王志杰，唐 力，徐海巖，李瑞堯，徐君祥

(西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610031)

蒙華鐵路是中國(guó)繼大秦鐵路、朔黃鐵路和山西中南部鐵路后修建的又一運(yùn)煤鐵路。陽(yáng)城隧道為蒙華鐵路一關(guān)鍵性控制工程，地質(zhì)條件極為復(fù)雜[1]。隧道小里程方向開(kāi)挖揭示巖性呈砂狀及砂夾土狀，含水率較大，膠結(jié)弱，自穩(wěn)能力差，易發(fā)生涌水涌砂等，開(kāi)挖過(guò)程中極易出現(xiàn)初期支護(hù)開(kāi)裂等變形現(xiàn)象。

國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者采用理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)等手段對(duì)隧道圍巖大變形進(jìn)行了研究。李磊等[2]通過(guò)試驗(yàn)探究了巖塊的傳力特性，對(duì)陡傾互層千枚巖變形特征及破壞機(jī)制進(jìn)行了分析。李國(guó)良等[3]根據(jù)相對(duì)變形和巖體強(qiáng)度應(yīng)力比將蘭渝鐵路軟巖隧道擠壓大變形分為3個(gè)等級(jí)，并針對(duì)不同等級(jí)大變形提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法和施工防治措施。徐國(guó)文等[4]將圍巖破壞分為結(jié)構(gòu)面滑移、軟巖塑性流變、板梁彎曲變形3類，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)比較了三臺(tái)階開(kāi)挖法和兩臺(tái)階開(kāi)挖法，提出三臺(tái)階開(kāi)挖法可有效控制大變形。吳廣明等[5]通過(guò)數(shù)值模擬，將微臺(tái)階法與三臺(tái)階七步開(kāi)挖法對(duì)千枚巖地層大變形的影響進(jìn)行對(duì)比，得到微臺(tái)階法可降低變形量。張彪等[6]研究讓壓錨桿的力學(xué)特性，認(rèn)為讓壓錨桿可以控制圍巖變形。汪波等[7]通過(guò)研究隧道施工方法、支護(hù)參數(shù)以及不同埋深對(duì)隧道變形的影響，提出三臺(tái)階施工變形安全控制基準(zhǔn)。楊進(jìn)京[8]結(jié)合突變理論提出了炭質(zhì)泥巖夾砂巖不同埋深隧道的變形控制基準(zhǔn)。高美奔等[9]闡述了千枚巖、炭質(zhì)頁(yè)巖、變質(zhì)砂巖等軟弱巖體的大變形類型及其支護(hù)措施。于天賜[10]通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，提出了非對(duì)稱預(yù)留變形量、長(zhǎng)錨桿加固圍巖等控制軟巖隧道大變形的方法。李術(shù)才等[11]基于“先讓再抗后剛”理念，研發(fā)了針對(duì)軟弱圍巖的核心筒支護(hù)結(jié)構(gòu)體系。

以往文獻(xiàn)對(duì)單一軟弱圍巖大變形有不少研究，對(duì)水平互層圍巖大變形也有所研究，但對(duì)左右土砂分界地層隧道的大變形研究較少。以蒙華鐵路陽(yáng)城隧道為研究對(duì)象，對(duì)DK244+906—DK244+895大變形段進(jìn)行研究，分析其變形機(jī)理，提出變形控制及整治措施，為類似地層隧道大變形整治及安全施工提供借鑒。

1 工程概況

陽(yáng)城隧道位于陜西省榆林市靖邊縣龍洲鄉(xiāng)雙城村附近，起止里程為DK249+134—DK242+041，隧道全長(zhǎng) 7 093 m，最大埋深約207 m。

隧址區(qū)地形受地臺(tái)抬升及黃土高原水流溯源侵蝕的影響，下切作用明顯。V字形沖溝發(fā)育，呈樹(shù)枝狀分布，地形較為復(fù)雜，為典型的黃土高原侵蝕性梁峁溝谷地貌類型。地層從新至老依次為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)新黃土及黏質(zhì)新黃土，第四系中更新統(tǒng)沖洪積中砂，白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖。

2 初期支護(hù)開(kāi)裂變形

DK244+906—DK244+895段巖性為全風(fēng)化砂巖，砂夾塊石土。圍巖含水率較大且破碎滲水，砂層間膠結(jié)弱，自穩(wěn)能力差。開(kāi)挖過(guò)程中易出現(xiàn)臺(tái)階溜垮，邊墻涌水涌砂，開(kāi)挖難以成型等現(xiàn)象。2017年4月5日18:00，開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)現(xiàn)DK244+898處右側(cè)中臺(tái)階初期支護(hù)出現(xiàn)長(zhǎng)1.5 m，寬約0.3～0.5 cm的環(huán)向裂縫。經(jīng)監(jiān)測(cè)，20:00 DK244+906—DK244+895段拱頂沉降均已超過(guò)10 cm。右側(cè)中臺(tái)階以下初期支護(hù)混凝土表面龜裂、剝落，鋼拱架翼緣板外露。20:30 DK244+898裂縫發(fā)展到拱部，裂縫最大寬度約5 cm，初期支護(hù)鋼拱架出現(xiàn)扭曲變形。

初期支護(hù)存在大面積變形侵限，不同斷面處最大欠挖值為85.2，78.9，112.8，32.7 cm，見(jiàn)圖1。

圖1 初期支護(hù)斷面掃描結(jié)果(單位：cm)

3 開(kāi)裂變形原因分析

3.1 隧址區(qū)地質(zhì)條件

隧道圍巖結(jié)構(gòu)松散，含水率大。開(kāi)挖過(guò)程中自穩(wěn)能力差，開(kāi)挖難以成型。DK244+898處掌子面地質(zhì)素描見(jiàn)圖2。隧道左側(cè)位于古沖溝，為全風(fēng)化砂巖，右側(cè)為砂夾塊石土。圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水發(fā)育，隧道容易發(fā)生涌水涌砂。

圖2 DK244+898處掌子面地質(zhì)素描

3.2 圍巖工程特性

對(duì)大變形段掌子面各部位取樣進(jìn)行天然含水率測(cè)試、標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)、顆粒密度試驗(yàn)等基本物理力學(xué)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 天然含水率和顆粒密度試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知:大變形段掌子面左側(cè)全風(fēng)化砂巖與右側(cè)砂夾塊石土含水率相差不大，全風(fēng)化砂巖比砂夾塊石土顆粒密度大，孔隙比大。隧道左側(cè)全風(fēng)化砂巖比右側(cè)砂夾塊石土黏聚力和內(nèi)摩擦角小。圍巖力學(xué)性能差，隧道初期支護(hù)產(chǎn)生的壓力大。

3.3 隧道施工的影響

1)2017年4月3日晚至4月5日凌晨連續(xù)下雨導(dǎo)致初期支護(hù)背后地下水位升高，圍巖重度增大，導(dǎo)致初期支護(hù)承受壓力增大。下臺(tái)階地質(zhì)條件較差，開(kāi)挖過(guò)程中由于地下水匯集，邊墻處發(fā)生應(yīng)力集中。仰拱開(kāi)挖卸荷誘發(fā)了初期支護(hù)變形和開(kāi)裂。

2)上臺(tái)階和中臺(tái)階施工時(shí)間為2016年10月上旬，距下臺(tái)階施工已達(dá)6個(gè)月。施工期間初期支護(hù)背后存在空洞，經(jīng)常流水，伴有泥沙。隨著時(shí)間推移圍巖進(jìn)一步松散，應(yīng)力多次重新分布。初期支護(hù)承受壓力過(guò)大，導(dǎo)致在仰拱開(kāi)挖過(guò)程中變形過(guò)大而開(kāi)裂。

隧道左側(cè)圍巖結(jié)構(gòu)較松散，不能自穩(wěn)，對(duì)隧道初期支護(hù)產(chǎn)生較大的壓力。隧道左側(cè)向洞內(nèi)擠壓變形，隧道整體向右偏移，隧道右側(cè)縱向受拉。噴射混凝土抗拉能力較差，所以產(chǎn)生了環(huán)向裂縫。隨著時(shí)間的推移，裂縫擴(kuò)展，右側(cè)土體擠入洞內(nèi)。

4 變形整治思路和措施

4.1 整治思路

1)首先DK244+906—DK244+895段采取反壓回填、增設(shè)臨時(shí)仰拱、增加扇形支撐、徑向注漿加固等措施，預(yù)防DK244+895—DK244+889段初期支護(hù)變形失穩(wěn)，防止持續(xù)變形造成二次坍塌。

2)加固完成后，為最大限度地減少大變形段仰拱封閉成環(huán)過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，先施工DK244+895—DK244+889段初期支護(hù)、仰拱及二次襯砌，然后采取措施整治DK244+906—DK244+895段大變形，最后施作二次襯砌。

4.2 整治措施

4.2.1 反壓回填、臨時(shí)仰拱和扇形支撐施工

在大變形段對(duì)侵入隧道的土體進(jìn)行反壓回填，見(jiàn)圖3?；靥钸^(guò)程中分段逐層施工，每層填充用挖機(jī)碾壓密實(shí)后再進(jìn)行下層填筑，以保證足夠反壓力。

圖3 回填反壓(單位：m)

以反壓回填渣土頂面為施工平臺(tái)，在大變形段施作每榀間距為0.75 m的I20a橫撐，并與初期支護(hù)焊接。鋼筋網(wǎng)片采用φ8鋼筋，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm，縱向連接筋采用φ22螺紋鋼筋，間距1.0 m。臨時(shí)仰拱噴射C25混凝土，厚27 cm。

以臨時(shí)仰拱為基礎(chǔ)，施作I20a橫撐。橫撐與臨時(shí)仰拱采用I20a立撐焊接，橫撐上設(shè)置扇形支撐(每組由3根I20a型鋼組成)與初期支護(hù)鋼架連接牢固。兩側(cè)支撐與中間支撐呈45°夾角支撐于拱腰，扇形支撐與初期支護(hù)拱架及橫撐間焊接牢固。

大變形段臨時(shí)仰拱及支撐橫斷面施工示意如圖4。

圖4 臨時(shí)仰拱及支撐橫斷面施工示意

4.2.2 加密降水

將大變形段初期支護(hù)開(kāi)裂處混凝土鑿除，并對(duì)破損部位進(jìn)行掃面，噴射10 cm厚C25混凝土。待初期支護(hù)變形穩(wěn)定后進(jìn)行加密降水，加強(qiáng)疏干力度，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位，防止地下水位抬升造成二次失穩(wěn)。

4.2.3 注漿加固

對(duì)大變形段進(jìn)行徑向注漿加固，注漿管采用長(zhǎng)4 m，厚5 mm的φ42無(wú)縫鋼管，注漿管間距為2.0 m×2.0 m。漿液采用P.O 42.5水泥單液漿，自下向上間歇式注漿，注漿壓力控制在1 MPa以下。

4.3 整治效果

選取DK244+902，DK244+898，DK244+896 3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面對(duì)拱頂沉降、水平收斂進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面位移時(shí)程曲線

由圖5可知：在土砂分界地層采取反壓回填、臨時(shí)支撐、扇形支撐、加密降水、注漿加固等措施后，監(jiān)測(cè)斷面DK244+898拱頂沉降為5.34 cm，水平收斂拱腰為2.41 cm，拱腳為4.91 cm。斷面DK244+902，DK244+896拱頂沉降、水平收斂也得到相應(yīng)的改善，證明整治措施對(duì)控制變形效果顯著。

5 結(jié)論

1)在大變形段，與隧道右側(cè)砂夾塊石土相比，左側(cè)富水全風(fēng)化砂巖孔隙比大、顆粒密度大、黏聚力和內(nèi)摩擦角小，土體松散，自穩(wěn)能力差。因此，隧道左側(cè)發(fā)生擠壓變形明顯。

2)初期支護(hù)背后經(jīng)常流水，上下臺(tái)階施工間隔過(guò)長(zhǎng)，隨著時(shí)間推移左側(cè)全風(fēng)化砂巖重度增大，初期支護(hù)承受壓力增大，隧道扭曲，隧道右側(cè)縱向受拉出現(xiàn)環(huán)向裂縫，最終失去承載能力，右側(cè)圍巖擠入洞內(nèi)。

3)土砂分界地層陽(yáng)城隧道大變形段采取反壓回填、增設(shè)臨時(shí)仰拱、增加扇形支撐、加密降水和注漿加固措施，采用設(shè)置橫撐、勤量測(cè)等方法，完成了大變形整治，效果良好。