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        中老鐵路會富萊隧道軟巖大變形控制技術(shù)研究

        2020-07-11 00:59:52余小周
        高速鐵路技術(shù) 2020年3期
        關(guān)鍵詞:軟巖斷面圍巖

        余小周

        (中國國家鐵路集團(tuán)有限公司, 北京 100038)

        隧道軟巖大變形控制是國內(nèi)外隧道修建的重大技術(shù)難題[1]。過去隧道在遇軟巖大變形時,往往采取注漿、長錨桿加固等措施。由于隧道地質(zhì)千變?nèi)f化,相同措施對于不同隧道的軟巖變形處理效果不盡相同。中老鐵路會富萊隧道為單線隧道,受作業(yè)面限制,不宜采用長錨桿施工,故前期采用注漿方式未能控制圍巖變形,后通過變形后拆換拱的方式解決變形問題。但這種事后處理的換拱方式既耽誤工期,又大大增加了施工成本,故需對該隧道大變形控制技術(shù)作進(jìn)一步研究。

        1 工程概況

        中老鐵路會富萊隧道位于老撾瑯勃拉邦、烏多姆賽省,全長 6 969 m,為設(shè)計速度160 km/h的單線隧道。隧區(qū)屬構(gòu)造剝蝕、溶蝕中高山地貌,地面高程400~1 200 m,相對高差約800 m,地形起伏大。自然橫坡15°~45°,隧道最高處為灰?guī)r陡坎、陡壁。隧區(qū)多被第四系土層覆蓋,斜坡地帶植被較好,基巖零星出露。隧道洞身通過侏羅紀(jì)下統(tǒng)砂泥巖(480 m),石炭系板巖(5 629 m),二疊系下統(tǒng)灰?guī)r(860 m)。洞身穿越會富萊1號斷層、普巴道山斷層、會富萊2號斷層、夫發(fā)南大山復(fù)向斜、班會海斷裂破碎帶。

        隧區(qū)位于蘭坪-思茅地塊和南海印支地塊接合部,屬特提斯-喜馬拉雅構(gòu)造域,是古特提斯洋域分布的主體地帶,總體上由大小不一的地塊和微地塊縫合、拼接而成。段內(nèi)不良地質(zhì)為巖溶、斷層破碎帶、巖爆、軟巖大變形、順層偏壓、有害氣體等。

        2 隧道變形破壞特征

        2.1 初期支護(hù)破壞情況

        會富萊隧道施工過程中,多處段落發(fā)生圍巖變形,并導(dǎo)致初期支護(hù)破壞,圍巖水平收斂遠(yuǎn)大于拱頂下沉,線路右側(cè)變形大于左側(cè),右側(cè)邊墻錯臺鼓出,噴射混凝土剝裂,鋼拱架呈90°彎折變形。

        2.2 圍巖變形特征

        (1)變形量較大且初期變形快

        隧道開挖后,初期圍巖變形非常強(qiáng)烈,變形速率較大,拱頂開挖7 d累計沉降達(dá)200 mm、平均28 mm/d,最大累計沉降量 339.7 mm;上臺階收斂累計達(dá) 554.4 mm,下臺階開挖 10 d收斂達(dá) 1 400 mm、平均 140 mm/d,累計達(dá) 1 586.3 mm。水平收斂遠(yuǎn)大于拱頂下沉,且下臺階水平收斂大于上臺階水平收斂,存在水平擠壓特性,空間越大變形越大,變形速率快。典型斷面拱頂下沉和水平收斂位移監(jiān)測曲線如圖1所示。

        圖1 DK 130+335沉降觀測曲線圖

        圍巖早期變形大、變形速率快,一定程度上表明圍巖壓力釋放快,擠壓強(qiáng)度大,隧道圍巖具有軟弱、穩(wěn)定性低和自穩(wěn)能力差的特性[2]。

        (2)變形持續(xù)時間長

        根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)反映,仰拱端頭至掌子面區(qū)間的變形持續(xù)時間較長,初期變形較大,后期成線性增長,無收斂趨勢。過程中有擾動時,出現(xiàn)加速增長情況,直至仰拱封閉成環(huán)后才有收斂趨勢。初支封閉后仍有變形,襯砌澆筑后才有穩(wěn)定趨勢,反應(yīng)出圍巖具有明顯的流變性。

        (3)圍巖變形在空間分布不均勻、不對稱

        從隧道施工過程監(jiān)測數(shù)據(jù)和隧道破壞程度上看,整個隧道變形均較嚴(yán)重,但不同里程段落變形特征不同。同時還存在線路左右變形量相差較大的情況,形成不對稱收斂。變形量中下臺階變形大于上臺階,隧道不同位置變形位移曲線如圖2所示,上臺階和下臺階收斂監(jiān)測如圖3、圖4所示。

        圖2 隧道不同位置變形位移曲線圖

        圖3 上臺階收斂監(jiān)測圖

        圖4 下臺階收斂監(jiān)測圖

        2.3 圍巖大變形原因分析

        會富萊隧道位于老撾瑯勃拉邦縫合帶北邊界,地質(zhì)構(gòu)造極其復(fù)雜,變形段位于會富萊1號斷層與普巴道山斷層銳角挾持地帶。隧道穿越地層巖性以薄層狀板巖夾炭質(zhì)板巖為主,屬軟質(zhì)巖,巖層受多期構(gòu)造運(yùn)動影響,擠壓斷裂極為嚴(yán)重,產(chǎn)狀十分紊亂。擠壓過程中產(chǎn)生的層間滑移,加劇了巖石的碎裂與糜棱化,圍巖整體表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)疏松、強(qiáng)度極低等特點(diǎn)。在埋深不大、地應(yīng)力不高的情況下,巖體強(qiáng)度極低易使圍巖出現(xiàn)較大的塑性變形。參照國內(nèi)類似工程判識標(biāo)準(zhǔn),會福萊隧道巖體強(qiáng)度與地應(yīng)力比達(dá)到中等~嚴(yán)重大變形程度[3]。

        3 軟巖大變形控制技術(shù)

        隨著隧道軟巖大變形逐漸增多,世界范圍內(nèi)的隧道和地質(zhì)專業(yè)人士試圖對大變形的潛勢進(jìn)行有效劃分,但所有這些劃分都存在相當(dāng)大的局限性,尚不具備普遍的指導(dǎo)意義,無法有效指導(dǎo)各類隧道軟巖大變形施工。會富萊隧道D2K 130+330~D2K 130+360段設(shè)計為Ⅴ級圍巖,采用Ⅴa復(fù)合襯砌,開挖揭示圍巖為板巖、炭質(zhì)板巖,呈深灰、灰黑色,偶夾灰綠色玄武巖團(tuán)塊。板巖、炭質(zhì)板巖板狀構(gòu)造,薄層狀為主,局部夾中厚層,炭質(zhì)板巖含炭量高,污手,質(zhì)軟,遇水易軟化;玄武巖致密塊狀,質(zhì)堅(jiān)硬,呈團(tuán)塊狀,分布無規(guī)律。受區(qū)域構(gòu)造影響,掌子面巖層產(chǎn)狀扭曲變形嚴(yán)重,揉皺發(fā)育,巖體擠壓破碎強(qiáng)烈,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體呈碎石、片狀,部分手掰易斷,結(jié)構(gòu)面光滑,未見地下水。

        鑒于掌子面開挖揭示的地質(zhì)情況,將Ⅴa復(fù)合襯砌改為Ⅴ級加強(qiáng)Ⅲ型襯砌,設(shè)間距0.6 m的全環(huán)H175型鋼鋼架[4],超前支護(hù)采用φ42小導(dǎo)管,拱墻采用長4.0 m的φ42注漿錨管,二襯采用厚45 cm的鋼筋混凝土。采用銑挖法施工,以減少爆破施工對圍巖的擾動。

        該段預(yù)留變形量60 cm,最大變形量158 cm。采取措施后初支變形仍侵限,最大侵限超98 cm,表明以上措施不能控制大變形。

        3.1 軟巖大變形處理措施

        采用“扛、放結(jié)合,重視圍巖自承能力”的原則,軟巖大變形處理采用以下措施:

        (1)改變斷面形狀,加強(qiáng)鋼架支護(hù),增大邊墻及仰拱曲率,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)承載能力。

        (2)適當(dāng)加大初期支護(hù)預(yù)留變形量,釋放地應(yīng)力。

        (3)采用長短錨桿結(jié)合,提高圍巖自身承載能力。

        (4)施工做到短進(jìn)尺、弱爆破、快挖、快支、快錨、快封閉成環(huán)[5]。

        3.2 優(yōu)化開挖輪廓線

        原設(shè)計斷面為類馬蹄形襯砌斷面,二襯厚度45 cm。本次研究了漸變形襯砌斷面(考慮二襯臺車不更換,二襯內(nèi)輪廓不變)和圓形襯砌斷面,提高圍巖自穩(wěn)和初支受力能力如圖5所示。其中,漸變形襯砌斷面二襯厚50~93 cm,圓形襯砌斷面二襯厚45 cm,鋼架均采用H175型鋼,噴厚25 cm的C30混凝土[6]。

        圖5 三種襯砌斷面圖

        3.2.1安全性分析

        通過對比,3種結(jié)構(gòu)承載能力均應(yīng)能滿足荷載要求,各型襯砌承受軟巖變形徑向荷載的能力如表1所示。

        表1 襯砌承受軟巖變形徑向荷載能力對比表

        (1)會富萊隧道原設(shè)計隧道結(jié)構(gòu)尺寸及輪廓按部頒參考圖辦理,采用45 cm等厚鋼筋混凝土。采用Ansys數(shù)值模擬軟件,按荷載結(jié)構(gòu)法對會富萊隧道馬蹄形襯砌進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。大變形段落埋深較大,按深埋荷載施加圍巖壓力;同時為模擬地應(yīng)力,采用徑向圍壓施加于結(jié)構(gòu)。經(jīng)多次試算,受限于結(jié)構(gòu)輪廓,原設(shè)計襯砌斷面僅能承受0.16 MPa徑向圍巖壓力。結(jié)構(gòu)計算結(jié)果如圖6~圖8所示。

        圖6 類馬蹄形結(jié)構(gòu)彎距圖

        圖7 類馬蹄形結(jié)構(gòu)軸力圖

        由圖6~圖8中可以看出,由于邊墻腳與仰拱相接處非圓順過渡,該處應(yīng)力集中,彎矩、軸力、剪力均較大,為結(jié)構(gòu)受力的控制點(diǎn)。同時,結(jié)構(gòu)抵抗圍巖變形能力較差,僅0.16 MPa,遠(yuǎn)小于國內(nèi)大變形隧道地應(yīng)力普遍水平。如仍采用原設(shè)計襯砌結(jié)構(gòu),難以抵抗隧道大變形壓力,故需調(diào)整斷面。

        (2)考慮現(xiàn)場實(shí)際情況,二襯內(nèi)輪廓不變,襯砌拱頂仰拱厚50 cm,邊墻最厚93 cm,形成漸變形襯砌結(jié)構(gòu)。采用Ansys數(shù)值模擬軟件,按荷載結(jié)構(gòu)法對會富萊隧道漸變形襯砌進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。大變形段落埋深較大,按深埋荷載施加圍巖壓力。同時為模擬地應(yīng)力,參照成蘭鐵路等工點(diǎn)經(jīng)驗(yàn),取0.58 MPa徑向圍壓施加于結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)計算結(jié)果如圖9~圖11所示。

        圖9 漸變形結(jié)構(gòu)彎矩圖

        圖10 漸變形結(jié)構(gòu)軸力圖

        圖11 漸變形結(jié)構(gòu)剪力圖

        由圖9~圖11中可以看出,由于單線隧道屬瘦高性結(jié)構(gòu),邊墻彎矩明顯大于拱部和仰拱部位,調(diào)整邊墻仰拱曲率,同時增大邊墻厚度對滿足結(jié)構(gòu)受力十分有利。經(jīng)檢算,結(jié)構(gòu)每延米鋪設(shè)5根φ25鋼筋即可滿足規(guī)范要求,安全系數(shù)最小點(diǎn)為邊墻腳處。

        (3)采用Ansys數(shù)值模擬軟件,按荷載結(jié)構(gòu)法對會富萊隧道圓形襯砌進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。大變形段落埋深較大,按深埋荷載施加圍巖壓力,圓形襯砌承載能力強(qiáng),經(jīng)試算最大徑向荷載可達(dá)0.85 MPa,計算結(jié)果如圖12~圖14所示。

        圖12 圓形結(jié)構(gòu)彎矩圖

        圖13 圓形結(jié)構(gòu)軸力圖

        圖14 圓形結(jié)構(gòu)剪力圖

        3.2.2造價分析

        設(shè)計對漸變形、類馬蹄形、圓形3種襯砌斷面的開挖、噴混凝土、二襯圬工等工程數(shù)量進(jìn)行了估算、對比,經(jīng)比較投資差異不明顯,橢圓形襯砌斷面投資最省,漸變形襯砌斷面投資最高,各斷面類型襯砌造價比較如表2所示。

        表2 各斷面類型襯砌造價比較表

        3.2.3選型分析

        各斷面類型襯砌綜合指標(biāo)比較如表3所示。結(jié)合未開挖段隧道埋深逐漸增大,圍巖受普巴道山斷層影響更加嚴(yán)重,變形程度可能加大的實(shí)際情況,初支開挖輪廓采用圓形襯砌斷面。

        表3 各斷面類型襯砌綜合指標(biāo)比較見表

        3.3 優(yōu)化開挖工藝

        采用初支拱架一次性封閉成環(huán)工法。下臺階一次性挖出仰拱斷面,仰拱初支與下臺階邊墻初支一同施工,快速成環(huán),減少圍巖變形。上臺階距離下臺階6.75 m,進(jìn)尺2.25 m/d,初支封閉成環(huán)分別需要2 d、3 d,初期支護(hù)成環(huán)快,受力結(jié)構(gòu)較好,極大限度地降低了安全風(fēng)險,變形量較小,安全可控[7]。Ⅴ級圍巖平均進(jìn)度55 m/月,平均開挖2 d 3個循環(huán)共4.5 m,每循環(huán)16 h,進(jìn)尺1.5 m。除去機(jī)械設(shè)備耽誤及超前鉆孔用時等,正洞平均進(jìn)度55 m/月。

        3.4 強(qiáng)化鋼架和鎖腳錨桿施工

        鋼拱架接頭部位應(yīng)加強(qiáng)線型控制,做好工字鋼接頭焊接,確保鋼拱架的線型安全圓順[8];加強(qiáng)鎖腳錨桿質(zhì)量控制,嚴(yán)格斜插角度鉆鎖腳孔,采用快速凝漿液或樹脂(藥包)快速錨固[9],宜在拱腳設(shè)2排錨桿。

        3.5 強(qiáng)化監(jiān)控量測運(yùn)用

        加強(qiáng)監(jiān)控量測,實(shí)施量測報警管理,制定報警分級管理,在變形達(dá)到一定程度后,及時采取加固措施,確保施工安全;通過對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,適當(dāng)調(diào)整預(yù)留變形量[10],本隧道開挖拱頂預(yù)留30~50 cm,單邊收斂預(yù)留40~60 cm,確保了隧道凈空要求。

        4 結(jié)束語

        本文通過對會富萊隧道軟巖大變形特征進(jìn)行總結(jié)[11],針對性試驗(yàn)研究隧道軟巖大變形控制技術(shù),確保了隧道凈空要求,會富萊隧道變形穩(wěn)定后,拱頂沉降最大26 cm,單邊收斂最大38 cm。后期隧道開挖過程中也未出現(xiàn)圍巖變形超限的情況,取得了良好的效果。解決了中老鐵路難點(diǎn)工程工期問題,降低了施工成本,保證了作業(yè)安全,為中老鐵路順利實(shí)施提供了可靠的保障。經(jīng)綜合分析和實(shí)踐證明,通過優(yōu)化隧道開挖輪廓斷面,合理預(yù)留變形量,加強(qiáng)初期支護(hù)措施,優(yōu)化開挖工法,嚴(yán)格施工工序管控,能有效遏制隧道軟巖大變形。其中隧道輪廓斷面優(yōu)化控制變形效果顯著,值得進(jìn)一步研究和推廣。

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