郭尚坤

(中鐵二十局集團(tuán)第二工程有限公司 北京 100042）

1 引言

隨著我國鐵路、公路建設(shè)的不斷推進(jìn)，在地質(zhì)環(huán)境惡劣、高地應(yīng)力[1-3]地區(qū)建設(shè)長大隧道已不可避免。在高地應(yīng)力軟巖[4]中修建隧道，往往出現(xiàn)圍巖大變形問題。南昆鐵路家竹箐隧道、蘭新復(fù)線烏鞘嶺隧道、奧地利陶恩隧道、日本中屋隧道施工中都出現(xiàn)過軟巖大變形問題[5]。在高地應(yīng)力地區(qū)修建地下工程，最大的難題就是軟巖大變形控制問題[6]。地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育地區(qū)的深埋地層由于曾經(jīng)受到強(qiáng)烈地質(zhì)構(gòu)造擠壓作用，除完整性較差外，往往還累積了較大能量[7]。穿過此類地層的隧道，施工過程中由于開挖卸荷，圍巖累積的能量逐漸釋放，穩(wěn)定性[8]較差，必然出現(xiàn)較大的圍巖變形。面對陽山隧道2號斜井正洞小里程復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，本文提出研究高地應(yīng)力近水平巖層段落采用微臺階與初支拱頂設(shè)置鋼板型限阻器相結(jié)合的施工工法，最終達(dá)到變形控制、初支結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的目的。

2 工程概況

新建蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運(yùn)通道工程[9]陽山隧道2號斜井位于延安市延長縣七里村鄉(xiāng)白家臺村，小里程承擔(dān)DK385+850～DK384+370長1 480 m施工任務(wù)，設(shè)計為三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組砂巖夾泥巖，砂巖灰白、淺灰色，泥巖灰黑色，弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，完整性較好，呈塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，近水平單斜構(gòu)造，傾角1°～3°，埋深90 ～220 m。

設(shè)計為Ⅲ級圍巖，襯砌采用Ⅲb。實(shí)際開挖揭示:上臺階主要為砂巖，中厚層至厚層狀，夾薄層泥巖，拱部以下1.1～1.5 m為薄層砂巖，夾頁巖；下臺階為泥巖夾煤層，煤層共4層，厚度5～20 cm，塊煤為主；節(jié)理發(fā)育，巖體完整性好，開挖未見地下水，綜合判定圍巖級別為Ⅳ級。

3 高地應(yīng)力判定

3.1 現(xiàn)場表現(xiàn)

2017年6月30日上午8點(diǎn)30分發(fā)現(xiàn)開挖掌子面后方DK385+220～DK385+048長172 m范圍，初支拱頂砼剝落掉塊嚴(yán)重且已縱向貫通，拱頂部位格柵鋼架主筋扭曲變形嚴(yán)重。DK385+106～DK385+045長61 m上臺階底板線左出現(xiàn)一條寬5～20 mm的裂縫，裂縫呈現(xiàn)為沿隧道中線方向錯臺，且肉眼觀察到上臺階地面有明顯隆起現(xiàn)象。該段埋深200 m左右，支護(hù)時間為2017年4月20日至6月26日。

2017年7月2日17點(diǎn)55分至18點(diǎn)10分DK385+143～DK385+125段長18 m初支開裂段落內(nèi)拱頂巖層剝離，初支塌落。塌腔長18 m，寬5 m，高度1～4 m。塌體巖性為砂巖夾薄層泥巖，塌腔頂部巖面較為平整光滑，層間結(jié)合差。該段支護(hù)時間為2017年5月25日至5月30日。

2017年7月23日15點(diǎn)～7月24日7點(diǎn)DK385+106～DK385+038上臺階洞身巖體發(fā)出“嘭…嘭…”響聲，且聲音不斷加大，頻率出現(xiàn)增加，初支砼剝落掉塊、格柵鋼架主筋扭曲變形加劇。上臺階底板裂縫寬度、隆起現(xiàn)象有所發(fā)展，發(fā)生了突變。

2017年7月24日7點(diǎn)30分初支開裂段落內(nèi)DK385+110～DK385+075段長35 m拱頂初支發(fā)生塌落，支護(hù)時間為2017年6月3日至6月14日。塌腔長35 m，寬6 m，高1.5～3.2 m。塌體巖性為砂巖夾薄層泥巖，塌腔頂部巖面較為平整光滑，層間結(jié)合差，與7月2日拱頂塌落段落處于同一水平巖層，為同一結(jié)構(gòu)面引起的拱頂巖層剝離塌落向小里程方向發(fā)展延伸。

3.2 測試結(jié)果

為定量分析隧道的地應(yīng)力狀況，中國地震局地殼應(yīng)力研究所在陽山隧道2號斜井正洞DK385+170處鉆孔獲得4段地應(yīng)力量值數(shù)據(jù)及2段地應(yīng)力方向數(shù)據(jù)。通過地應(yīng)力測試及結(jié)果分析，確定陽山隧道2號斜井鉆孔附近地應(yīng)力狀態(tài)結(jié)論如下:

(1）初始地應(yīng)力均值:最大水平主應(yīng)力均值14.48 MPa，最小水平主應(yīng)力均值9.23 MPa，垂直應(yīng)力均值5.35 MPa，最大水平主應(yīng)力平均方向N65.5°E。

(2）該鉆孔附近隧道圍巖屬于近水平砂巖[10]，根據(jù)《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50218-14），陽山隧道2號斜井鉆孔附近處于高初始地應(yīng)力狀態(tài)，平均強(qiáng)度應(yīng)力比3.44，高初始地應(yīng)力可能導(dǎo)致開挖過程中硬巖圍巖“發(fā)生剝離、新生裂隙多、圍巖易失穩(wěn)”，軟巖圍巖“發(fā)生剝離、位移極為顯著、甚至發(fā)生大位移”。

4 變形控制關(guān)鍵技術(shù)

4.1 限阻器的設(shè)計與加工

鋼板型限阻器[11]按照圖1進(jìn)行設(shè)計與加工，上下傳力連接鋼板厚10 mm，豎向限阻鋼板厚8 mm，豎向限阻鋼板垂直焊接在上下連接鋼板上，限阻器高30 cm，寬22 cm，長100 cm，限阻器與上臺階拱架一起安裝，布置在拱架拱頂正中間位置。

圖1 鋼板型限阻器（單位：mm）

4.2 掌子面開挖

高地應(yīng)力近水平巖層段落采用微臺階施工工法，如圖2組織施工。上臺階作業(yè)采用分體式開挖臺架，上臺階高6.1 m，長6 m，開挖面距離仰拱初支成環(huán)不大于11 m。下臺階左右對齊與仰拱同時開挖支護(hù)。為保證爆破效果，采用光面爆破開挖，周邊眼加密，拱頂周邊眼根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際地質(zhì)情況適當(dāng)從輪廓線往下降低。限阻器安裝部位采用人工配合風(fēng)鎬向外擴(kuò)挖10 cm，確保其能順利安裝。

單個上臺階分體式臺架總重量不超過2.5 t，按照圖3采用挖機(jī)挑送方式移動，下臺階采用自制小型短棧橋，保證上下同時開挖。

圖2 微臺階施工

圖3 開挖臺架及小棧橋

4.3 限阻器與格柵鋼架安裝

鋼架采用格柵鋼架，鋼架拱頂正中間加鋼板型限阻器，將限阻器與上臺階拱架一起安裝，在限阻器豎向鋼板之間焊接φ42 mm×3.5 mm無縫鋼管，作為后期初支拱頂注漿使用。無縫鋼管長35 cm，安裝時靠近圍巖側(cè)外露2 cm，靠近初支面?zhèn)韧饴? cm，管口用土工布包裹，無縫鋼管間距2 m預(yù)埋1根。每個限阻器的連接采用20 cm×10 cm×8 cm的鋼板進(jìn)行綁焊。限阻器安裝效果如圖4所示。

4.4 鋼筋網(wǎng)片安裝

拱架背后環(huán)鋪1層φ6 mm(縱向）×φ8 mm(環(huán)向）鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)眼間距20 cm×20 cm，搭接不小于1個網(wǎng)格。沿限阻器環(huán)向左、右1 m范圍內(nèi)增設(shè)1層鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)眼間距30 cm×30 cm，靠近掌子面一側(cè)的鋼筋網(wǎng)片外露1～2個網(wǎng)格，以便于下一循環(huán)搭接。鋼筋網(wǎng)鋪設(shè)時網(wǎng)片節(jié)點(diǎn)與鋼架采用點(diǎn)焊的辦法逐點(diǎn)焊接牢固。

4.5 鎖腳錨管打設(shè)

鋼架采用鎖腳錨管加固，錨管采用4 m長的φ42×5 mm無縫鋼管，每榀拱架斜向下打設(shè)12根，與拱架成30°～45°，采用φ50 mm鉆頭成孔，成孔深度超過鎖腳錨管設(shè)計長度10 cm。錨管與鋼架采用φ25 mm鋼筋單面焊接，與鎖腳錨管和鋼架焊接長度均不小于25 cm，焊接完成后及時灌注M30水泥砂漿。

4.6 超前支護(hù)

超前小導(dǎo)管采用3.5 m長的φ42×3.5 mm無縫鋼管，環(huán)向間距40 cm，相鄰兩排的搭接長度不小于100 cm，外插角10°～15°，拱部 120°范圍布設(shè) 31根。施工時首先對小導(dǎo)管位置進(jìn)行測量放樣，在設(shè)計孔位上做好標(biāo)記，用風(fēng)動鑿巖機(jī)成孔。成孔后，將小導(dǎo)管按設(shè)計要求用鑿巖機(jī)直接將導(dǎo)管從鋼架上部、中部頂入，頂入不小于設(shè)計長度的90%，外露鋼管用鋼墊板與靠近掌子面的鋼架焊接，與鋼架共同組成預(yù)支護(hù)體系。

采用注漿泵壓注水泥漿。注漿前先沖洗管內(nèi)沉積物，漿液先稀后濃，由下至上順序進(jìn)行。單孔注漿壓力達(dá)到設(shè)計注漿量80%或注漿壓力達(dá)到設(shè)計終壓并穩(wěn)定10～15 min時可結(jié)束注漿。注漿采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，壓力0.5～1.0 MPa，水泥漿液水灰比1∶1。出現(xiàn)串漿時，采用分漿器多孔注漿或堵塞串漿孔隔空注漿；出現(xiàn)注漿壓力突然升高時，應(yīng)停機(jī)查明原因；出現(xiàn)進(jìn)漿量很大，壓力不變時，則應(yīng)調(diào)整漿液濃度及配合比，縮短凝膠時間，采用小流量低壓力注漿或間歇式注漿。

圖4 限阻器安裝效果

4.7 噴射混凝土

噴射混凝土分為兩次進(jìn)行施工:第一次噴射拱架部位，第二次補(bǔ)噴限阻器部位。

噴射混凝土采用濕噴工藝，一次噴射厚度拱部3～5 cm，邊墻6～8 cm，分層噴至設(shè)計厚度。為保證初支在限阻器部位變形，限阻器部位未噴射混凝土。在噴射混凝土之前，為防止混凝土進(jìn)入限阻器中，用防水板對限阻器部位進(jìn)行遮擋，或在限阻器空隙中填入土工布，待混凝土噴射完后則人工拆除遮擋部位防水板或抽出所填充的土工布，并清理限阻器中的雜物及混凝土。

待監(jiān)控量測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，在二襯施工前對限阻器部位進(jìn)行補(bǔ)噴。補(bǔ)噴時清理限阻器中的黃土、松散混凝土，清理干凈后噴射C25混凝土至設(shè)計厚度。若出現(xiàn)限阻器變形大于15 cm時，對該處限阻器補(bǔ)噴至設(shè)計厚度。限阻器補(bǔ)噴結(jié)束后及時清除預(yù)埋注漿管上回彈砼，待初支混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%時，進(jìn)行初支拱頂脫空注漿，注漿漿液采用水泥漿，注漿壓力1～2 MPa。

5 初支監(jiān)控量測分析

5.1 監(jiān)測斷面布置

陽山隧道2號斜井小里程開挖方法采用微臺階法，拱頂沉降、水平收斂線1、水平收斂線2按照圖5進(jìn)行布設(shè)。

圖5 監(jiān)測斷面布置（單位：cm）

5.2 監(jiān)控量測控制標(biāo)準(zhǔn)

該段圍巖級別為Ⅳ級，初支變形量測斷面間距為5 m。每個斷面拱頂沉降測點(diǎn)1個，水平收斂測線2組，隧道初支結(jié)構(gòu)變形控制標(biāo)準(zhǔn)[12]采用《蒙西華中鐵路隧道施工監(jiān)控量測實(shí)施方案(試行）》(蒙華公司工技〔2016〕92號文）表1～表2標(biāo)準(zhǔn)。

表1 監(jiān)控量測變形速率控制標(biāo)準(zhǔn) mm

表2 監(jiān)控量測累計變形控制標(biāo)準(zhǔn) mm

5.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)收集

5.3.1 DK385+030斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)

DK385+030斷面從2017年9月23日初測，11月13日停測，累計值分別為:拱頂下沉累計40 mm，水平收斂線1累計42 mm，水平收斂線2累計36 mm。

5.3.2 DK385+020斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)

DK385+020斷面從2017年9月30日初測，11月21日停測，累計值分別為:拱頂下沉累計42 mm，水平收斂線1累計38 mm，水平收斂線2累計10 mm。

5.3.3 DK385+010斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)

DK385+010斷面從2017年10月6日初測，11月20日停測，累計值分別為:拱頂下沉累計57 mm，水平收斂線1累計38 mm，水平收斂線2累計22 mm。

5.4 監(jiān)控量測與現(xiàn)場結(jié)合分析

監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示，拱頂沉降及周邊收斂均未出現(xiàn)異常值。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際量測拱頂限阻器總變形:DK385+030斷面18 mm，DK385+020斷面106 mm，DK385+010斷面6 mm，但拱頂混凝土未出現(xiàn)剝離、掉塊現(xiàn)象，說明限阻器變形可以吸收來自圍巖的構(gòu)造應(yīng)力，控制拱頂開裂、掉塊。

6 其他安全保證措施

為了保證隧道施工安全，陽山隧道引進(jìn)微震監(jiān)測技術(shù)，對高地應(yīng)力段落24 h監(jiān)測，通過對微震事件進(jìn)行分析，研究其時空分布規(guī)律和震級變化規(guī)律，達(dá)到預(yù)警巖爆、崩塌的目的，降低施工風(fēng)險。

7 結(jié)束語

通過合理調(diào)整施工方法，采用微臺階與初支拱頂設(shè)置鋼板型限阻器相結(jié)合的工法，使陽山隧道高地應(yīng)力造成的拱頂變形、剝落現(xiàn)象得到有效控制，隧道順利貫通，大大提高了高地應(yīng)力近水平巖層隧道施工安全，同時也驗(yàn)證了該工法的科學(xué)性。