杜曉偉

【摘要】武都西隧道圍巖軟弱、破碎，節(jié)理非常發(fā)育，層理面光滑，隧道埋深大，地應力較高，易發(fā)生大變形，并且變形時間長、位置不規(guī)律、速度較快，嚴重影響工程穩(wěn)定性；在理論分析和現(xiàn)場試驗探索的基礎(chǔ)上采用三臺階七步開挖法，運用雙層拱架支護，特殊段采取超強支護，同時加強監(jiān)控量測，管控施工細節(jié)。工程實踐說明，以上措施是可行的、有效的。

【關(guān)鍵詞】軟巖大變形；開挖工藝；支護類型；控制措施

1、工程概況

武都西隧道位于成武高速公路終點，武都市西城郊鄉(xiāng)黃家壩上沒水山內(nèi)，白龍江岸邊。起止樁號為ZK83+810～ ZK87+573，YK83+831～ YK87+612，單洞長7544m，為分離式巖質(zhì)公路隧道，是成武高速公路武都段的控制性工程，全隧道采用四心圓斷面，運用新奧法施工設(shè)計原理，根據(jù)地質(zhì)資料，采用Ⅳc和Ⅴb支護參數(shù)。

水文地質(zhì)方面，隧道設(shè)計地質(zhì)為中風化灰?guī)r、泥灰?guī)r，灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，裂隙發(fā)育，為較軟巖，巖體較破碎，圍巖穩(wěn)定性較差，施工時有少量滴水，隧道最大埋深超過1000m。在實際施工過程中，隧道圍巖地質(zhì)情況與設(shè)計地質(zhì)情況發(fā)生較大變化，施工開挖后隧道地質(zhì)圍巖為以千枚化的炭質(zhì)頁巖為主，夾千枚化的炭質(zhì)泥灰?guī)r，強風化，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體極為破碎，節(jié)理面光滑，屬軟巖，并受白龍江F5斷層次生帶垂直應力強力釋放影響，圍巖變形大，褶皺明顯，圍巖完整性及穩(wěn)定性差，洞內(nèi)干燥、圍巖溫度較高。

2、圍巖性質(zhì)的認識與分析

2.1大變形產(chǎn)生原因的分析

通過武都西隧道施工總結(jié)，反映出千枚化炭質(zhì)頁巖是一種具有沿層理面蠕滑、巖性流變和巖體構(gòu)造破碎的一種特殊的巖體，在該巖體下產(chǎn)生隧道大變形的主要原因有：

一是巖體破碎，整體性極差，在隧道開挖過程中，圍巖荷載平衡被破壞，自穩(wěn)能力減弱，在自重作用下向凈空內(nèi)持續(xù)蠕變；

二是層理面光滑，巖體之間摩擦力小，巖質(zhì)軟弱，抵抗圍巖變形的能力弱，使圍巖蠕變時間更長，圍巖遲遲不能穩(wěn)定；

三是隧道埋深較大，最大埋深超過1000米，存在高地應力，在地應力的作用下隧道圍巖變形進一步加劇；

四是受F5斷層次生帶影響嚴重，掌子面圍巖褶皺明顯，層理紊亂，壓力釋放較慢，使圍巖變形持續(xù)時間過長；

五是圍巖溫度較高，最高時掌子面溫度達48℃，溫度越高時圍巖變形越嚴重，說明該山體沒有完全穩(wěn)定，應力在持續(xù)釋放，造成隧道圍巖變形嚴重。

以上五種原因造成圍巖對隧道初支壓力持續(xù)增大，變形嚴重，使的原設(shè)計初支不能抵抗圍巖壓力，初支變形侵限并二次換拱。

2.2大變形的特點

2.2.1持續(xù)時間過長

從掌子面開挖至二襯混凝土澆筑，正常情況下期間有45天，但初支變形沒有達到穩(wěn)定狀態(tài)，甚至個別段落在二襯澆筑完成550天后，仍然產(chǎn)生變形，表現(xiàn)為拱頂和拱腰位置產(chǎn)生45°斜角裂縫，裂縫規(guī)律明顯。這說明圍巖在經(jīng)過長時間蠕變后并沒有達到穩(wěn)定狀態(tài)，變形持續(xù)時間長。

2.2.2位置規(guī)律性不強

武都西隧道圍巖變形位置分布錯亂，掌子面左右兩側(cè)各有分布，同側(cè)拱肩、拱腰和起拱線處各有分布，段落、斷面沒有規(guī)律，變形數(shù)據(jù)沒有規(guī)律，導致預留沉降量控制難度大，二襯超重時有發(fā)生。

2.2.3速度較快

監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示，在掌子面開挖至上導初支完成的短短14小時內(nèi)，圍巖已經(jīng)發(fā)生較大變形，其中最大數(shù)值為86mm，初支完成后日變形量均為20～40mm，掌子面掘進僅5～7m時，初支開始出現(xiàn)環(huán)向裂縫，掘進10～15m時出現(xiàn)縱向裂縫，甚至鋼拱架扭曲變形，混凝土表面破碎掉塊，說明圍巖變形速度較快。

2.2.4工序銜接時變形速率加快

監(jiān)控量測曲線圖顯示，上中下臺階、下臺階與仰拱支護的工序銜接時間段內(nèi)圍巖變形速率有所加快，曲線圖不在平穩(wěn)，有拐點出現(xiàn)，主要原因是掌子面開挖時圍巖受到擾動，尤其鉆爆法施工中爆破對圍巖的擾動極大，加大變形速率；其次是仰拱開挖后，鋼拱架拱腳懸空，加大了圍巖變形的速率。

3、施工技術(shù)控制

3.1選擇合理的開挖方法

武都西隧道大變形段施工過程中，根據(jù)圍巖受擾動情況和監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析，探索了不同的開挖方法，主要有上下臺階預留核心土、三臺階、三臺階預留核心土和超短三臺階預留核心土七步開挖法等不同方法，最終認為三臺階預留核心土七步開挖法最適合用于千枚化炭質(zhì)頁巖大變形段的施工，并遵循“短進尺、早封閉”的原則，即每次開挖進尺0.75m，每臺階長度控制在5m以內(nèi)，仰拱與掌子面控制距離控制在20m以內(nèi)，掌子面、中導、下導同步驟施工，仰拱采用棧橋法全斷面施工工藝，長度控制在3.5m以內(nèi)。

同時得出最優(yōu)機械組合是銑挖機配合破碎錘。即先用銑挖機進行掌子面開挖，并進行拱頂及拱腰修邊，在拱腳圍巖較硬銑挖機銑挖效果不明顯的地方再有破碎錘進行開挖，以達到開挖速度合理，對圍巖擾動小的效果。

3.2采用雙層初支加強支護

武都西隧道大變形段施工中，分別采用了Ⅴb、Ⅴd支護參數(shù)、間斷式雙層初支支護參數(shù)，最終確定為雙層初支支護參數(shù)才能滿足大變形段初支荷載，具體支護參數(shù)為：Φ42超前小導管，長度4.5m，間距35㎝，搭接長度不小于1m，仰角10～15°；系統(tǒng)錨桿為R27中空注漿錨桿，長度4.5m，環(huán)向間距1m，縱向間距75㎝；第一層初支拱架為H175型鋼，間距75㎝，第二層初支拱架為I20a工字鋼，間距75㎝；噴射C25混凝土，厚50㎝；掛設(shè)Φ8雙層鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)距20㎝×20㎝；采用Φ42鎖腳鋼管，長度4.5m，每榀24根；二襯C25混凝土采用模筑混凝土，厚度50㎝；主筋為Φ22鋼筋，間距25㎝，雙層鋼筋網(wǎng)。

3.3特殊段落超強支護

武都西隧道大變形段在采用雙層初支后，變形得到有效控制，初支滿足現(xiàn)場施工要求，能抵抗圍巖壓力，確保隧道安全。但仍有段落變形依然較大，噴射混凝土開裂，甚至初支鋼拱架扭曲變形。對于這種特殊段落，應采取局部超強支護的措施，具體是在變形段拱墻上布設(shè)鋼花管并注漿，鋼花管長6m，環(huán)向間距1m，縱向間距0.75m，漿液為水泥、水玻璃雙液漿，水玻璃為水泥摻量的5%，注漿壓力控制在2Mpa左右。對該段二襯可采用提高混凝土標號和增加配筋率的方法增強支護參數(shù)，具體為將二襯混凝土標號由C25提高到C30，將二襯主筋由Φ22提高到Φ25。

3.4控制措施

3.4.1加強監(jiān)控量測

武都西隧道大變形段施工過程中，組建了專職監(jiān)控量測小組，并制定了詳細的量測制度和方案，確保量測數(shù)據(jù)準確真實，及時分析總結(jié)數(shù)據(jù)，根據(jù)結(jié)果調(diào)整施工方案和預留沉降量，綜合運用全站儀、水準儀、收斂儀及激光斷面儀進行斷面檢測、沉降觀測、收斂觀測和周邊位移檢測，每5m布置一觀測斷面，每個斷面布置7個觀測點，進行系統(tǒng)的監(jiān)控量測控制。

3.4.2注重細節(jié)管控

武都西隧道施工過程中，施工質(zhì)量細節(jié)控制一直是施工質(zhì)量管理的重點，具體有：

一是保證鋼拱架拱腳落在實處。施工過程中，清除拱腳虛渣，增加方木（20㎝×20㎝×50㎝），保證鋼拱架落實，加大圍巖的受力面積，減小鋼拱架沉降，增強了穩(wěn)定性；

二是嚴格控制鎖腳鋼管的施工質(zhì)量。采用L型鋼筋將鎖腳鋼管和鋼拱架進行輔助焊接，L型鋼筋為Φ25鋼筋，長度為25cm+25cm，加大了鋼筋與鎖腳鋼管和鋼拱架的焊接面積，確保了鎖腳鋼管與鋼拱架的焊接質(zhì)量；

三是錯開雙層鋼拱架的接茬位置。內(nèi)層I20a工字鋼和外層H175型鋼在下料時取不同長度原料，焊接時把接茬位置錯開，間隔分布；

四是雙層鋼拱架整體受力。環(huán)向每間隔1.5m進行10㎝的焊接，使雙層鋼拱架形成一個整體，增大支護剛性，充分發(fā)揮強支護的作用；

五是控制系統(tǒng)錨桿的施工質(zhì)量。系統(tǒng)錨桿要保證數(shù)量、深度，確保注漿質(zhì)量，加強松動圈的整體穩(wěn)定性；

六是確保噴射混凝土的厚度和密實度。噴射混凝土時，質(zhì)檢人員現(xiàn)場旁站，保證混凝土密實，表面平整，無空洞、無雜物。對于超挖或者圍巖坍塌嚴重處，噴射前可預埋注漿管道，待初支混凝土滿足強度要求后，先采取臨時加固措施，然后泵送貧混凝土回填空腔。如果拱頂有塌腔，上述方法同樣適用；

七是速噴掌子面。掌子面圍巖本身軟弱，在開挖擾動下，極不穩(wěn)定，易發(fā)生松動、掉塊甚至崩塌。開挖到位后，采取先速噴掌子面，待其穩(wěn)定后再立拱架支護的措施，這樣做有助于保證作業(yè)工人的安全、掌子面圍巖的穩(wěn)定及噴射混凝土的質(zhì)量。

4、結(jié)論

通過對武都西隧道大變形段的施工總結(jié)，認為在復雜地質(zhì)環(huán)境下，超過圍巖等級的大變形圍巖客觀存在，在該類圍巖施工中，一定要堅持“短進尺、早封閉、強支護、勤量測”的隧道施工原則，合理的安排三臺階七步開挖法施工工序，有效的利用施工空間和時間，進行平行流水作業(yè)，避免交叉作業(yè)的互相影響；堅持合理的預留沉降量，盡量做到初支不侵限，二襯混凝土不超量。

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