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        類土質(zhì)隧道大變形機(jī)理及處治方案

        2021-07-10 08:57:58汪祥國
        鐵道建筑技術(shù) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:掌子面拱頂斷面

        汪祥國

        (中鐵十一局集團(tuán)第二工程有限公司 湖北十堰 442000)

        1 引言

        近年來,隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的進(jìn)行,鐵路公路網(wǎng)絡(luò)的修建完善了促進(jìn)我國城市經(jīng)濟(jì)交流、帶動(dòng)國家經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定增長的重要環(huán)節(jié),進(jìn)而拉動(dòng)了我國隧道建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大,使得我國在隧道建設(shè)領(lǐng)域積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

        在修建山嶺隧道的過程中,經(jīng)常會(huì)遇到圍巖軟弱破碎等復(fù)雜地質(zhì)條件,進(jìn)而導(dǎo)致開挖施工中發(fā)生擠壓性大變形的問題,圍巖會(huì)迅速且長時(shí)間持續(xù)發(fā)生變形,支護(hù)結(jié)構(gòu)在持續(xù)受力后超過承載極限[1]。閆紅江等[2]在麗江-香格里拉鐵路中義隧道觀測發(fā)現(xiàn),自2016年初開挖后隧道進(jìn)出口和橫洞工區(qū)相繼出現(xiàn)隧道大變形,最大日變形量大34 mm,最大累計(jì)變形量達(dá)到1 000 mm,變形持續(xù)到2018年末;戴永浩等[3]在大梁隧道發(fā)生大變形導(dǎo)致初砌失效、部分圍巖垮塌后通過有限元分析實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬并提出了針對(duì)性的支護(hù)措施。

        為了解決和預(yù)防大變形,許多學(xué)者針對(duì)大變形軟巖隧道進(jìn)行了一系列研究,李術(shù)才等[4]對(duì)國內(nèi)外隧道工程修建過程中面臨的大變形問題進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)探討并提出了一系列預(yù)防和治理的對(duì)策;廖煙開等[5]對(duì)軟巖大變形作出了系統(tǒng)分類;徐國文等人[6-8]通過比選試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在圍巖條件差的情況下才用三臺(tái)階法可有效控制大變形災(zāi)害的發(fā)生。以上的研究成果,對(duì)軟巖隧道開挖施工與設(shè)計(jì)提供了重要指導(dǎo)作用。

        本文以白竺3號(hào)隧道為例,結(jié)合隧道變形監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)軟巖隧道大變形及破壞機(jī)制進(jìn)行分析,并通過設(shè)計(jì)處治方案,提出支護(hù)措施,最后通過工程實(shí)踐驗(yàn)證方案合理性。

        2 工程概況

        江西萍蓮高速白竺3號(hào)隧道(ZK26+205~ZK27+280/YK26+200~YK27+295)為萍鄉(xiāng)至蓮花高速公路的一段公路隧道,隧道長度為1 075/1 095 m,為一分離式隧道,位于江西省萍鄉(xiāng)市。隧道區(qū)地貌地形屬剝蝕丘陵-低山,高程為379.00~560.80 m。左、右隧道進(jìn)口位于圓曲線內(nèi),半徑均為2 550 m,出口左右線均位于緩和曲線上,隧道為人字坡,兩側(cè)縱坡分別為2.2%和2.447%,隧道單洞正常涌水量707.87 m3/d,最大涌水量2 063.63 m3/d。萍鄉(xiāng)端洞口采用端強(qiáng)式,蓮花端采用削竹式。

        隧道出口施工至194 m時(shí),掌子面樁號(hào)為YK27+101,設(shè)計(jì)Ⅴ級(jí)圍巖,實(shí)際開挖掌子面發(fā)現(xiàn)圍巖為全、強(qiáng)風(fēng)石英砂巖及粉質(zhì)黏土,灰褐色,為類土質(zhì)圍巖,巖體較為破碎,呈碎裂狀結(jié)構(gòu),裂隙發(fā)育,掌子面出現(xiàn)些許滲水,出口掌子面開挖情況如圖1所示。

        圖1 出口右洞掌子面開挖情況

        繼續(xù)開挖的過程中,初襯部分失效,部分圍巖發(fā)生掉落和垮塌現(xiàn)象。在YK27+030~YK27+040段還出現(xiàn)嚴(yán)重侵限的現(xiàn)象,如圖2所示。這給后續(xù)施工帶來了巨大困難,因此需要設(shè)計(jì)處治方案解決大變形問題。

        圖2 YK27+030~YK27+040段侵限處圍巖

        3 現(xiàn)場監(jiān)測與大變形原因分析

        3.1 大變形監(jiān)測斷面布置

        隧道圍巖現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)布置為圖3所示,以YK27+040和YK27+047為典型斷面進(jìn)行監(jiān)測。每個(gè)斷面布置1個(gè)沉降觀測點(diǎn)和2條水平收斂觀測線(1、2)。

        圖3 監(jiān)測點(diǎn)布置示意

        3.2 典型變形破壞段監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

        通過實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測,可以獲得兩個(gè)典型斷面的變形數(shù)據(jù)(見圖4)。

        圖4 現(xiàn)場監(jiān)控量測折線圖

        從監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果來看YK27+047斷面拱頂下沉位移較大,且隨時(shí)間的增長變形在持續(xù)變大,增長趨勢沒有縮減,水平收斂值較為穩(wěn)定。而YK27+040斷面水平收斂位移以及拱頂下沉位移均隨時(shí)間急劇增長,偶而有平緩后繼續(xù)保持增長。由圖4可知,在8月14日至8月31日期間,YK27+047斷面拱頂下沉最大值約為300 mm,YK27+040斷面拱頂下沉最大值約為450 mm,水平收斂最大值約為170 mm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)范中所限定的同級(jí)圍巖的規(guī)范值。上述圍巖持續(xù)變形的過程導(dǎo)致了大變形災(zāi)害的發(fā)生、隧道初期支護(hù)出現(xiàn)侵限,對(duì)隧道施工安全帶來了巨大隱患。

        3.3 大變形破壞成因機(jī)理分析

        針對(duì)白竺3號(hào)隧道發(fā)生大變形等現(xiàn)象進(jìn)行進(jìn)一步的研究分析,對(duì)上述災(zāi)害產(chǎn)生的原因探討大致如下:

        (1)開挖過程中,圍巖由中風(fēng)化砂巖過渡到全、強(qiáng)分化頁巖和石英砂巖,為殘坡積層,發(fā)育有斷層破碎帶,承載能力較低,巖體中構(gòu)造應(yīng)力難以聚集,原始應(yīng)力以自重應(yīng)力場為主[9]。且隧道屬于偏壓段,圍巖所受荷載較為不均勻,支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力相差大。這是造成大變形災(zāi)害的基本原因。

        (2)隧道在洞口附近與白竺電站引水隧道交叉,引水隧道位于隧道頂板之上40 cm。雖然通過設(shè)計(jì)將引水隧道往東側(cè)改移,但還是導(dǎo)致隧道整體地質(zhì)條件變差。同時(shí)地表水豐富,進(jìn)出口段山間小溪中常年有水。該段自進(jìn)洞到災(zāi)害發(fā)生一直處于富水狀態(tài),開挖斷面圍巖突然變?nèi)?,出現(xiàn)滲水并導(dǎo)致部分全風(fēng)化弱巖發(fā)生崩解,泥化速度快,穩(wěn)定性較差[10-12]。受水影響,洞內(nèi)圍巖自身強(qiáng)度顯著下降,水浸泡后呈稀泥狀,致使初期支護(hù)不同程度的收斂下沉,整個(gè)隧道甚至有斷面拱頂下沉量達(dá)70 cm。

        4 圍巖大變形段處治方案

        為應(yīng)對(duì)白竺3號(hào)隧道施工過程中出現(xiàn)的大變形問題,提出了大變形段有關(guān)處治方案。

        4.1 隧道洞口預(yù)加固處治

        通過設(shè)置超前管棚于兩端洞口,減弱隧道支護(hù)的偏壓,使圍巖能承受開挖后形成的高應(yīng)力。超前長管棚采用熱軋無縫鋼管 φ108×6 mm,外插角1°~2°,環(huán)向間距50 cm,節(jié)長3、4、6 m。管棚導(dǎo)管前端呈尖錐狀,管壁四周鉆12 mm壓漿孔,尾部2.5 m不設(shè)壓漿孔,注漿采用單液注漿,參數(shù)如下:水泥漿水灰比 1∶1,注漿壓力0.5 ~1.0 MPa。

        4.2 加強(qiáng)初期支護(hù)強(qiáng)度

        改進(jìn)隧道初期支護(hù)措施,調(diào)整為 20工字鋼支撐,間距為0.5 m,砂漿錨桿間距1 m×0.5m矩形,錨桿長度為3.5 m,初支噴射混凝土厚度為27 cm。同時(shí)用超前支護(hù)的措施控制圍巖的變形:使用超前小導(dǎo)管(見圖5)從工字鋼腹部穿過或尾部焊接于鋼架上。小導(dǎo)管采用5 m長φ42 mm熱軋無縫鋼管,管壁厚5 mm,導(dǎo)管縱距根據(jù)工字鋼間距不同,分別有3.60 m和3.75 m,外插角15°~18°。導(dǎo)管前端呈尖錐狀,管壁四周鉆6mm壓漿孔,尾部1m不設(shè)壓漿孔,注漿采用單液注漿,參數(shù)如下:水泥漿水灰比1∶1,注漿壓力0.5~1.0 MPa。襯砌混凝土采用C30防水砼,使用一層或兩層φ8焊接鋼筋網(wǎng)。

        圖5 小導(dǎo)管徑向注漿

        4.3 塌腔體處治措施

        對(duì)于隧道塌腔體,先對(duì)掌子面進(jìn)行填土,反壓回填穩(wěn)定掌子面,采用噴射砼封閉塌腔巖面,然后對(duì)塌腔進(jìn)行封堵,采用泵送砼回填塌腔體,控制回填砼厚度,減少回填自重,然后進(jìn)行徑向打設(shè)間距1 m×1 m的5 m長φ42×5 mm小導(dǎo)管注漿穩(wěn)定變形初支,最后施作長9 mφ89×6 mm注漿長管棚對(duì)塌方區(qū)及掌子面前方進(jìn)行預(yù)加固。

        4.4 加強(qiáng)隧道防排水措施

        選用EVA防水板(與密度不小于350 g/m2土工布分點(diǎn)粘結(jié))。在原有的排水措施的基礎(chǔ)上,針對(duì)初期支護(hù)滲漏水較為集中處采用Ω型彈簧排水管,其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為拉伸鋼絲與塑料脫離負(fù)荷≥250 N;低溫(-30℃)彎折無裂縫、無變形;抗?jié)B透性:3.0 MPa/24 N不滲漏水。加強(qiáng)隧道縱向排水,采用φ160雙壁打孔波紋排水管,外包350 g/m2土工布。

        4.5 優(yōu)化施工方法,加強(qiáng)監(jiān)控量測

        在隧道施工過程中,根據(jù)圍巖變形情況,適時(shí)調(diào)整施工方案為三臺(tái)階七步開挖法。加強(qiáng)施工監(jiān)控量測,通過分析監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)可以及時(shí)了解施工段圍巖變形狀況,便于及時(shí)更新問題處治方案,保護(hù)安全施工條件。根據(jù)需要調(diào)整預(yù)留變形量為30~50 cm。

        5 處治效果分析

        為掌握大變形段處治后圍巖變形狀態(tài)變化,對(duì)YK27+040和YK27+047兩典型斷面的后續(xù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,時(shí)間與累計(jì)變形量趨勢折線如圖6所示。

        圖6 處治后現(xiàn)場監(jiān)控量測折線圖

        采取專項(xiàng)處治措施后,由圍巖累計(jì)變形量可看出,圍巖變形得到了有效控制。最大累計(jì)沉降值都控制在較平穩(wěn)范圍,沉降速率在40 d后趨于穩(wěn)定。YK27+040段拱頂沉降也在30 d左右穩(wěn)定在450mm左右,水平收斂穩(wěn)定在200 mm左右,沒有再高速增長,圍巖趨于穩(wěn)定。

        采取處治方案后,隧道大變形得到有效控制,圍巖塌方、初襯開裂現(xiàn)象在此后兩個(gè)月內(nèi)均較為少見,圍巖變形也保持在正常范圍內(nèi),證明了處治方案的有效性和合理性。處置方案保證了該洞段的順利施工,避免了施工成本的增加。

        6 結(jié)束語

        以類土質(zhì)隧道——白竺3號(hào)隧道發(fā)生大變形災(zāi)害為例,通過對(duì)該隧道各項(xiàng)地質(zhì)、物理指標(biāo)進(jìn)行分析,歸納出該隧道發(fā)生大變形破壞的影響因素和產(chǎn)生原因,同時(shí)在快速處治后得出如下結(jié)論:

        (1)類土質(zhì)隧道圍巖大變形體現(xiàn)在初期支護(hù)發(fā)生形變、侵限,拱頂圍巖發(fā)生快速下沉等破壞形式。

        (2)大變形是多種不良地質(zhì)、水文等因素共同作用的結(jié)果。首先,類土質(zhì)隧道自身圍巖較為軟弱破碎,導(dǎo)致圍巖承載能力較弱,這是導(dǎo)致大變形產(chǎn)生基本的緣由;其次,地下水對(duì)圍巖的崩解軟化作用也是類土質(zhì)隧道發(fā)生破壞的另一個(gè)主要因素;再者,處于偏壓段的同時(shí)洞口未做特殊處理、未使用預(yù)留核心土三臺(tái)階法等施工工藝問題也是客觀因素之一。

        (3)此次大變形災(zāi)害再一次證明重視隧道監(jiān)控量測并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)記錄分析的科學(xué)性和重要性,這些施工數(shù)據(jù)的記錄以及相關(guān)研究都將為今后的設(shè)計(jì)施工提供強(qiáng)有力的參考依據(jù)。

        (4)對(duì)于可能發(fā)生大變形的類似地段,應(yīng)采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等手段以加強(qiáng)不良地質(zhì)的調(diào)查,同時(shí)可以采取超前小導(dǎo)管或超前錨桿配合注漿的施工加固方法,減少可能的變形災(zāi)害,最終達(dá)到節(jié)約成本的效果。

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