侯國強(qiáng)

(中鐵十七局集團(tuán)第一工程有限公司， 山東 青島 266018)

0 引言

軟巖大變形一直以來都是制約隧道施工進(jìn)度和結(jié)構(gòu)安全的重大難題，常造成支護(hù)變形、侵限、開裂和大規(guī)模塌方等典型病害和災(zāi)害[1-4]。研究隧道大變形特征和施工技術(shù)，對解決軟巖隧道大變形問題具有重要的意義。

很多學(xué)者結(jié)合工程案例，對上述問題進(jìn)行了一定的研究。軟巖隧道變形通常與地應(yīng)力、巖體強(qiáng)度、埋深和大變形形式等因素相關(guān)[5]，其變形具有變形量大、變形速率快和持續(xù)時間長等特點(diǎn)[6]。劉志強(qiáng)等[7]結(jié)合木寨嶺隧道科研試驗(yàn)相關(guān)資料，得出擠壓性大變形存在兩側(cè)呈優(yōu)勢變形方向的特點(diǎn)和“變而不塌，沒有突變”的結(jié)論；并結(jié)合數(shù)值計算，分析了“可讓式支護(hù)”的受力特性。對于軟巖隧道大變形問題，國內(nèi)外主要遵循主動加固圍巖、合理消耗圍巖存儲能量、減小圍巖擾動等施工理念，逐步形成了斷面優(yōu)化、長錨桿和多次支護(hù)等施工措施[8-10]。如蘭渝線兩水隧道、新城子隧道等以擠壓性大變形為主，最大變形達(dá)1.2 m，支護(hù)受力大，破壞嚴(yán)重；施工過程中采用三臺階預(yù)留核心土法，加強(qiáng)施工質(zhì)量控制，并結(jié)合徑向注漿、斷面優(yōu)化、長錨桿和鎖腳錨桿等措施，將變形控制在100～300 mm[11-12]。成蘭線隧道大變形分為松散型大變形、擠壓性大變形和應(yīng)力作用下軟巖大變形3種，如柿子園隧道屬松散型大變形，其施工最大變形達(dá)560 mm，且監(jiān)測曲線呈“上揚(yáng)狀”，后采用臨時套拱、徑向注漿、長錨桿和非對稱預(yù)留變形量等手段，將變形量控制在80～120 mm，曲線線型呈“下彎狀”，變形逐步趨于穩(wěn)定[13-14]。

綜上，一些學(xué)者已經(jīng)對大變形的變形特征和施工技術(shù)進(jìn)行了一定的研究，并總結(jié)出主動加固圍巖、主動釋放圍巖能量的治理理念和以長錨桿、預(yù)留變形量和徑向注漿為主的施工手段，但針對長錨桿施工質(zhì)量對大變形的控制效果影響缺乏深入研究。同時，不同類型和地質(zhì)條件下的大變形特征、處治措施也不相同。本文結(jié)合茂縣隧道穿越斷層帶的擠壓性大變形問題，摸索斜井和正洞段不同施工、地質(zhì)條件下的變形特征和影響因素，分析正洞錨桿工藝改進(jìn)手段及對變形控制和施工進(jìn)度的影響，研究出茂縣隧道擠壓性大變形特征和施工技術(shù)，并明確了長錨桿及其施工質(zhì)量對大變形控制效果的影響程度，以期對類似工程提供一定的借鑒。

1 工程背景

1.1 工程地質(zhì)概述

茂縣隧道長9 913 m，位處成蘭鐵路茂縣車站—龍?zhí)淋囌緟^(qū)間，地處構(gòu)造剝蝕深切割高中山地貌，溝谷縱橫，地形起伏大，地表高程為1 575～3 278 m，相對高差1 703 m，自然坡度為15°～65°，局部陡壁，以Ⅳ、Ⅴ級圍巖為主，最大埋深1 656 m。進(jìn)口段主要穿越炭質(zhì)千枚巖夾灰?guī)r、砂巖地層，隱伏茂縣1#背斜。中段主要穿越千枚巖、灰?guī)r、砂巖、斷層角礫等地層。洞身穿越茂汶斷裂、九頂山斷層及牟托十里鋪背斜、木杷倒轉(zhuǎn)向斜、茂縣2#倒轉(zhuǎn)背斜。出口段主要穿越砂巖、泥灰?guī)r、硅質(zhì)巖、磷質(zhì)灰?guī)r、大理巖等地層。地下水以巖溶水、基巖裂隙水為主，水量豐富。受區(qū)域構(gòu)造影響，全隧巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，隧道縱斷面如圖1所示。進(jìn)口段按雙線單洞合修、其余段落均按雙線分修形式設(shè)計，全隧按“2斜井+3平導(dǎo)”模式組織施工。

動態(tài)設(shè)計確認(rèn)斜井XJ1K0+628～+042(對應(yīng)埋深為320～650 m)、正洞D8K127+560～D8K128+200(對應(yīng)埋深為410～645 m)為活動斷裂帶及擠壓性變形段落。擠壓性變形段落以千枚巖為主，活動斷裂帶以斷層角礫為主。最大水平主應(yīng)力為27.51 MPa，圍巖抗壓強(qiáng)度為1.95 MPa，強(qiáng)度應(yīng)力比為0.07，屬嚴(yán)重大變形段落。

圖1 茂縣隧道縱斷面

1.2 施工方案

1.2.1 大變形段施工原則

隧道施工應(yīng)堅持“弱爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測”的原則。施工過程中，采用短臺階-預(yù)留核心土法以減小開挖對圍巖的擾動，針對大變形段，采用“剛?cè)岵?jì)”的理念，結(jié)合加強(qiáng)支護(hù)和改善圍巖等手段進(jìn)行治理。同時，針對各部位圍巖狀態(tài)不一致的狀況，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選取支護(hù)參數(shù)。

1.2.1.1 隧道開挖及支護(hù)

隧道開挖應(yīng)選取合適的機(jī)具、方法，開挖斷面應(yīng)圓順，進(jìn)尺不超過1榀鋼架間距且不大于1 m，預(yù)留合適的變形量，嚴(yán)格控制施工用水。

初期支護(hù)主要選取C30早強(qiáng)噴混凝土，根據(jù)不同變形程度，選取樹脂錨桿和自進(jìn)式錨桿，長短交錯，局部施加預(yù)應(yīng)力，拱架選取不低于I18的工字鋼和H型鋼。

1.2.1.2 輔助措施

采用小導(dǎo)管注漿進(jìn)行超前支護(hù)，由于擠壓性大變形地段變形前較密實(shí)，注漿泵應(yīng)保證一定的注漿壓力富余。

當(dāng)變形達(dá)到15 cm且監(jiān)測未顯示明顯減緩時，應(yīng)采用徑向注漿，并設(shè)置孔口管，深度不小于5 m，活動斷裂帶和普通圍巖交界范圍加密變形縫。

1.2.1.3 監(jiān)控量測

按照規(guī)范對正洞拱頂下沉、周邊收斂等的要求進(jìn)行監(jiān)測，及時反饋，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果判斷變形特征，及時調(diào)整支護(hù)參數(shù)。

1.2.1.4 不對稱變形控制

當(dāng)開挖段圍巖完整程度不一致時，根據(jù)現(xiàn)場開挖揭示的圍巖層狀、破碎程度等采用不等長的錨桿。支護(hù)施作后，若發(fā)現(xiàn)變形過大，在該部位局部增設(shè)長錨桿，并對鋼架補(bǔ)打鎖腳錨桿。

1.2.2 施工工法

正洞大變形段落采用三臺階進(jìn)行施工，施工步驟為： 超前支護(hù)、開挖并支護(hù)上臺階、預(yù)留核心土、設(shè)置鎖腳錨桿、系統(tǒng)錨桿—開挖并支護(hù)中臺階、設(shè)置鎖腳錨桿、系統(tǒng)錨桿—開挖并支護(hù)下臺階、設(shè)置鎖腳錨桿、系統(tǒng)錨桿—開挖并澆筑仰拱—施作仰拱填充層、矮邊墻—施作二次襯砌。各臺階長度盡量縮短為4～5 m，錨桿長8 m，間距為1.0 m×1.2 m，二次襯砌施作時機(jī)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)合理選取，原則上在初期支護(hù)變形基本穩(wěn)定后施作。

圖2 三臺階開挖法橫斷面圖

2 斜井施工及變形分析

2.1 斜井施工

1#斜井施工中首先發(fā)生擠壓性大變形現(xiàn)象，現(xiàn)場隨即開展支護(hù)參數(shù)試驗(yàn)，調(diào)整噴射混凝土等級和厚度、鋼架的類型與間距、系統(tǒng)錨桿的類型與參數(shù)等措施，按其參數(shù)不同可分為4個段落，各段落主要支護(hù)參數(shù)如表1所示。

上述4個段落均出現(xiàn)了混凝土開裂剝落、鋼架扭曲斷裂、底鼓以及錨桿斷裂失效等現(xiàn)象，變形超出預(yù)留變形值。支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞照片如圖3所示。

2.2 斜井變形分析

2.2.1 收斂變形分析

斜井水平收斂沿里程分布如圖4所示?？芍?水平收斂隨埋深和斷面尺寸的增加而增大。段落1采用原設(shè)計的雙車道無仰拱支護(hù)，最大收斂值為602.1 mm，平均值為328.8 mm；段落2雖然采取增設(shè)仰拱、增大型鋼型號、加長錨桿的措施，但由于接近汶茂破碎帶，圍巖變差，變形相應(yīng)增加，最大收斂值為880.5 mm，平均值為416.4 mm；段落3為“模擬正洞”試驗(yàn)段，斷面寬度增大約1.26倍，高度增大約1.54倍，斷面形狀更接近“瘦高型”，對抵抗以水平收斂為主的擠壓變形更為不利，最大收斂達(dá)到1 845.3 mm，平均值為961.1 mm；段落4與段落2隧道斷面尺寸相同，支護(hù)參數(shù)略有增強(qiáng)，但由于埋深明顯增大，變形量值也相應(yīng)增加，最大收斂值為834.7 mm，平均值為607.9 mm。整體而言，變形受斷面形狀變化的影響最大，其次是圍巖變化和埋深改變。

表1 斜井主要支護(hù)參數(shù)表

段落2、3、4均設(shè)置了長錨桿，但仍出現(xiàn)大變形。結(jié)合現(xiàn)場灌漿技術(shù)交底資料和拉拔試驗(yàn)可知，由于鉆孔用水量過大、清孔質(zhì)量不合格、水灰比參數(shù)不合理和注漿工藝選取不當(dāng)?shù)?，?dǎo)致錨桿注漿不密實(shí)，致使大變形無法得到控制。

2.2.2 變形特征值分析

統(tǒng)計得到斜井變形特征值(水平收斂/拱頂沉降)分布如圖5所示?？芍?不同段落變形特征值分布較為均勻，變形特征值主要集中在1.5～4.5，表現(xiàn)出水平收斂大于拱頂沉降的特征，且69.9%的特征值>2，表現(xiàn)出單側(cè)水平位移大于拱頂沉降的特征。

(a) 混凝土剝落開裂

(b) 鋼架扭曲變形

(c) 底鼓

圖4 斜井水平收斂沿里程分布

圖5 斜井變形特征值分布圖

Fig. 5 Distribution of deformation characteristic values of inclined shaft

2.2.3 變形速率分析

斜井最大變形速率沿里程分布如圖6所示?？芍?段落1最大變形速率為41.5 mm/d，平均值為15.6 mm/d，段落2最大變形速率為30.2 mm/d，平均值為10.1 mm/d，兩者較接近，段落2的值略小于段落1，隨著段落2支護(hù)強(qiáng)度的增大，變形率有所降低。段落3最大變形速率為118.7 mm/d，平均值為60.8 mm/d，段落4最大變形速率為117.6 mm/d，平均值為59.5 mm/d，兩者較為接近，表明變形速率受開挖斷面尺寸和埋深的影響最為明顯。

圖6 斜井最大變形速率沿里程分布

Fig. 6 Distribution of maximum deformation rates of inclined shaft

2.2.4 斜井變形時程曲線分析

各個段落的典型變形時程曲線如圖7所示。從時程曲線上看，變形與軟弱圍巖較強(qiáng)的流變特性以及支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度密切相關(guān)，具有以下幾方面特征： 1)變形持續(xù)時間長，二次襯砌施作3.5年后，變形仍未收斂； 2)部分?jǐn)嗝孀冃纬侍S型增長，跳躍點(diǎn)相對而言均較為滯后，出現(xiàn)在開挖1年甚至2年之后，部分?jǐn)嗝孀冃纬尸F(xiàn)持續(xù)緩慢增長的狀態(tài)； 3)前期變形速率大，后期增長緩慢，在開挖或出現(xiàn)跳躍后一段時間，變形呈直線上升趨勢，然后逐漸趨于平緩。

(a) 段落1 (XJ1K0+535)

(b) 段落2(XJ1K0+375)

(c) 段落3(XJ1K0+220)

(d) 段落4(XJ1K0+150)

Fig. 7 Typical time-history curves of deformation of inclined shaft

3 正洞施工及變形分析

3.1 正洞施工參數(shù)

正洞動態(tài)設(shè)計左右洞D8K127+775～D8K128+010段為嚴(yán)重變形地段。該地段穿越汶茂斷層破碎帶及千枚巖，設(shè)計為活動斷裂帶大變形Ⅲ型襯砌，圓形斷面，雙層初期支護(hù)分次施作，主要支護(hù)參數(shù)如表2所示。

表2 正洞主要支護(hù)參數(shù)表

3.2 錨桿工藝改進(jìn)

左洞最先施工，施工后變形仍未得到有效控制。其錨桿機(jī)具選取及性能要求如表3所示。

表3大變形機(jī)具選取及性能要求

Table 3 Selection and performance requirements of large deformation tools

機(jī)械類型性能要求或適用條件液壓鉆機(jī)鉆孔深度大于100 m,可多角度鉆進(jìn),鉆孔注漿一體錨桿鉆機(jī) 可實(shí)現(xiàn)小斷面(3.5 m)360°鉆孔注漿一體,可施作普通錨桿和自進(jìn)式錨桿

因此，著重針對錨桿施工工藝進(jìn)行調(diào)整。主要有以下幾個方面：

1)控制鉆孔用水量，改造鉆頭適當(dāng)減小出水孔的尺寸。

2)清孔，鉆孔完成后將孔內(nèi)碎渣利用高壓風(fēng)清除干凈。

3)控制P·O單液漿漿液水灰比，水灰比控制在0.38～0.4，保證千枚巖中漿液的結(jié)石率，從而使注漿飽滿，適當(dāng)加入減水劑以增加流動度。

4)雙球閥注漿，防止注漿完畢撤銷注漿管時漿液回流，向上錨桿必須采用桿體外注漿工藝。

5)因植入式中空錨桿的錨頭提供的臨時錨固力和孔口封堵阻力有限，故采用工作壓力小、波動幅度低的擠壓式注漿泵進(jìn)行注漿。

6)注漿壓力不超過0.5 MPa，當(dāng)壓力達(dá)到1.0 MPa后暫停一定時間后再注漿，待壓力達(dá)到1.5 MPa后停止注漿。若其他部位出現(xiàn)漏漿，則暫停15 s后再繼續(xù)注漿。

7)錨桿在初噴之后施作，若受作業(yè)面限制無法施作長錨桿，先施作樹脂短錨桿，中空錨桿灌漿在錨桿插入鉆孔后3 h內(nèi)進(jìn)行。

8)錨桿施工按4～5 m段落范圍批量施作，掌子面錨桿和系統(tǒng)錨桿在互不干擾的情況下，利用錨桿臺車和潛孔鉆相結(jié)合的方式平行施工。

其中，雙球閥注漿為工藝核心，施工重點(diǎn)為：

1)待中空孔和排氣管連續(xù)股狀返漿后方可關(guān)閉回漿球閥；

2)待管桿跳動，關(guān)閉灌漿注漿管球閥和灌注漿機(jī)(泵)，解除2個球閥之間的短軟管，漿液初凝后再拆除錨桿尾部的余閥和余管。

3.3 正洞變形分析

3.3.1 正洞錨桿工藝改進(jìn)前后變形分析

左洞D8K127+950～D8K128+010為錨桿施工工藝改進(jìn)前的段落，D8K127+775～D8K127+950(不包含D8K127+950斷面)為錨桿施工工藝改進(jìn)后的段落，右洞D8K127+775～D8K128+010全部采用錨桿施工工藝改進(jìn)后的方式施作。錨桿改進(jìn)前后的變形情況如圖8和圖9所示。

圖8 左洞大變形段工藝改進(jìn)前后隧道變形值對比

Fig. 8 Comparison of tunnel deformation before and after construction technology improvement in large deformation section of left tunnel

圖9 右洞大變形段變形值

Fig. 9 Deformation values in large deformation section of right tunnel

左右洞變形特征值(水平收斂/拱頂下沉)分布較為均勻，集中分布在1.05～3.97，其中有89.66%的監(jiān)測點(diǎn)特征值大于1，表明該段變形以水平收斂為主。

錨桿施工工藝改進(jìn)前，左洞大變形段拱頂下沉和水平收斂最大值分別為462.4 mm和950.5 mm，平均值分別為250.69 mm和462.4 mm；錨桿施工工藝改進(jìn)后，左洞大變形段拱頂下沉和水平收斂最大值分別為390.4 mm和548.1 mm，平均值分別為166.97 mm和313.93 mm；拱頂下沉和水平收斂最大值較改進(jìn)前分別減小15.57%和51.35%，平均值分別減小33.40%和32.11%，變形得到了有效控制。

右洞(YDK127+920～925、+875～885段數(shù)據(jù)離散性較大，未統(tǒng)計)大變形段拱頂下沉和水平收斂最大值分別為443.8 mm和585.8 mm，平均值分別為104.72 mm和199.47 mm，拱頂下沉和水平收斂最大值和平均值較左洞工藝未改進(jìn)段變形值分別減小4.02%、38.37%和58.23%、56.86%，明顯小于左洞工藝未改進(jìn)段變形值。綜上，改進(jìn)錨桿工藝對控制大變形是有效的。

3.3.2 正洞變形時程曲線分析

錨桿工藝改進(jìn)前后正洞典型斷面變形時程曲線如圖10所示。結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測資料可知，正洞大變形段變形主要有以下規(guī)律： 1)前期變形速率仍然較快，最大速率為41.6 mm/d，工藝改進(jìn)前后前期變形速率并無明顯變化； 2)正洞變形曲線均呈“下彎狀”，無跳躍形態(tài)出現(xiàn)，變形逐步收斂； 3)完全收斂時長為120～180 d。

(a) 左洞工藝未改進(jìn)段(D8K127+960)

(b) 左洞工藝改進(jìn)段(D8K127+890)

(c) 右洞大變形段(YDK127+775)

3.4 施工進(jìn)度分析

斜井、左洞錨桿工藝改進(jìn)前后、右洞大變形段施工進(jìn)度情況如表4所示。

表4斜井、正洞施工進(jìn)度對比

Table 4 Comparison of construction schedules between inclined shaft and main tunnel

線別段落段落長度/m施工時長/d平均進(jìn)度/(m/d)備注斜井XJ1K0+570～+1004703341.41工藝未改進(jìn)左洞D8K127+775～ D8K128+9501752900.60工藝改進(jìn)D8K127+950～ D8K128+010602730.22工藝未改進(jìn)右洞YD8K127+790～YD8K128+0101854740.39工藝改進(jìn)

注： 表中施工時長未計入春節(jié)放假停工時間，右洞YD8K127+885～ +920共35 m未開挖。

由表4可知： 斜井XJ1K0+570～+100段長470 m，共計開挖334 d，平均開挖速率為1.41 m/d，斜井?dāng)嗝孑^小，同時未計算后期增加套拱、拆換的時間，因此進(jìn)度相對較快。隧道左洞錨桿施工工藝改進(jìn)前平均開挖速率為0.22 m/d，工藝改進(jìn)后平均開挖速率為0.60 m/d，較工藝改進(jìn)段提升172.73%。右洞大變形段平均速率為0.39 m/d，較左洞工藝改進(jìn)前提升77.23%，但相對左洞工藝改進(jìn)后效率有所降低，主要是因?yàn)楝F(xiàn)場進(jìn)一步提高工人對錨桿施工工藝的熟練度和進(jìn)一步提高施工質(zhì)量降低變形，因此右洞整體變形值有所降低，但進(jìn)度也同步降低。綜合分析，改進(jìn)錨桿工藝可明顯提升大變形段隧道的施工進(jìn)度，但同時也需要進(jìn)一步研究施工組織，以提高整體進(jìn)度。

4 結(jié)論與討論

本文通過對茂縣隧道擠壓大變形段不同設(shè)計、施工和地質(zhì)條件下正洞及斜井施工技術(shù)和變形特征、正洞錨桿施工工藝改進(jìn)前后隧道變形情況和工期進(jìn)行對比分析，得到以下結(jié)論：

1)斜井和正洞水平收斂變形突出，變形具有持續(xù)時間長、變形收斂慢和前期變形速率大等特點(diǎn)，斜井部分?jǐn)嗝孀冃纬霈F(xiàn)跳躍式增長現(xiàn)象。

2)斜井段變形值和變形速率受斷面形狀、圍巖變化和埋深的影響較大。其中，變形值受斷面形狀的影響最大，變形速率則受開挖尺寸和埋深的影響最為明顯。

3)正洞在采用調(diào)整斷面形狀、長錨桿和雙層高強(qiáng)初期支護(hù)等常規(guī)控制手段后，變形量和工期仍未達(dá)到預(yù)期效果，需對錨桿施工工藝進(jìn)行調(diào)整以保證錨桿施作質(zhì)量。

4)主要從用水量、成孔質(zhì)量、水灰比和注漿方式進(jìn)行改進(jìn)錨桿工藝，改進(jìn)后，擠壓性大變形段平均變形值減小32.11%～58.86%，左右洞工期速度約提升172.73%和77.23%。

目前，茂縣隧道擠壓性大變形段施工進(jìn)度仍不理想，類似條件下的快速施工技術(shù)仍需進(jìn)一步摸索，錨桿施工質(zhì)量對變形的影響也值得進(jìn)一步分析。