侯國(guó)強(qiáng)
(中鐵十七局集團(tuán)第一工程有限公司, 山東 青島 266018)
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(duì)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(duì)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(shí)間長(zhǎng)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(shì)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(jì)算,分析了“可讓式支護(hù)”的受力特性。對(duì)于軟巖隧道大變形問題,國(guó)內(nèi)外主要遵循主動(dòng)加固圍巖、合理消耗圍巖存儲(chǔ)能量、減小圍巖擾動(dòng)等施工理念,逐步形成了斷面優(yōu)化、長(zhǎng)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(tái)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(zhǎng)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(cè)曲線呈“上揚(yáng)狀”,后采用臨時(shí)套拱、徑向注漿、長(zhǎng)錨桿和非對(duì)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(duì)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(dòng)加固圍巖、主動(dòng)釋放圍巖能量的治理理念和以長(zhǎng)錨桿、預(yù)留變形量和徑向注漿為主的施工手段,但針對(duì)長(zhǎng)錨桿施工質(zhì)量對(duì)大變形的控制效果影響缺乏深入研究。同時(shí),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(duì)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(zhǎng)錨桿及其施工質(zhì)量對(duì)大變形控制效果的影響程度,以期對(duì)類似工程提供一定的借鑒。
茂縣隧道長(zhǎng)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(duì)高差1 703 m,自然坡度為15°~65°,局部陡壁,以Ⅳ、Ⅴ級(jí)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(jì),全隧按“2斜井+3平導(dǎo)”模式組織施工。
動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)確認(rèn)斜井XJ1K0+628~+042(對(duì)應(yīng)埋深為320~650 m)、正洞D8K127+560~D8K128+200(對(duì)應(yīng)埋深為410~645 m)為活動(dòng)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(dòng)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
1.2.1 大變形段施工原則
隧道施工應(yīng)堅(jiān)持“弱爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”的原則。施工過程中,采用短臺(tái)階-預(yù)留核心土法以減小開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng),針對(duì)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(shí),針對(duì)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(zhǎng)短交錯(cuò),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(cè)未顯示明顯減緩時(shí),應(yīng)采用徑向注漿,并設(shè)置孔口管,深度不小于5 m,活動(dòng)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(cè)
按照規(guī)范對(duì)正洞拱頂下沉、周邊收斂等的要求進(jìn)行監(jiān)測(cè),及時(shí)反饋,根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果判斷變形特征,及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)。
1.2.1.4 不對(duì)稱變形控制
當(dāng)開挖段圍巖完整程度不一致時(shí),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開挖揭示的圍巖層狀、破碎程度等采用不等長(zhǎng)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(zhǎng)錨桿,并對(duì)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(tái)階進(jìn)行施工,施工步驟為: 超前支護(hù)、開挖并支護(hù)上臺(tái)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(tái)階、設(shè)置鎖腳錨桿、系統(tǒng)錨桿—開挖并支護(hù)下臺(tái)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(tái)階長(zhǎng)度盡量縮短為4~5 m,錨桿長(zhǎng)8 m,間距為1.0 m×1.2 m,二次襯砌施作時(shí)機(jī)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)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(tái)階開挖法橫斷面圖
1#斜井施工中首先發(fā)生擠壓性大變形現(xiàn)象,現(xiàn)場(chǎng)隨即開展支護(hù)參數(shù)試驗(yàn),調(diào)整噴射混凝土等級(jí)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(gè)段落,各段落主要支護(hù)參數(shù)如表1所示。
上述4個(gè)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。
2.2.1 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(jì)的雙車道無(wú)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(hào)、加長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)錨桿,但仍出現(xiàn)大變形。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)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(wú)法得到控制。
2.2.2 變形特征值分析
統(tǒng)計(jì)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(shí)程曲線分析
各個(gè)段落的典型變形時(shí)程曲線如圖7所示。從時(shí)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(shí)間長(zhǎng),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(zhǎng),跳躍點(diǎn)相對(duì)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(zhǎng)的狀態(tài); 3)前期變形速率大,后期增長(zhǎng)緩慢,在開挖或出現(xiàn)跳躍后一段時(shí)間,變形呈直線上升趨勢(shì),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
正洞動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)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(jì)為活動(dòng)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
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(duì)錨桿施工工藝進(jìn)行調(diào)整。主要有以下幾個(gè)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(dòng)度。
4)雙球閥注漿,防止注漿完畢撤銷注漿管時(shí)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(shí)錨固力和孔口封堵阻力有限,故采用工作壓力小、波動(dòng)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(shí)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(wú)法施作長(zhǎng)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(tái)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(dòng),關(guān)閉灌漿注漿管球閥和灌注漿機(jī)(泵),解除2個(gè)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。
3.3.1 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(duì)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(cè)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(jì))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(duì)控制大變形是有效的。
3.3.2 正洞變形時(shí)程曲線分析
錨桿工藝改進(jìn)前后正洞典型斷面變形時(shí)程曲線如圖10所示。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)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(wú)明顯變化; 2)正洞變形曲線均呈“下彎狀”,無(wú)跳躍形態(tài)出現(xiàn),變形逐步收斂; 3)完全收斂時(shí)長(zhǎng)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)
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(duì)比
Table 4 Comparison of construction schedules between inclined shaft and main tunnel
線別段落段落長(zhǎng)度/m施工時(shí)長(zhǎng)/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(shí)長(zhǎng)未計(jì)入春節(jié)放假停工時(shí)間,右洞YD8K127+885~ +920共35 m未開挖。
由表4可知: 斜井XJ1K0+570~+100段長(zhǎng)470 m,共計(jì)開挖334 d,平均開挖速率為1.41 m/d,斜井?dāng)嗝孑^小,同時(shí)未計(jì)算后期增加套拱、拆換的時(shí)間,因此進(jìn)度相對(duì)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(duì)左洞工藝改進(jìn)后效率有所降低,主要是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步提高工人對(duì)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(shí)也需要進(jìn)一步研究施工組織,以提高整體進(jìn)度。
本文通過對(duì)茂縣隧道擠壓大變形段不同設(shè)計(jì)、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(duì)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(shí)間長(zhǎng)、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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(duì)變形的影響也值得進(jìn)一步分析。