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        白馬隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形機(jī)理與支護(hù)技術(shù)及實(shí)踐

        2021-04-27 08:56:20
        鐵道建筑技術(shù) 2021年2期
        關(guān)鍵詞:錨桿圍巖變形

        蔡 濤

        (鐵正檢測科技有限公司 山東濟(jì)南 250014)

        1 工程地質(zhì)概況

        白馬隧道龍門山斷裂帶所圍成的楔形地塊上,最大埋深1 092 m,共穿越5條斷層:甲午池-文縣溝斷裂北支、甲午池-文縣溝斷裂南支、F9斷層、甲午池-文縣溝斷裂分支F8斷層、甲午池-文縣溝斷裂分支F7斷層。F9斷層與白馬隧道送風(fēng)斜井及右線平行延伸1 870 m,與線路最近相距30 m,隧道右線絕大部分位于F9斷層影響帶范圍內(nèi),對隧道施工影響巨大。隧道左、右線間距35 m,開挖斷面約100 m2,斜井與隧道左右線交叉口多且為上跨下穿[1-2]。

        2 地應(yīng)力測試分析

        為掌握工程區(qū)域的地應(yīng)力場分布特征,現(xiàn)場采用水壓致裂法對白馬隧道進(jìn)行地應(yīng)力測試。根據(jù)鉆探巖芯完整度,在該鉆孔的中部及下部成功進(jìn)行水壓致裂法地應(yīng)力測量7個(gè)點(diǎn),孔深分別為151.4 m、181.7 m、228.4 m、248.5 m、262.4 m、271.5 m、289.7 m。應(yīng)力方向測量3個(gè)點(diǎn),分別在孔深151.4 m、228.4 m、248.5 m位置。

        (1)三向主應(yīng)力值的關(guān)系總體為:孔深0~250 m內(nèi),SH>Sh>Sγ;孔深250~315 m 內(nèi),SH>Sh>Sγ。

        (2)根據(jù)測量所得數(shù)據(jù),全孔深水平最大主應(yīng)力在7.0~10.5 MPa之間,全孔深最小水平主應(yīng)力在5.5~7.3 MPa之間,用巖層容重(約為2.65 g/cm3)估算的垂直主應(yīng)力為3.93~7.52 MPa。

        (3)根據(jù)該孔洞身附近的最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢方向北西西向(即 N11°W~N21°W),其優(yōu)勢方向約為N16°W,與隧道走向的夾角約為32°,呈中小角度相交。最小水平應(yīng)力為3.9~9.5 MPa,垂直應(yīng)力為3.3~9.7 MPa??傮w以垂直應(yīng)力控制,σH>σV>σh,最大水平主應(yīng)力方向一般為 N8°W~N20°W,即NNW向。

        3 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性與機(jī)理分析

        3.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律

        (1)白馬隧道初支拱架連接位置受剪切和擠壓較為明顯,見圖1。邊墻大面積高頻率剝落,隧道掘進(jìn)施工過程中掌子面坍塌,圍巖主要為板巖、炭質(zhì)板巖,有時(shí)夾少量砂巖,圍巖破碎~極破碎(或呈松散結(jié)構(gòu)),節(jié)理發(fā)育,無自穩(wěn)性。開工至今共發(fā)生大小坍塌100余次。掌子面滲水較大時(shí)(股狀水),大部分在掌子面爆破后坍塌;掌子面滲水較小時(shí)(線狀水),在挖掘機(jī)清理斷面(清除松動(dòng)圍巖)時(shí)坍塌;掌子面無水時(shí)(濕潤或無水),在立鋼拱架過程中或噴初支砼過程中坍塌[3-6]。

        圖1 軟巖大變形現(xiàn)場

        (2)初期支護(hù)施工完畢后,隧道在正常掘進(jìn)過程中,已施工完畢的初期支護(hù)發(fā)生變形,變形范圍主要為:

        ①掌子面后方5 m范圍內(nèi)的初支產(chǎn)生位移:上臺(tái)階施工,間隔時(shí)間較短,在1~2 d內(nèi)。

        ②距掌子面15~30 m范圍內(nèi)初支變形:上臺(tái)階施工,間隔時(shí)間較短,在7 d內(nèi)。

        ③距離掌子面30 m外范圍初支變形:中下臺(tái)階施工,間隔時(shí)間較長,在7 d后。

        ④仰拱施工后初支開始變形:段落相對較少,間隔時(shí)間較長,在15 d后。

        (3)軟巖大變形顯現(xiàn),變形速度量值普遍較大,具有較強(qiáng)的持續(xù)性,流變特性較為顯著。

        (4)初期支護(hù)變形主要體現(xiàn)為噴層開裂掉塊、鋼拱架扭曲、鋼拱架折斷、鋼拱架剪斷、初期支護(hù)侵限。

        3.2 變形機(jī)理分析

        (1)隧道開挖相當(dāng)于卸荷過程,使得巖體中儲(chǔ)存的應(yīng)變能快速釋放。當(dāng)巖體強(qiáng)度較高時(shí)易發(fā)生巖爆,當(dāng)巖體強(qiáng)度較低時(shí)則容易受到擠壓,發(fā)生變形。軟巖本身的低強(qiáng)度和節(jié)理發(fā)育特性,導(dǎo)致其在高地應(yīng)力狀態(tài)下易發(fā)生顯著粘塑性大變形。

        (2)互層巖體整體性較差,巖層厚度及強(qiáng)度不均,層理裂隙等弱化結(jié)構(gòu)的發(fā)育削弱了巖體的力學(xué)性能,降低其承載能力。特別是在巖體產(chǎn)狀與隧道線路一致時(shí),由于受到更大的開挖擾動(dòng),巖體的破壞變形將加劇。

        (3)隧道所處的軟弱圍巖,在水的滲流和侵蝕作用下進(jìn)一步弱化,尤其在高應(yīng)力區(qū),隨著孔隙水路徑數(shù)量的改變,等同于增加了軟巖的孔隙比和含水率,降低了密實(shí)度,使得圍巖體的力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)一步降低,進(jìn)而承載力大幅下降,直接導(dǎo)致圍巖位移量的增加。

        (4)擠壓性軟巖結(jié)構(gòu)破碎,自身變形具有流變性。當(dāng)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度過大,完全限制了圍巖的變形,圍巖無法通過自身變形來達(dá)到應(yīng)力場平衡,過大的支護(hù)阻力將導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)承受極大荷載乃至破壞;當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度過小,將導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)無法承受圍巖的形變荷載而發(fā)生大變形破壞甚至隧道塌方[1]。

        4 不同工序下施工方案對比

        (1)掌子面塌方整治

        掌子面塌方整治措施見表1。

        表1 掌子面塌方不同塌腔規(guī)模整治措施

        (2)軟弱圍巖開挖方式調(diào)整

        掌子面開挖方法對比見表2,現(xiàn)場見圖2。

        表2 掌子面開挖方法對比

        圖2 現(xiàn)場開挖工法

        (3)初期支護(hù)變形整治措施(見表3)

        表3 初期支護(hù)變形整治措施對比

        以上幾種整治措施,成功處理了初期支護(hù)變形問題,特別是φ51自進(jìn)式長錨桿后注漿對固結(jié)圍巖效果特別明顯,對抑制拱腳收斂效果明顯(見圖3)。

        圖3 8 m長φ51自進(jìn)式錨桿施工

        5 現(xiàn)場初支大變形整治案例—隧道主洞右線(YK39+305~YK39+333)初支變形拆換

        5.1 設(shè)計(jì)概況

        YK39+305~YK39+333里程段為中~微風(fēng)化帶,開挖后拱部無支護(hù)時(shí),圍巖易坍塌,側(cè)壁有時(shí)出現(xiàn)小坍塌。

        設(shè)計(jì)襯砌類型:Z4b。支護(hù)參數(shù):16型鋼鋼架間距100 cm/榀;系統(tǒng) φ22藥卷錨桿;φ6.5鋼筋網(wǎng)間距20×20 cm;預(yù)留變形量8 cm;φ22超前錨桿。

        5.2 實(shí)際情況及變更調(diào)整情況

        YK39+305~YK39+315段于6月20日至6月25日按設(shè)計(jì)Z4b型襯砌類型施作;YK39+315~YK39+331段(施工時(shí)間為2018年6月25至2018年8月4日)變更為Z5d型襯砌類型(18@80 cm,預(yù)留變形10 cm,系統(tǒng)φ22錨桿),超前支護(hù)為C型;YK39+331~YK39+332段變更為Dc型襯砌類型(20@60 cm,預(yù)留變形量30 cm,系統(tǒng)φ22錨桿),超前支護(hù)為B型。

        5.3 后續(xù)變形狀況

        隨著掌子面不斷掘進(jìn),YK39+306~YK39+325段先后不同程度出現(xiàn)鋼架扭曲折斷、初支開裂、起皮、掉塊現(xiàn)象。當(dāng)斜井右線掌子面施工至YK39+331時(shí),受構(gòu)造作用強(qiáng)烈,裂隙發(fā)育,巖體極破碎,受F9斷層影響強(qiáng)烈。YK39+297.2~YK39+325段先后不同程度出現(xiàn)鋼架扭曲折斷、初支開裂、起皮、掉塊現(xiàn)象。據(jù)監(jiān)控量測顯示,支護(hù)效果甚微,日最大變形速率達(dá)到52.3 mm/d。

        5.4 初步整治措施及效果

        對YK39+306~YK39+325采用 18型鋼進(jìn)行臨時(shí)支撐,補(bǔ)打鎖腳,增設(shè)縱向連接筋,臨時(shí)護(hù)拱已扭曲變形、連接筋脫落。掌子面圍巖無自穩(wěn)能力,YK39+331~YK39+333按Dc(超前為B型雙層小導(dǎo)管)型襯砌類型施工,拱部仍掉塊嚴(yán)重,形成較大空腔,采用 20b型鋼按0.5 m/榀施工直至開挖面,采用φ42雙層小導(dǎo)管支護(hù)作為超前支護(hù)措施,輔以C20泵送砼回填密實(shí)。

        處理完成空腔后,已施工的臨時(shí)護(hù)拱YK39+306~YK39+325段15榀(后又增加YK39+325~YK39+330段5榀)產(chǎn)生嚴(yán)重變形,及時(shí)對內(nèi)部護(hù)拱進(jìn)行了C25噴射砼再次支護(hù)加強(qiáng),效果依然不佳。如圖4所示,監(jiān)控量測發(fā)現(xiàn)變形依然持續(xù),此時(shí)只能停工回填,保證安全[8]。

        圖4 掌子面圍巖極破碎伴隨拱頂圍巖坍塌

        5.5 二次返修措施與整治效果

        對YK39+305~YK39+325采用 18型鋼進(jìn)行臨時(shí)支撐,補(bǔ)打鎖腳,增設(shè)縱向連接筋。發(fā)生大變形后,掌子面停工,約15 d后,YK39+325~YK39+333段隨后也出現(xiàn)了嚴(yán)重的開裂、掉塊、拱架扭曲折斷。立即對該段采用 18型鋼作為臨時(shí)支撐,并在此基礎(chǔ)上施打鎖腳錨管,用縱向連接筋增加整體剛度。

        經(jīng)過研究分析,2018年8月15日先對該段進(jìn)行洞渣反壓回填,進(jìn)行長錨桿施作,采用8 m長φ51自進(jìn)式錨桿,環(huán)向間距0.8~1.2 m,縱向間距0.8~1.0 m。施工完成后加強(qiáng)監(jiān)控量測,數(shù)據(jù)穩(wěn)定后,繼續(xù)向前加固整治,隧道長錨桿施作于2018年10月底完成。

        因變形時(shí)間久(4個(gè)月),YK39+305~YK39+333段大部分初期支護(hù)變形侵限嚴(yán)重,后經(jīng)研究決定,先開挖后進(jìn)行周邊注漿,隨后對YK39+305~YK39+333段鋼架進(jìn)行逐榀拆換,采用 22b型鋼鋼架間距0.5 m;C25噴射砼28 cm,預(yù)留變形量20 cm。超前支護(hù)采用雙層φ51自進(jìn)式錨桿,C30鋼筋砼拱墻厚60 cm。

        2018年12月初,現(xiàn)場注漿加固已完成YK39+286~YK39+318段(32 m),需對 YK39+305~YK39+333變形侵限段進(jìn)行鋼架拆換,于2018年12月5日至2018年12月28日拆換完成。

        拆換后的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)穩(wěn)定,無異常,如圖5所示。

        圖5 拆換后初支狀態(tài)

        6 施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

        (1)掌子面在開挖時(shí)具有一定的穩(wěn)定性,掉塊、垮塌不嚴(yán)重時(shí),建議采用上下臺(tái)階法;掌子面在開挖時(shí)穩(wěn)定性差,掉塊、坍塌,掌子面無自穩(wěn)性時(shí),建議采用三臺(tái)階法。圍巖預(yù)留變形量不應(yīng)一味考慮圍巖應(yīng)力釋放,也要結(jié)合經(jīng)濟(jì)因素,根據(jù)先期的監(jiān)控變形量,確定合理的預(yù)留變形量值。

        (2)為防止?jié)B水軟化圍巖,確保固結(jié)圍巖,建議系統(tǒng)錨桿采用φ42注漿小導(dǎo)管(4.5 m/根)或初期支護(hù)再開挖后注漿固結(jié)圍巖和注漿堵水。

        (3)掌子面經(jīng)常坍塌,φ42超前小導(dǎo)管不能滿足要求時(shí),建議采用單層或雙層φ51自進(jìn)式錨桿。拱部坍塌嚴(yán)重時(shí),采用6 m搭接3 m方式,大型塌方可提高為φ76自進(jìn)式錨桿,并縮小環(huán)向間距,如20~30 cm。

        (4)建議在加大初期支護(hù)強(qiáng)度時(shí)可考慮采用H型鋼,特殊情況可根據(jù)監(jiān)控量測適時(shí)施作雙層鋼架支護(hù),避免初支變形過大后期再處理,一方面整治時(shí)間長,延長工期,增加成本;另一方面安全風(fēng)險(xiǎn)大,施工質(zhì)量難以保證。

        (5)鎖腳錨桿建議采用φ51自進(jìn)式長錨桿,單根長8 m?,F(xiàn)場如三臺(tái)階開挖,建議對上、中、下導(dǎo)拱腳均采用8 m長φ51自進(jìn)式錨桿,12根/榀。

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