李雪林

(中鐵三局集團(tuán)西南工程有限公司， 成都 610083)

天生橋隧道古溶蝕洼地段初支大變形控制技術(shù)

李雪林

(中鐵三局集團(tuán)西南工程有限公司， 成都 610083)

滬昆客運(yùn)專(zhuān)線天生橋隧道通過(guò)古溶蝕洼地段，圍巖具有中等～強(qiáng)膨脹性，遇水后發(fā)生軟化，導(dǎo)致上臺(tái)階初期支護(hù)產(chǎn)生49 m長(zhǎng)、最大4.2 m的沉降量。通過(guò)采用在未變形段加強(qiáng)初期支護(hù)強(qiáng)度、增加臨時(shí)支撐,以及在大變形產(chǎn)生段施工中采用上臺(tái)階回填、超前帷幕注漿、初期支護(hù)及二次襯砌加強(qiáng)、拱墻徑向注漿、拱腳部位鎖腳錨管加強(qiáng)、上臺(tái)階設(shè)置φ32縱向槽鋼梁、基底鋼管樁注漿加固等綜合技術(shù)，成功控制圍巖變形，順利通過(guò)大變形段，對(duì)同類(lèi)地質(zhì)條件工程具有重要參考價(jià)值。

初期支護(hù)大變形； 徑向注漿； 帷幕注漿； 鋼管樁

軟弱圍巖隧道開(kāi)挖過(guò)程中易發(fā)生大變形等情況，尤其膨脹性圍巖遇水后更容易產(chǎn)生大變形。關(guān)于大變形隧道理論研究、支護(hù)理論、施工技術(shù)的研究一直屬于該領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。關(guān)于軟巖隧道大變形產(chǎn)生機(jī)理和理論分析，孫鈞[1]等人提出了高地應(yīng)力條件下隧道軟弱圍巖發(fā)生擠壓大變形的復(fù)雜力學(xué)行為，歸屬為變形速率快而收斂速率慢的非線性流變變形。何滿潮[2]等人對(duì)小變形力學(xué)數(shù)值方法分析軟巖工程大變形問(wèn)題的合理性問(wèn)題進(jìn)行了研究。在軟巖大變形隧道的支護(hù)理論研究方面，申鵬[3]等人提出了一種環(huán)狀間隔式襯砌與主動(dòng)性卸載相結(jié)合的永久性支護(hù)理念。司賢超[4]認(rèn)為前人提出的“先柔后剛、先放后抗”的處理原則和理論不適應(yīng)軟巖大變形隧道的控制。在軟巖大變形隧道的支護(hù)設(shè)計(jì)和施工中，侯超[5]提出了采用調(diào)整隧道邊墻曲率，預(yù)留變形量、加長(zhǎng)中空錨桿、加長(zhǎng)系統(tǒng)錨桿、加強(qiáng)單層初期支護(hù)的方案等措施，確保施工安全。朱安龍[6]等人提出支護(hù)初期維持原支護(hù)體系原有支護(hù)剛度，在充分發(fā)揮支護(hù)體支護(hù)力的前提下實(shí)現(xiàn)大變形讓壓，以釋放圍巖壓力，提高支護(hù)效果，控制圍巖及初期支護(hù)變形量的觀點(diǎn)。在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，針對(duì)大變形隧道初期支護(hù)的施工控制也采取了諸如超強(qiáng)鋼支撐加強(qiáng)支護(hù)、注漿加固、擴(kuò)挖換拱[7-8]等措施。本文結(jié)合天生橋軟巖膨脹性圍巖在開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)的長(zhǎng)距離大變形(最大值4.2 m)、重復(fù)大變形等問(wèn)題，從大變形產(chǎn)生原因機(jī)理、變形控制措施、安全施工等方面進(jìn)行闡述。目前，關(guān)于如此大變形隧道初期支護(hù)的控制技術(shù)應(yīng)用等方面的研究也鮮有報(bào)道。

1 工程概況

滬昆客運(yùn)專(zhuān)線云南段天生橋隧道某段埋深約85 m，巖性為玄武巖，拱墻范圍為全風(fēng)化層，仰拱位于弱風(fēng)化層，屬于V級(jí)圍巖。坡面覆蓋第四系全新統(tǒng)坡殘積(Q4dl+el)膨脹土。該段為古溶蝕洼地，原始地貌覆蓋有一些古沖、洪積的沉積物，為一富水的負(fù)地形，既有原來(lái)古洼地的沉積風(fēng)化物和巖漿噴發(fā)的火山灰形成的凝灰?guī)r的風(fēng)化物，也有玄武巖本身風(fēng)化成土狀和角礫狀的成分復(fù)雜，整體性差。同時(shí)該段地表相對(duì)為一負(fù)地形，有利于降雨下滲，導(dǎo)致該段富水，地下水類(lèi)型主要為第四系松散土層孔隙水、基巖裂隙水、巖溶水。坡面坡殘積土層、第四系松散土層孔隙水量較豐富。巖體發(fā)育的裂隙貫通性好，裂隙水發(fā)育。洞身巖溶發(fā)育，巖體多破碎，溶洞、溶槽、溶蝕破碎帶發(fā)育，富水巖體比重含量大，巖溶水極發(fā)育。復(fù)雜的圍巖成分與地下水的軟化作用，導(dǎo)致該段塌方和突泥風(fēng)險(xiǎn)較高。

2 初期支護(hù)變形產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程

2.1 首次大變形發(fā)生過(guò)程描述及變形情況

在D1K 1135+938～939安裝上臺(tái)階拱架過(guò)程中(掌子面里程D1K 1135+939.2)，拱頂不斷有土向洞內(nèi)溜坍。4小時(shí)后，D1K 1135+890處裂縫明顯變大(長(zhǎng)約為3.5 m，寬度約2 cm)，并能清晰的看到D1K 1135+890處初支混凝土在剝落，同時(shí)能聽(tīng)到掌子面土體滑塌的聲音。掌子面拱架安裝完1 d后，監(jiān)控量測(cè)結(jié)果顯示：上臺(tái)階D1K 1135+890～+939臺(tái)階面出現(xiàn)隆起，隆起高度1.5 m，D1K 1135+904～+939段初期支護(hù)下沉，5 d后最大下沉量達(dá)到4.2 m。隧道下沉如圖1所示。

圖1 隧道下沉示意圖

2.2 二次大變形發(fā)生過(guò)程描述及變形情況

初期大變形產(chǎn)生后，通過(guò)進(jìn)行地質(zhì)補(bǔ)勘和初步原因分析后，對(duì)大變形段采取環(huán)向兩榀鋼架中間施作套拱、槽鋼墊板縱向貫通連接鋼架、施工鎖腳錨管。隧道內(nèi)鉆孔地質(zhì)柱狀圖如圖2所示。

圖2 隧道內(nèi)鉆孔地質(zhì)柱狀圖

套拱加固完成后，上臺(tái)階施工臨時(shí)仰拱并進(jìn)行臨時(shí)斜撐加固，隔榀支撐，并輔以徑向注漿和拱部設(shè)置大管棚超前支護(hù)、超前小導(dǎo)管注漿后變形區(qū)域穩(wěn)定后進(jìn)行換拱施工，隧道內(nèi)臨時(shí)支撐設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 臨時(shí)支撐設(shè)計(jì)圖

隧道換拱結(jié)束后，繼續(xù)向前開(kāi)挖，對(duì)洞內(nèi)的剩余監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)進(jìn)行沉降觀測(cè)，變形情況如下：D1K 1135+935(下沉24.2 cm)、+930(下沉14.7 cm)、+925(下沉6.1 cm)、+920(下沉0.6 cm)。

2.3 大變形的發(fā)生發(fā)展主要特點(diǎn)

隧道初期支護(hù)大變形發(fā)展的主要特點(diǎn)：

(1)變形的速率快：初期支護(hù)從產(chǎn)生變形到達(dá)到最大值4.2 m的時(shí)間為5 d。

(2)波及范圍廣：變形最大值至初期支護(hù)發(fā)生裂縫的距離達(dá)到49 m長(zhǎng)，變形波及范圍廣。

(3)呈現(xiàn)多次重復(fù)發(fā)生的特點(diǎn)：首次發(fā)生大變形后，通過(guò)采取多種組合措施后，變形呈現(xiàn)趨穩(wěn)狀態(tài)，待重新進(jìn)行開(kāi)挖后，隧道初期支護(hù)即產(chǎn)生二次大變形，呈現(xiàn)反復(fù)發(fā)生大變形的特點(diǎn)，但第二次的變形量較第一次明顯變小。

3 大變形產(chǎn)生的主要原因分析

3.1 膨脹性圍巖因素

根據(jù)地質(zhì)補(bǔ)勘和超前鉆探揭示，該段為玄武巖與灰?guī)r接觸帶，施工擾動(dòng)層土體呈軟塑～流塑狀，該段地層自由膨脹率82%～153%，為中等～強(qiáng)膨脹土。膨脹巖脹縮特性的實(shí)質(zhì)是由于膨脹巖吸水和失水作用而發(fā)生的體積變化。

3.2 古溶蝕洼地不良地質(zhì)因素

地勘資料顯示隧道初支大變形段位于古溶蝕洼地揭示范圍內(nèi)。古溶蝕洼地原始地貌覆蓋物主要為古沖、洪積的沉積物，且地表相對(duì)為一負(fù)地形，有利于降水富集，巖漿巖在高溫蝕變和后期地下水軟化的共同作用下，圍巖的完整性、自身支護(hù)強(qiáng)度被顯著弱化，隧道發(fā)生塌方和突泥風(fēng)險(xiǎn)較高。

3.3 水的影響作用

膨脹性巖中的大量膨脹礦物在圍巖的破壞區(qū)吸收自由水引起膨脹壓力，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加的膨脹性地壓，特別是在斷層及裂隙發(fā)育帶，膨脹壓力更為嚴(yán)重，巖石表層在開(kāi)挖幾天后即黏土化，喪失大部分強(qiáng)度。

3.4 軟巖大變形隧道的支護(hù)強(qiáng)度

隧道開(kāi)挖過(guò)程中，由于地應(yīng)力、膨脹壓力等影響，導(dǎo)致初期支護(hù)受力過(guò)大，已不足抵抗外部荷載，初期支護(hù)的承載力不足導(dǎo)致鋼架和支護(hù)下沉變形，是產(chǎn)生軟巖大變形的主要原因之一。

4 變形控制施工技術(shù)

4.1 變形段處理技術(shù)

(1)下臺(tái)階已開(kāi)挖段采用φ200鋼管對(duì)拱頂進(jìn)行豎向支撐，上臺(tái)階段初期支護(hù)設(shè)置臨時(shí)仰拱及φ200豎向支撐，臨時(shí)仰拱及豎向支撐縱向間距1 m。

(2)拱墻范圍進(jìn)行徑向注漿，以改良拱墻范圍內(nèi)土體。

(3)對(duì)變形、侵限鋼架進(jìn)行逐榀拆換，每次拆換不超過(guò)兩榀。

(4)初期支護(hù)采用全環(huán)I25a型鋼鋼架支護(hù)，縱向間距0.5 m，拱墻初支預(yù)留80 cm變形量，第二層補(bǔ)強(qiáng)鋼架根據(jù)監(jiān)控量測(cè)適時(shí)確定。

(5)鋼架每臺(tái)階接頭處采用4根φ76注漿錨管加強(qiáng)鎖腳，長(zhǎng)度6 m。

(6)上臺(tái)階拱腳位置設(shè)置縱向槽鋼，槽鋼長(zhǎng)1 m，滿足兩榀鋼架架設(shè)條件，每個(gè)接頭兩側(cè)槽鋼底部各設(shè)置1根φ76注漿錨管，槽鋼與管身之間設(shè)置木墊塊，確保槽鋼平整。

4.2 基底處理

隧底承載力不滿足要求時(shí)，采用鋼管樁注漿加固。加固深度為進(jìn)入弱風(fēng)化灰?guī)r0.5 m，仰拱基底范圍孔口管按1 m間距交錯(cuò)布置，邊墻基底范圍按0.6 m交錯(cuò)布置，鋼管樁注漿加固施工情況如圖4所示。

圖4 鋼管樁注漿加固示意圖

4.3 超前加固

(1)采用洞碴回填上臺(tái)階至掌子面段落。

(2)于D1K 1135+933～+937段設(shè)置止?jié){墻，墻身采用C20模筑混凝土，止?jié){墻內(nèi)預(yù)埋φ133孔口管。

(3)采用超前預(yù)注漿對(duì)D1K 1135+937～+962段巖體進(jìn)行超前帷幕注漿加固。注漿加固長(zhǎng)度25 m，開(kāi)挖20 m，預(yù)留5 m止?jié){巖盤(pán)。注漿擴(kuò)散半徑2.0 m，孔底間距3.0 m，每循環(huán)設(shè)置7環(huán)注漿孔，共129孔。

4)注漿參數(shù)：鉆孔孔徑φ108 mm，注漿終壓不小于8 MPa，注漿材料為硫鋁酸鹽水泥，水灰比0.8～1∶1。

(5)鉆孔和注漿順序由外向內(nèi)，同一圈孔間隔施工，采用后退式注漿。

(6)注漿量：根據(jù)地層圍巖孔隙率37%～55%，單孔每米設(shè)計(jì)注漿量4.5～7.0 m3，超前帷幕注漿孔位布置如圖5所示。

圖5 超前帷幕注漿孔位布置圖(cm)

4.4 襯砌加強(qiáng)

該段采用特殊設(shè)計(jì)襯砌，拱墻厚60 cm，仰拱厚度65 cm，襯砌環(huán)向主筋型號(hào)為HRB400，仰拱主筋為3根一束，由5束/1 m調(diào)整為6束/1 m，拱墻襯砌主筋采用雙排鋼筋，由10根/1 m調(diào)整為12根/1 m。

5 效果分析

通過(guò)采用上述措施后，隧道初期支護(hù)變形得到有效控制，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，沉降變形值及變形速率滿足控制要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)軟巖大變形段隧道產(chǎn)生大變形原因分析、變形控制措施等的研究和試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

(1)膨脹性圍巖遇水膨脹作用及圍巖承載力不足，是初期支護(hù)產(chǎn)生大變形的主要影響因素。

(2)通過(guò)上臺(tái)階回填后超前帷幕注漿，輔以初期支護(hù)及二次襯砌加強(qiáng)、徑向局部補(bǔ)注漿、加強(qiáng)拱腳部位鎖腳錨管、上臺(tái)階設(shè)置縱向槽鋼梁、基底鋼管樁注漿加固等綜合措施，可改善隧道初期支護(hù)大變形段支護(hù)體系的受力性能，改善支護(hù)效果，確保施工安全。

(3)在隧道大變形段施工中，加強(qiáng)初期支護(hù)，提高基底承載力，在控制軟巖大變形方面是有效的。

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(編輯：蘇玲梅 張紅英)

Technology for Large Deformation Control of Primary Support of Tianshengqiao Tunnel in the Ancient Karst Depression Section

LI Xuelin

(Southwest Engineering Co.,Ltd of China Railway No.3 Engineering Group Chengdu 610083, China)

The surrounding rock of ancient karst depression section where Tianshenqiao tunnel passes through on Shanghai-Kunming Passenger Dedicated Line is of medium to strong expansibility and is softened when the water infiltrates into the rock, which leads to settlement with a length of 49 m and a depth of 4.2 m in the primary support of upper bench. In the section without deformation, the primary support has been strengthened and temporary support has been increased. In the large deformation section, such comprehensive construction technologies have been used as upper bench backfill, advanced curtain grouting, strengthening of primary support and secondary lining, radial grouting in the arch wall, strengthening of locking anchor pipes at the arch foot, setting of φ32 mm longitudinal steel channel beams at the upper bench and grouting strengthening of pipe pile at the bottom of the tunnel. The above measures have effectively controlled the deformation of surrounding rock and ensured the construction of the tunnel is successful in the large deformation section, which can provide important reference for projects under the similar geological conditions.

large deformation of primary support; radial grouting; curtain grouting; steel pipe pile

2016-05-27

李雪林(1973-)，男，高級(jí)工程師。

1674—8247(2016)06—0052—04

U452.2

A