兀 森,李寶地,李 軍,李寶葒
(陜西路橋集團(tuán)第一工程有限公司 西安市 710000)
千枚巖是一種具有千枚狀構(gòu)造區(qū)域淺變質(zhì)巖[1]。工程中遇到的千枚巖多為炭質(zhì)千枚巖,內(nèi)含絹云母、石英等雜質(zhì),自然狀態(tài)下巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,質(zhì)軟,風(fēng)化迅速、易剝落,承載力低,具有明顯的遇水軟化、碾壓易泥化等特性[2-6],屬于軟弱千枚巖。
隨著西部地區(qū)基礎(chǔ)交通設(shè)施的不斷完善,穿越軟弱千枚巖地層的隧道越來越多,如烏鞘嶺隧道[2]、木寨嶺隧道[3]、鷓鴣山隧道[4]等。在這些工程中,由于軟弱千枚巖圍巖自承載能力弱,自穩(wěn)時間短,開挖后應(yīng)力調(diào)整階段圍巖變形速率快、變形量大,持續(xù)時間長,易發(fā)生大變形、侵限、坍塌等工程事故[7-8]??偨Y(jié)現(xiàn)有的工程經(jīng)驗可知,大部分軟巖公路隧道是通過及時支護(hù)、強(qiáng)支護(hù)等施工方式來阻止圍巖發(fā)生大變形[7,9]。
通過對大量軟弱千枚巖隧道施工病害和施工技術(shù)進(jìn)行整理分析,總結(jié)了該類隧道變形特征和常見施工病害,并從施工各個環(huán)節(jié)提出了防治措施。
軟弱千枚巖較破碎,且具有強(qiáng)度低、易風(fēng)化等特性。當(dāng)在軟弱千枚巖地層中修建隧道時,圍巖具有如下變形特征:
(1)開挖后瞬時變形量大。分析大量現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)可見,在隧道爆破后,初期支護(hù)施做前,圍巖產(chǎn)生了較大瞬時變形,最大變形量可達(dá)數(shù)十厘米。這是由于隧道開挖前,圍巖賦存較高的初始地應(yīng)力,在爆破開挖時,地應(yīng)力瞬間釋放,且由于巖體自身強(qiáng)度低、較破碎,圍巖自承能力差,故發(fā)生了較大的瞬時塑性變形。
(2)累計變形量大、變形速率較快。在軟弱千枚巖隧道開挖之后,圍巖變形速率較快,尤其是隧道剛開挖前幾日,變形速率可達(dá)每天幾厘米,遠(yuǎn)大于《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》(Q/CR9218-2015)中拱頂下沉、水平收斂速率5mm/d,且累計變形量較大,甚至超過100cm。主要原因是隧道開挖后,初期支護(hù)施作較慢并且不能及時閉合,且現(xiàn)有規(guī)范對類似圍巖支護(hù)沒有針對性支護(hù)方案,導(dǎo)致根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范設(shè)計施工時支護(hù)抗力偏小,不能有效約束圍巖變形。
(3)變形持續(xù)時間長。通過長期監(jiān)測發(fā)現(xiàn),軟弱千枚巖隧道開挖后,圍巖持續(xù)發(fā)生變形,即使在隧道初期支護(hù)完成后,變形仍在繼續(xù)。主要是因為初期支護(hù)的支護(hù)抗力不足,而軟弱千枚巖在長期荷載作用下會發(fā)生蠕變。若有效加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度,變形將逐步停止;否則,變形將持續(xù)較長時間,最終影響隧道圍巖穩(wěn)定與結(jié)構(gòu)安全。
(4)深部圍巖破壞范圍大。通過現(xiàn)場監(jiān)測可知,隨著隧道施工的進(jìn)行,圍巖壓力不斷增大,圍巖的塑性區(qū)也隨之不斷擴(kuò)大,進(jìn)而松動圈半徑也不斷增大。這是由于軟弱千枚巖強(qiáng)度低,較破碎,呈薄層狀分布,且常含石英、云母等雜質(zhì),受到外界擾動易發(fā)生破壞。
(5)變形分布不均勻、變形量難預(yù)測。根據(jù)對軟弱千枚巖隧道現(xiàn)場變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知,同一斷面不同部位的變形量差異較大,變形量沿橫斷面分布很不均勻。主要是由于千枚巖自身強(qiáng)度低,受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動影響明顯,使得巖體節(jié)理發(fā)育程度、巖層走向以及巖層厚度無明顯規(guī)律可循,即使同一里程斷面分布也不均勻,且層厚較薄處的變形量較大;厚度相同時,節(jié)理較發(fā)育的位置變形量大。
軟弱千枚巖的礦物成分以絹云母、綠泥石為主,且碳質(zhì)物質(zhì)含量較高,具有較薄的絲絹狀片理。在軟弱千枚巖地層中開挖隧道后,巖體在自然狀態(tài)下迅速風(fēng)化剝落,承載力進(jìn)一步低,使碾壓易泥化,加之賦存較大地應(yīng)力,施工中若措施不當(dāng)或支護(hù)不及時,易引發(fā)各種病害。
(1)掌子面滑塌
軟弱千枚巖的巖體較破碎,受到爆破及現(xiàn)場施工的擾動時,圍巖變得更加松散。在隧道開挖后,軟弱千枚巖將在空氣中發(fā)生氧化,若不能及時噴射混凝土封閉掌子面,可能會造成掌子面滑塌,如圖1。掌子面滑塌將嚴(yán)重威脅現(xiàn)場施工人員的安全,影響隧道的施工進(jìn)度。當(dāng)掌子面發(fā)生滑塌時,應(yīng)及時噴射混凝土封閉圍巖,阻止繼續(xù)氧化,防止掌子面發(fā)生二次滑塌。
圖1 掌子面滑塌
(2)初支開裂、掉塊
軟弱千枚巖隧道開挖后,在長期荷載的作用下,圍巖發(fā)生蠕變。若初支的支護(hù)抗力不足,圍巖將產(chǎn)生較大的變形,可能造成初期支護(hù)的混凝土開裂,甚至可能發(fā)生拱頂?shù)魤K等施工危害,威脅現(xiàn)場施工人員的安全,影響施工的進(jìn)度。當(dāng)發(fā)現(xiàn)初支混凝土開裂后,應(yīng)及時調(diào)查開裂原因,同時補(bǔ)噴混凝土,增強(qiáng)初支的支護(hù)抗力。必要時可加密錨桿或注漿改善初支的受力情況,阻止混凝土進(jìn)一步開裂擴(kuò)張。
圖2 初支開裂
(3)隧道侵限
在軟弱千枚巖地層中開挖隧道時,在地應(yīng)力與圍巖的蠕變作用下,圍巖將發(fā)生持續(xù)變形。若初期支護(hù)的支護(hù)抗力不足,隧道將發(fā)生大變形,影響施工安全。如果隧道的開挖預(yù)留量不足或開挖后的變形較大,甚至可能會造成隧道侵限,影響二襯的厚度。當(dāng)隧道侵限時,需在侵限部位回填土堆,拆除初期支護(hù),并將圍巖開挖至設(shè)計開挖輪廓線,達(dá)到要求后,重新施作支護(hù)措施。
圖3 隧道侵限
軟巖千枚巖隧道變形量大、變形速度快,若不采取及時的強(qiáng)支護(hù)措施,將使隧道發(fā)生施工病害。因此,為了防止軟弱千枚巖隧道開挖后發(fā)生較大的變形,將圍巖變形控制在合理范圍內(nèi),達(dá)到提高圍巖承載能力、確保隧道結(jié)構(gòu)安全的目的,必須進(jìn)行相關(guān)的處理措施,具體如下。
在隧道進(jìn)行爆破施工前,為了了解掌子面前方的圍巖級別與圍巖穩(wěn)定性,為隧道設(shè)計與施工提供理論依據(jù),需要對隧道進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報。隧道超前地質(zhì)預(yù)報中常見的方法是地質(zhì)雷達(dá)法、TSP探測法和超前水平鉆孔法。
超前地質(zhì)預(yù)報可快速、便捷地推斷掌子面前方30~100m范圍內(nèi)的巖性及地質(zhì)構(gòu)造,分析不良地質(zhì)體的位置和結(jié)構(gòu)特征,提前預(yù)警,為隧道安全施工提供可靠依據(jù)。
在軟弱千枚巖地層中修建隧道時,施工擾動會使圍巖發(fā)生大變形,嚴(yán)重時將引起掌子面失穩(wěn)、隧道塌方等施工病害,造成重大經(jīng)濟(jì)損失。為了防止施工擾動造成的施工病害,可采用隧道超前支護(hù)來控制圍巖的變形,從而達(dá)到保證隧道施工安全的目的。隧道超前支護(hù)的方式主要有管棚、小導(dǎo)管、水平旋噴樁等。
在現(xiàn)場施工中,常用的超前支護(hù)方式為超前小導(dǎo)管注漿。超前小導(dǎo)管注漿是在掌子面開挖前,在掌子面的斜上方注漿,使較破碎、松散的巖塊成為一個整體,加固圍巖,改善圍巖情況,保證掌子面穩(wěn)定。通過超前小導(dǎo)管支護(hù)技術(shù)能夠在掌子面前方形成受力支護(hù)結(jié)構(gòu),提升隧道施工的安全性,優(yōu)化隧道質(zhì)量。超前小導(dǎo)管能夠有效地處理圍巖松散地段的隧道開挖問題,保證開挖過程中圍巖的穩(wěn)定,防止事故發(fā)生。
軟弱千枚巖的巖體較破碎,易受到爆破的擾動。因此,在隧道的實際施工中,應(yīng)采用新奧法施工原理,結(jié)合“短進(jìn)尺、弱爆破、勤量測、早支護(hù)”的原則,采用分部開挖法施工。軟弱千枚巖隧道中常見的施工方法有CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法以及三臺階預(yù)留核心土法。
雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD法施工是通過及時布設(shè)臨時仰拱,使開挖斷面的所有工作面封閉成環(huán),控制變形,進(jìn)而實施分部開挖。三臺階預(yù)留核心土法通過臨時仰拱形成閉合結(jié)構(gòu),控制變形。實際施工中,應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場的施工情況與圍巖性質(zhì)進(jìn)行施工方法的選擇。
在軟弱千枚巖地層中開挖隧道,如果初期支護(hù)施作不及時,圍巖變形可能超過其容許范圍,嚴(yán)重時將造成掌子面失穩(wěn)、隧道塌方等施工病害,造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。為有效支護(hù)圍巖,初期支護(hù)可從以下幾方面進(jìn)行優(yōu)化:
(1)噴射混凝土封閉圍巖
軟弱千枚巖地層中開挖隧道時,為了防止千枚巖在空氣中發(fā)生氧化而發(fā)生威脅施工安全的施工病害,在隧道開挖后應(yīng)及時噴射混凝土,封閉圍巖外露面,并緊跟掌子面。初噴與爆破時間間隔不得大于8h。
(2)加厚混凝土噴層
軟弱千枚巖隧道的變形較大,初支的混凝土噴層常發(fā)生開裂。為了防止混凝土開裂,可采用分層噴射施工等方法,加厚混凝土噴層,保證支護(hù)的柔性和噴層的完整性。對于軟弱千枚巖隧道,噴射混凝土一般采用濕噴技術(shù),不得采用干噴和潮噴,以確保噴射混凝土的質(zhì)量。
(3)加長錨桿
軟弱千枚巖隧道在開挖后,圍巖的松動圈較大,錨桿無法穿越破碎區(qū),達(dá)不到加固圍巖的作用。在軟弱千枚巖隧道的實際施工中,可適當(dāng)加長錨桿,加固塑性區(qū)圍巖,控制變形。
(4)立雙層拱架
軟弱千枚巖隧道在噴射混凝土封閉圍巖后,應(yīng)立即安裝鋼拱架、鋼筋網(wǎng)、錨桿等,防止初期支護(hù)的變形過大造成隧道侵限。及時布設(shè)監(jiān)控量測點(diǎn)并進(jìn)行變形監(jiān)控,若隧道日均變形量較大,可通過架設(shè)雙層拱架來提高初期支護(hù)的支護(hù)抗力,減少變形量,預(yù)防侵限。
(5)及時閉合初期支護(hù)
軟弱千枚巖隧道在初期支護(hù)施作完成時,若仰拱跟進(jìn)較慢,應(yīng)及時架設(shè)臨時仰拱,使初期支護(hù)及時閉合,提高初支的支護(hù)抗力,改善隧道的受力情況,預(yù)防隧道發(fā)生侵限等施工病害。
為了減少大變形對軟弱千枚巖隧道的影響,應(yīng)該在仰拱施作完成后及時布設(shè)二次襯砌,減少初支承受的圍巖壓力,并結(jié)合現(xiàn)場的觀察與監(jiān)控量測情況,適當(dāng)提高二次襯砌的混凝土標(biāo)號或采用鋼筋混凝土襯砌。
二次襯砌混凝土必須采用襯砌臺車泵送混凝土灌注,模筑襯砌外輪廓線以外與初期支護(hù)間一般用與模筑襯砌強(qiáng)度同級的混凝士回填。模筑襯砌拱部應(yīng)預(yù)留注漿孔,待襯砌達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后,實施拱頂充填注漿,保證拱頂混凝土填充密實。
在已有研究理論的基礎(chǔ)上,總結(jié)軟弱千枚巖隧道的施工病害,并結(jié)合現(xiàn)場施工情況,通過現(xiàn)場試驗、現(xiàn)場觀察以及監(jiān)控量測等方式,得出如下結(jié)論:
(1)軟弱千枚巖隧道施工中圍巖變形具有瞬時變形量大、變形持續(xù)時間長、變形分布不均勻等特點(diǎn),易發(fā)生掌子面滑塌、初支開裂、拱架變形、侵限等施工病害。
(2)針對軟弱千枚巖變形特點(diǎn),從施工前超前地質(zhì)預(yù)報、隧道超前支護(hù)分部開挖方式、初期支護(hù)參數(shù)和施做時機(jī)、二襯的加固等施工各個環(huán)節(jié)提出改進(jìn)措施。