大變形量達(dá)到1 440 mm。b.隧道圍巖變形主要分布在初期支護(hù)鋼架的連接處、拱腳和墻角位置。初期支護(hù)完成后,由于受?chē)鷰r變形作用力的影響,圍巖應(yīng)力繼續(xù)重新分布,導(dǎo)致初期支護(hù)受力薄弱處或者圍巖壓力較大處開(kāi)始開(kāi)裂掉塊,侵入二襯空間;嚴(yán)重部位會(huì)出現(xiàn)鋼架扭曲變形,甚至被剪斷。

2 三臺(tái)階錯(cuò)位施工法

由于施工掌子面圍巖為炭質(zhì)片巖,屬軟弱圍巖,施工方法選用三臺(tái)階六部錯(cuò)位法進(jìn)行掘進(jìn)施工。臺(tái)階長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際情況,留出施工平臺(tái),放置小臺(tái)架即可,一般為3 m～5 m,仰拱與下臺(tái)階的距離以方便出碴即可,一般為10 m～15 m,二襯緊跟仰拱施作。在開(kāi)挖過(guò)程中,三臺(tái)階同時(shí)起爆,其不同于其他施工方法處有:1)工作面多,循環(huán)作業(yè)時(shí)間短;2)支護(hù)及時(shí)、穩(wěn)定;3)施工安全。

2.1 三臺(tái)階施工法布置形式

上臺(tái)階長(zhǎng)度控制在4.5 m,根據(jù)高度必須滿(mǎn)足矢跨比h/L＞0.3,因此上臺(tái)階高度按3.6 m控制;中臺(tái)階長(zhǎng)度控制在6 m,高度為2.8 m;下臺(tái)階長(zhǎng)度為5 m,高度為3.1 m;仰拱與下臺(tái)階的長(zhǎng)度控制在10 m～14 m(保證澆筑完仰拱后距下臺(tái)階的長(zhǎng)度在10 m),具體見(jiàn)圖3。

2.2 施工工藝及流程

1)在上臺(tái)階按照設(shè)計(jì)要求設(shè)置φ42的超前支護(hù)(超前小導(dǎo)管),小導(dǎo)管長(zhǎng)度 3.5 m,環(huán)向間距0.3 m,小導(dǎo)管的縱向搭接長(zhǎng)度必須大于1.0 m,并按照要求在導(dǎo)管上設(shè)置注漿孔并及時(shí)注水泥漿,尾部與鋼拱架焊接牢固。

2)在上、中、下三個(gè)臺(tái)階同時(shí)進(jìn)行鉆眼施工,根據(jù)Ⅴ級(jí)加強(qiáng)圍巖(炭質(zhì)片巖)確定每次爆破掘進(jìn)進(jìn)尺在0.5 m～1.0 m,開(kāi)挖的輪廓線(xiàn)根據(jù)圍巖量測(cè)分析資料預(yù)留變形量40 mm～50 mm(設(shè)計(jì)預(yù)留變形量為25 mm)。開(kāi)挖后立即進(jìn)行噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護(hù),設(shè)立型鋼鋼架并復(fù)噴至設(shè)計(jì)厚度,形成較穩(wěn)定的承載拱墻。施工中應(yīng)在上臺(tái)階的左側(cè)中部設(shè)置超前探孔(可在施工超前小導(dǎo)管時(shí)設(shè)置),深度為5 m,及時(shí)了解前方施工圍巖情況和有無(wú)重大險(xiǎn)情。

3)待所有鉆孔全部施工完畢后,立即進(jìn)行裝藥爆破,施工順序如下:上臺(tái)階、中臺(tái)階和下臺(tái)階同時(shí)爆破(利用雷管的段數(shù)可以調(diào)整爆破時(shí)間和順序)后,首先挖掘機(jī)開(kāi)到下臺(tái)階,將中臺(tái)階第2,3部分的碴扒到下臺(tái)階;然后將挖掘機(jī)開(kāi)到中臺(tái)階第2部分的位置(該部分寬度比第3部分寬,方便挖掘機(jī)作業(yè)),將上臺(tái)階碴扒下來(lái);最后挖掘機(jī)下到下臺(tái)階,開(kāi)始裝碴,運(yùn)出洞外。待碴基本出完后,立即同時(shí)對(duì)三個(gè)臺(tái)階進(jìn)行初期支護(hù)。

3 取得成果

自2006年8月開(kāi)始,滬漢蓉通道武漢—安康增建第二線(xiàn)工程楊河隧道西河灣橫洞正洞施工遇到了大段落的炭質(zhì)片巖段,由于起先對(duì)該類(lèi)圍巖的變形情況不了解,圍巖發(fā)生多次變形及塌方,施工進(jìn)度非常緩慢。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工統(tǒng)計(jì),2006年8月～2007年4月的8個(gè)月時(shí)間內(nèi)總掘進(jìn)不到50 m,嚴(yán)重制約了襄渝二線(xiàn)總工期目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。2007年5月16日,我局根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整開(kāi)挖施工方案,針對(duì)該類(lèi)炭質(zhì)片巖采用三臺(tái)階六部錯(cuò)位法施工后,每月掘進(jìn)施工進(jìn)度約40 m～50 m,確保了楊河隧道西河灣橫洞于2008年12月30日順利貫通,也為襄渝二線(xiàn)旬陽(yáng)—蜀河段2009年“8.30”開(kāi)通奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。