張 藝

(湖南路橋建設(shè)集團公司,湖南長沙 410004)

1 工程概況

1.1 施工概況

關(guān)口埡隧道位于常德至張家界高速公路上,設(shè)計為上下行分離式隧道,左右兩洞相距35～50m,長度為:左洞880m,右洞700 m;隧道凈寬11.1 m,凈高7.1m。隧道路面設(shè)計高程168.66～188.57 m,埋深大約在10～71 m。圍巖類別劃分為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類,采用臺階法施工,支護采用復合式襯砌。施工初期在右洞張家界洞口端施工出現(xiàn)了滑坡,故在左右洞口增加了長大管棚超前預支護;右洞在施工至Yk73+908掌子面時,已完成初支的后方Y(jié)k73+958～Yk73+908段發(fā)生大型塌方。針對施工中出現(xiàn)的問題,開展了圍巖穩(wěn)定性及施工方法研究。

1.2 隧道工程地質(zhì)條件概況

隧道區(qū)域內(nèi)巖性單一,為志留系下統(tǒng)龍馬溪淺海相泥質(zhì)頁巖,一般出露地表,僅局部有不厚的第四系山麓堆積相覆蓋。頁巖呈深灰色,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),頁理構(gòu)造,局部含炭質(zhì),巖性較軟,易風化,具明顯的遇水軟化、失水干裂性質(zhì),山坡表面大多風化嚴重,呈灰黃～黃灰色;隧道洞身段主要為弱風化頁巖,兩端洞口附近為強風化頁巖。受構(gòu)造擠壓影響,巖體中次級褶皺發(fā)育,一般呈舒緩波狀,揉皺和擾曲現(xiàn)象多見,低序次小斷層也相當發(fā)育,巖層總體產(chǎn)狀300°～25°∠10°～25°,局部呈現(xiàn)大的變化,傾角可達60°,節(jié)理發(fā)育～非常發(fā)育,其中主要節(jié)理產(chǎn)狀為220°～240°∠65°～75°、120°～135°∠65°～80°、50°～60°∠70°～85°。

前兩組節(jié)理面光滑平直,為共扼剪節(jié)理,間隔較密集;后一組為壓扭性,產(chǎn)狀時有變化。另外,順巖層面中常見構(gòu)造應力在巖層面集中形成的層間錯動擠壓夾泥帶,厚度一般0.5～20 cm不等,斷續(xù)分布,夾泥層性質(zhì)軟弱。從附近的風化強烈的頁巖路塹邊坡和自然邊坡經(jīng)?？梢钥匆?小規(guī)模的滑坡比較普遍,由此可知,其強風化巖石邊坡穩(wěn)定性極差。

關(guān)口埡隧道均在泥質(zhì)頁巖巖體中掘進,隧道底高程高于附近較寬闊谷地,無較大地表水體向隧道處補給。隧道上方山上,因坡降一般較大,大氣降水會在較短時間排至附近谷地溪溝中,故一般情況地下水補給不良,并且頁巖總體透水和賦水性不好,水量較貧乏。但山坡上沖溝發(fā)育,淺埋隧道段因上部巖體風化強烈,層理和節(jié)理會有一定的卸荷張開,有利于地表水下滲,因其滲徑短,可能在隧道中形成滴水。

隧道圍巖物理力學指標為:巖石容重25.3～26.6 kN/m3,抗壓強度9.7～18.45 MPa,彈性模量1.07～1.78 GPa,內(nèi)摩擦角28.6°～34.6°,粘結(jié)力1.09～1.38MPa。

2 監(jiān)控量測

2.1 監(jiān)控量測項目

為了更好地認識泥質(zhì)頁巖在隧道開挖過程中應力重分布的變化特征以及對洞室穩(wěn)定性的影響,弄清初期支護常出現(xiàn)開裂的原因,更好地運用量測數(shù)據(jù)指導設(shè)計及施工,在左洞k73+760～+840段及右洞塌方段進行了噴層應力、圍巖與初期支護間應力、圍巖內(nèi)部位移、二次襯砌應力量測及爆破震動測試等項目的重點監(jiān)測。

2.2 監(jiān)控量測斷面選擇及測點布置

監(jiān)控量測斷面的選擇充分考慮了圍巖類別、隧道埋深、節(jié)埋裂隙發(fā)育程度、是否存在偏壓、含水量大小等因素。根據(jù)現(xiàn)場實際施工位置,選擇在Ⅱ、Ⅲ類圍巖中進行布點,具體量測斷面樁號見表1。

表1 量測內(nèi)容及量測斷面表

監(jiān)測中一般將測點布在:拱頂、拱腰、拱腳、墻腳、仰拱中部、兩腰。

3 圍巖變形規(guī)律

3.1 圍巖與初期支護間的接觸壓力分析

初期支護與圍巖接觸壓力采用壓力盒及噴層應力計進行量測,圖1為k73+839.5(設(shè)計為Ⅲ類圍巖,埋深為47m,屬深埋)斷面拱頂壓力隨時間變化曲線,最大值為0.197 MPa,從圖可看出,接觸壓力在開挖后半個月內(nèi)變化較大,然后變化趨緩。根據(jù)深埋隧道圍巖松動壓力的計算方法可得:

式中:s為圍巖類別;γ為圍巖容重,kN/m3;ω為寬度影響系數(shù)。

圖1 圍巖與格柵拱架間壓力隨時間變化曲線(拱頂)

3.2 初期支護鋼拱架受力分析

初期支護中格柵拱架或工字鋼拱架所受力均較大,一般格柵受力為90～200 MPa,所測格柵最大應力點也在k73+839.5斷面,如圖2所示,由圖可以看出,前期格柵所受應力一直在增大,8月20～28日處在應力調(diào)整期,然后應力又繼續(xù)增大,9月7日應力達到260.1 MPa時,要求施工中對此段二襯應加強,同時應密切注意噴射混凝土表面變化,如有變化應果斷采取措施,9月9日格柵拱架所受應力達到267.7 MPa,在9月10日早上出現(xiàn)初期支護格柵變形,噴射混凝土開裂掉塊,于是采取了工字鋼臨時支撐,然后在初期支護外貼壁套上工字鋼,間距為1m,與此同時加長錨桿,通過以上措施,防止了塌方事故的發(fā)生。因開裂應力得到一定程度的釋放,隨后幾天應力慢慢減小,二襯施工完后,該點應力基本處于穩(wěn)定,說明后期增加的圍巖壓力已由外貼工字鋼及二襯共同承受。由圖1、圖2可以看出,格柵應力的變化與此斷面初期支護接觸應力大致同步,說明監(jiān)控數(shù)據(jù)基本能真實反映圍巖的壓力大小,同時也為后段施工對支護系統(tǒng)穩(wěn)定性提供了判別依據(jù),以便安全地組織施工。

為與實測結(jié)果進行比較,還運用數(shù)值法對格柵軸力進行計算分析,其結(jié)果如圖3所示,圖中拱腰處格柵的軸力為362 kN,則格柵所受應力:

σ=p/s=362 000N/(4×490)mm2=184.7 MPa

式中:P為格柵斷面所受軸力,N;s為格柵總截面積,mm2;單根φ25鋼筋截面積為490mm2。

以上計算結(jié)果與實測結(jié)果存在差距,再次說明此段圍巖類別劃分偏高。根據(jù)現(xiàn)場施工變形情況,軟巖現(xiàn)場實測值對圍巖類別準確判定及指導施工具有重要的指導意義。

3.3 圍巖變形分析

圖2 格柵拱架壓力隨時間變化曲線(左拱腰)

圖3 數(shù)值計算格柵軸力圖(單位:MN)

圍巖變形量測采用多點位移計及收斂計進行?？傮w規(guī)律是拱部圍巖內(nèi)部位移大于邊墻,在左洞k73+740～+840段,拱部最大位移為7.63 cm,拱腳處最大位移值為5.86 cm,用收斂儀測得拱腳最大收斂為14.61 cm。兩者基本吻合。一般下臺階開挖對收斂的影響為2～4 cm。根據(jù)施工實際,軟巖地段沒有較明顯的拱效應,應按照“強支護”的理念,采用加強型初期支護。

3.4 二次襯砌受力分析

因監(jiān)測斷面二次襯砌量測時間均不到兩個月,所測二襯應力均不大,扣除前期的收縮應力,一般為1～2MPa,由此說明初期支護達到了預期效果,二襯主要作為安全儲備。

4 施工措施

為了控制圍巖變形,確保施工質(zhì)量及施工安全,針對關(guān)口埡泥質(zhì)頁巖特點,采取了動態(tài)設(shè)計、動態(tài)施工、動態(tài)管理的方法,具體措施如下:

1)合理安排施工工序,確定最佳施工參數(shù),優(yōu)化施工組織,最大限度地減少因施工造成的變形量。

2)保證上下臺階的距離不大于50m,仰拱距離下臺階不大于20m,二次襯砌距離下臺階不大于40m;施工中嚴格控制爆破循環(huán)進尺,及時進行初期支護。

3)下臺階開挖后及時施做仰拱,做到早封閉、早成環(huán)。

4)加強初期支護參數(shù)的收集分析和提高支護質(zhì)量,做到及時反饋,對癥下藥;對圍巖節(jié)理發(fā)育段采取注漿措施,對變形大地段增加錨桿數(shù)量及錨桿長度,并進行注漿,確保圍巖的二次穩(wěn)定。系統(tǒng)錨桿的設(shè)置,尤其是長錨桿對圍巖變形的抑制是有效的,在拱肩、鋼支撐接頭、仰拱與曲墻交接處等關(guān)鍵部位應設(shè)鎖扣錨桿或錨管,確保初期支護結(jié)構(gòu)的強度、剛度和穩(wěn)定性。

5)采用TSP203超前地質(zhì)預報手段,及時掌握掌子面前方的巖性變化情況;正確劃分圍巖類別,使支護參數(shù)更為合理。

6)對變形大地段,盡管變形速率還未達到規(guī)范要求值,為保證施工安全,仍需及時進行二次襯砌,并對二襯鋼筋進行加強,同時提高混凝土標號,以保證結(jié)構(gòu)永久安全。

7)實行有效的光面爆破,根據(jù)現(xiàn)場爆破震動測試,原同段雷管裝藥的炮孔最大裝藥量為13 kg,掌子面最大震速為3～4 cm/s,對掌子面10m范圍內(nèi)的初期支護均存在一定影響,因此施工中要求嚴格控制同段雷管炮孔的裝藥量不大于6 kg,減少爆破震動對初期支護及圍巖的影響。

8)加強量測和數(shù)據(jù)整理分析工作,發(fā)現(xiàn)情況或預測預報出可能發(fā)生的異常情況,及早上報,以便作出決策。

5 結(jié)論

通過前期的現(xiàn)場量測、理論分析和優(yōu)化施工方法,已初步摸索出泥質(zhì)頁巖變形及施工規(guī)律:

1)關(guān)口埡隧道泥質(zhì)頁巖巖性較軟,易風化、具明顯的遇水軟化、失水干裂性質(zhì),因此特性的存在,原大部份地段圍巖類別劃分偏高。

2)泥質(zhì)頁巖節(jié)理裂隙發(fā)育地段,上臺階開挖10 d后初期支護常出現(xiàn)開裂現(xiàn)象,特別是有節(jié)理裂隙水地段更加明顯,針對這種情況,圍巖類別應降低,初期支護及二襯結(jié)構(gòu)應加強。

3)掘進時必須堅持短臺階法施工,嚴禁使用長臺階法,控制好各工序的施工距離。

4)搞好監(jiān)控量測,工程中應根據(jù)監(jiān)控信息反饋及時修改設(shè)計,施工中根據(jù)圍巖情況及時調(diào)整施工方法及支護參數(shù),實現(xiàn)動態(tài)管理。

5)軟巖隧道工程的主要特點是允許圍巖進入塑性破壞狀態(tài),其支護的核心是圍巖二次穩(wěn)定問題,加強初期支護尤為重要。

[1]關(guān)寶樹.隧道施工要點集[M].北京:人民交通出版社,2003.

[2]彭立敏.隧道工程[M].長沙:中南大學出版社,2003.

[3]李世輝.隧道圍巖穩(wěn)定系統(tǒng)分析[M].北京:中國鐵道出版社,1992.