劉俊鋒,柏文軍,曾智勇,燕 新,張怡興

(1.廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司,廣州 510630；2.長(zhǎng)安大學(xué)，西安 710064；3.新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830006)

隨著我國(guó)隧道建設(shè)的高速發(fā)展，隧道建設(shè)中所遇難點(diǎn)也逐漸增多，高應(yīng)力下軟巖以及破碎巖綜合問(wèn)題一直是隧道施工中的難點(diǎn)[1]，設(shè)計(jì)和施工措施不當(dāng)不僅會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失，還可能產(chǎn)生生命安全問(wèn)題。

由于不同圍巖的差異性，軟巖隧道出現(xiàn)的問(wèn)題也呈現(xiàn)不同特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同軟巖隧道在變形特征和支護(hù)結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了大量研究[2-3]，所研究的國(guó)外隧道如瑞士的辛普倫隧道、日本的惠那山隧道、意大利的都靈隧道等；國(guó)內(nèi)隧道如四川的鷓鴣山隧道、甘肅的木寨嶺隧道、陜西的杜家山隧道等?；谝陨瞎こ萄芯?，我國(guó)學(xué)者提出了不同的支護(hù)方法和支護(hù)理念，李曉紅等[4]基于Poyting-Thomoson(鮑爾丁-湯姆遜)模型，對(duì)軟巖隧道圍巖進(jìn)行了黏彈性分析，得到的初期支護(hù)在一定程度上抑制了隧道的變形速率，為確定二次襯砌的時(shí)機(jī)提供了理論依據(jù)；孫偉亮[5]、王水善[6]針對(duì)不同隧道進(jìn)行了施工力學(xué)行為分析，制定了“超前支護(hù)、初期支護(hù)加強(qiáng)、合理變形、先放后抗、先柔后剛、剛?cè)岵?jì)、及時(shí)封閉、底部加強(qiáng)、改善結(jié)構(gòu)、地質(zhì)預(yù)報(bào)”的快速施工原則和總體方案。

炭質(zhì)泥巖作為典型的軟弱破碎圍巖，其礦物成分復(fù)雜、種類(lèi)繁多，大多具有強(qiáng)度低、遇水易軟化并且易崩解的特點(diǎn)。在炭質(zhì)泥巖中修建隧道時(shí)，圍巖變形量大、變形速度快、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且后期蠕變顯著。李育樞等[7]通過(guò)室內(nèi)外試驗(yàn)對(duì)炭質(zhì)泥巖的物理力學(xué)性質(zhì)開(kāi)展了大量研究；曾鈴等[8]對(duì)炭質(zhì)泥巖在路基工程力學(xué)方面開(kāi)展了分析研究。但針對(duì)炭質(zhì)泥巖隧道大變形及變形控制問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)相關(guān)研究。本文以其古頂炭質(zhì)泥巖隧道為研究背景，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和試驗(yàn)，綜合分析炭質(zhì)泥巖隧道大變形的特征和影響因素，提出有效治理措施。

1 工程概況

其古頂隧道位于廣東省梅州市梅縣區(qū)，隧道穿過(guò)低緩丘陵、低山丘陵地貌區(qū)，地勢(shì)起伏大，地面標(biāo)高為150～440 m，地面相對(duì)高差約為290 m。山體圍巖屬于二疊系龍?zhí)督M頁(yè)巖、二疊系文筆山組砂頁(yè)巖及炭質(zhì)泥頁(yè)巖等，巖石較破碎。根據(jù)調(diào)繪及勘探成果，局部見(jiàn)燕山晚期酸性巖侵入巖脈，褶皺、撓曲較常見(jiàn)，巖層產(chǎn)狀多變。隧址區(qū)地層巖性為第四系坡殘積粉質(zhì)黏土和碎石，基底為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)淺黃色砂巖及下統(tǒng)文筆山組(P1w)灰黑色炭質(zhì)泥巖、砂巖等，龍?zhí)督M地層上覆于文筆山組地層，厚度小且局部為破碎帶。圍巖主要為全-強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)泥巖，巖體是由巖粉、壓碎的巖石碎屑和碎片等組成，存在大量節(jié)理和順層摩擦面。隧址區(qū)位于低緩丘陵區(qū)，地表水不發(fā)育且主要來(lái)源為大氣降雨、沿山谷匯流，為季節(jié)性地表水。隧址區(qū)地下水類(lèi)型為松散層孔隙水及基巖裂隙水，多賦存于殘坡積層和基巖巖層中，水位的變化受到季節(jié)影響，水量受基巖裂隙發(fā)育程度影響，局部裂隙帶可能存在富集現(xiàn)象。

2 圍巖破壞特性及原因分析

2.1 破壞特性

1)地表沉降大

在淺埋段進(jìn)洞施工時(shí)，由于圍巖條件差致使支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變形，造成圍巖大面積變形沉降。對(duì)于地層表面而言，地表下沉?xí)a(chǎn)生地裂縫：洞口右側(cè)邊坡至坡頂出現(xiàn)1條長(zhǎng)約為60 m、寬為3～30 mm的貫穿裂縫，其周邊零星分布著長(zhǎng)為3～10 m 的小裂縫，套拱拱頂左側(cè)也出現(xiàn)1條長(zhǎng)為0.7 m、寬為3 cm的裂縫，洞口仰坡掛網(wǎng)噴混凝土處出現(xiàn)多處開(kāi)裂，洞口段裂縫分布如圖1所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的8個(gè)地表沉降點(diǎn)(從左至右為1-1～1-8)，YK11+493斷面地表下沉最大值為220.7 mm，右側(cè)地表沉降累計(jì)值小于左側(cè)沉降累計(jì)值，YK11+493斷面地表沉降關(guān)系如圖2所示。YK11+482斷面地表下沉最大值為72.5 mm，右側(cè)地表沉降累計(jì)值小于左側(cè)沉降累計(jì)值，監(jiān)測(cè)區(qū)域沉降量較大。在每次開(kāi)挖擾動(dòng)后圍巖會(huì)產(chǎn)生較大變形，對(duì)隧道內(nèi)部變形較大的區(qū)域監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其中最大變形速率可達(dá)89 mm/d，最大沉降量可達(dá)218.3 mm，并且同一個(gè)斷面可能發(fā)生多次沉降。

圖1 洞口段裂縫分布

圖2 YK11+493斷面地表沉降關(guān)系

2)初支變形及沉降收斂大

全風(fēng)化炭質(zhì)泥巖開(kāi)挖后，圍巖強(qiáng)度急劇下降，產(chǎn)生范圍較大的松動(dòng)圈，并作用于初期支護(hù)措施上。初期支護(hù)剛度設(shè)置無(wú)法抵御圍巖產(chǎn)生的變形，同時(shí)隧道剛進(jìn)洞內(nèi)，掌子面以及附近有少量積水，炭質(zhì)泥巖遇水會(huì)產(chǎn)生膨脹變形，進(jìn)一步加劇了初支產(chǎn)生的變形和圍巖的沉降。斷面沉降過(guò)大，同時(shí)斷面出現(xiàn)混凝土開(kāi)裂，局部出現(xiàn)拱架鼓包外凸等情況。初期支護(hù)環(huán)向裂縫如圖3所示，YK11+465斷面變形累計(jì)值曲線如圖4所示，YK11+465斷面收斂曲線如圖5所示。

圖3 初期支護(hù)環(huán)向裂縫

圖4 YK11+465斷面變形累計(jì)值曲線

圖5 YK11+465斷面收斂曲線

3)易發(fā)生掉塊及塌方

開(kāi)挖后掌子面揭露圍巖多為全-強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)泥巖，巖體層間結(jié)合較差且松散，節(jié)理裂隙發(fā)育，強(qiáng)度較低、自穩(wěn)能力較差，圍巖開(kāi)挖后拱頂易發(fā)生掉塊和小范圍塌方。進(jìn)洞以來(lái)，拱頂時(shí)常發(fā)生掉塊，多次發(fā)生塌方，塌腔前后段沉降較異常。

4)拱頂及拱腰沉降大

同一斷面圍巖存在較大差異，地質(zhì)偏壓現(xiàn)象明顯。設(shè)計(jì)Ⅴ級(jí)圍巖比例為55%，施工過(guò)程中沉降較大，出現(xiàn)不同程度的初期支護(hù)變形及開(kāi)裂情況。

隧道施工期間單日最大沉降量達(dá)274 mm/d(發(fā)生于左洞K19+575斷面)，累積最大沉降量達(dá)1 100 mm(發(fā)生于右洞K11+474斷面)，在施工過(guò)程中多次發(fā)生侵限，其中出口右洞換拱率高達(dá)78.9%。

2.2 破壞原因分析

隧道支護(hù)出現(xiàn)大變形由多方面因素造成，其中包括地形、地質(zhì)和施工條件等方面，其古頂隧道的大變形原因分析如下。

1)隧道拱部形成的塌落拱荷載不均勻

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，隧道地表左側(cè)沉降量大于右側(cè)沉降量，同時(shí)對(duì)不同部位的圍巖應(yīng)力、鋼拱架應(yīng)變以及混凝土應(yīng)變進(jìn)行分析，可以得出斷面圍巖應(yīng)力、鋼拱架應(yīng)變以及混凝土應(yīng)變值分別存在不對(duì)稱(chēng)性，呈現(xiàn)明顯差異性。斷面左側(cè)的壓力和應(yīng)變值大于斷面右側(cè)的壓力和應(yīng)變值，表明地質(zhì)偏壓對(duì)隧道穩(wěn)定性以及力學(xué)性質(zhì)有顯著影響。

2)圍巖自穩(wěn)能力差

炭質(zhì)泥巖主要特性為：強(qiáng)度很低，裂隙層理密集發(fā)育；由于巖粉與石屑存在，巖體抗剪強(qiáng)度較低，其以炭質(zhì)滑膜的形式存在于層理間，導(dǎo)致層理間摩擦系數(shù)很小，因此極易發(fā)生滑移現(xiàn)象；巖體易軟化，在水的浸潤(rùn)下常為泥糊狀；易崩解，巖體碎后形狀為鱗片狀或粉末狀；由于巖體存在一定的膨脹性、各向異性和滑膜現(xiàn)象，在三者的綜合作用下，圍巖變形具有強(qiáng)烈的非對(duì)稱(chēng)性；炭質(zhì)泥巖的塑性變形范圍較大，會(huì)使隧道周邊形成松散破碎區(qū)和塑性變形區(qū)。

3)預(yù)留變形量不合理

對(duì)于同一斷面，左右側(cè)圍巖不僅差異較大，而且拱頂和兩側(cè)也有較大的差異性，如拱頂為中風(fēng)化炭質(zhì)泥巖，兩側(cè)又為全風(fēng)化炭質(zhì)泥巖。斷面差異性較大導(dǎo)致沉降量差異較大，預(yù)留沉降量難以控制，如有些斷面預(yù)留50 cm沉降量，但局部累計(jì)沉降僅10 cm，遠(yuǎn)小于預(yù)留量，使?jié)仓r混凝土超方嚴(yán)重。沉降量與預(yù)留量差異較大同時(shí)會(huì)導(dǎo)致局部產(chǎn)生不均勻沉降、滑塌和滲水現(xiàn)象，使圍巖軟化，初期支護(hù)發(fā)生侵限。

4)超前支護(hù)及圍巖加固不理想

局部區(qū)段的掌子面圍巖為全風(fēng)化炭質(zhì)泥巖，圍巖整體較密實(shí)，巖體可注漿性較差，現(xiàn)場(chǎng)注漿效果很難達(dá)到預(yù)期的加固效果，因此在圍巖擾動(dòng)后，隧道易發(fā)生塌落等現(xiàn)象。

5)上半斷面鋼拱架腳部出現(xiàn)穩(wěn)定問(wèn)題

隧道上臺(tái)階鋼拱架的反力依靠拱腳和鎖腳錨桿，然而下臺(tái)階和仰拱的開(kāi)挖會(huì)破壞上臺(tái)階鋼拱架的穩(wěn)定，且開(kāi)挖后會(huì)出現(xiàn)懸空現(xiàn)象，從而導(dǎo)致隧道初期支護(hù)變形。

3 隧道變形控制措施

新奧法施工的基本原理是充分發(fā)揮圍巖的自承能力，即在掌子面開(kāi)挖完成后，圍巖發(fā)生一定量的變形，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后重新達(dá)到平衡狀態(tài)，并在柔性支護(hù)下保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。但是對(duì)于軟弱圍巖來(lái)說(shuō)，其基本不具有自承能力，因此在支護(hù)過(guò)程中就要求“以抗為主”，不能“先放后抗”，防止變形加大。結(jié)合具體施工措施，主要從支護(hù)時(shí)間、支護(hù)剛度、施工工法以及預(yù)留變形量4個(gè)方面來(lái)控制圍巖能量合理釋放，保證圍巖穩(wěn)定性。

3.1 施作臨時(shí)仰拱

先行導(dǎo)洞上下臺(tái)階，每榀采用臨時(shí)仰拱進(jìn)行封閉成環(huán)措施。對(duì)已完成全斷面但未進(jìn)行仰拱施工的隧道段采用I20環(huán)形鋼拱架臨時(shí)支撐，鋼拱架內(nèi)設(shè)三角形內(nèi)撐，并施作臨時(shí)仰拱，每榀間距為0.6 m；對(duì)已施作仰拱的隧道段采用I20環(huán)形鋼拱架臨時(shí)支撐，鋼拱架內(nèi)設(shè)三角形內(nèi)撐，每榀間距為1.2 m。

3.2 設(shè)置合理支護(hù)時(shí)間和預(yù)留變形量

隧道在開(kāi)挖擾動(dòng)后圍巖應(yīng)力發(fā)生改變，圍巖也發(fā)生相應(yīng)變形。針對(duì)炭質(zhì)泥巖特殊的物理以及力學(xué)性質(zhì)，開(kāi)挖后圍巖會(huì)產(chǎn)生大變形，因此合理支護(hù)時(shí)間以及預(yù)留變形量的設(shè)置是圍巖應(yīng)力合理釋放以及圍巖松動(dòng)圈限制的重要前提。炭質(zhì)泥巖自身穩(wěn)定性差、應(yīng)力水平高、形變荷載大且變形速度快，若不及時(shí)采取支護(hù)措施，當(dāng)圍巖自身應(yīng)力的調(diào)整大過(guò)圍巖自身強(qiáng)度時(shí)，圍巖立即進(jìn)入塑性狀態(tài)，進(jìn)而塑性范圍擴(kuò)大以至產(chǎn)生坍塌。因此合理支護(hù)時(shí)間的設(shè)置是圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)措施安全性的重要保障。

根據(jù)新奧法施工十八字方針中“強(qiáng)支護(hù)”的施工原則，炭質(zhì)泥巖在無(wú)約束情況下變形快，因此約束情況下對(duì)圍巖應(yīng)力釋放的控制就顯得格外重要。預(yù)留變形量不僅是保證圍巖約束后可以發(fā)揮變形量的一個(gè)重要措施，也是保證初期支護(hù)穩(wěn)定性的重要舉措。結(jié)合其古頂隧道施工過(guò)程中的大變形問(wèn)題，將變形量從原設(shè)計(jì)的12 cm變更到42 cm，增加支護(hù)后圍巖的變形空間，使圍巖變形能量可以合理釋放，減少初期支護(hù)發(fā)生局部隆起和混凝土開(kāi)裂的現(xiàn)象。

3.3 加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)

隧道監(jiān)控量測(cè)可及時(shí)掌握隧道圍巖的動(dòng)態(tài)信息，該隧道通過(guò)圍巖壓力、鋼拱架應(yīng)變、拱頂下沉以及周邊收斂的數(shù)據(jù)分析，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，控制步距。隧道由于變形較大且可能發(fā)生多次變形，監(jiān)控量測(cè)頻率應(yīng)保持每天至少2次，確保隧道施工過(guò)程安全。

3.4 控制合理支護(hù)剛度

圍巖變形能量需階段性釋放，保證圍巖的穩(wěn)定性。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工分析，各支護(hù)措施是按照一定順序進(jìn)行安裝和固定，因此每個(gè)支護(hù)措施受力性質(zhì)以及受力大小均不同。針對(duì)每個(gè)支護(hù)措施的受力特點(diǎn)，其剛度應(yīng)合理設(shè)置，因此須對(duì)其古頂隧道初期支護(hù)措施進(jìn)行變更，支護(hù)措施變更如表1所示。

表1 支護(hù)措施變更

3.5 選取開(kāi)挖方法

其古頂隧道在CD工法(中隔壁法)的基礎(chǔ)上設(shè)置臨時(shí)仰拱，提出“步步成環(huán)”的施工概念，降低斷面發(fā)生整體大變形的概率，有效控制大跨度軟巖隧道變形，但增加了每個(gè)斷面整體的封閉時(shí)間；臺(tái)階工法在圍巖相對(duì)穩(wěn)定的情況下使用，不僅可以加快施工進(jìn)度，也可保證開(kāi)挖斷面的穩(wěn)定性。強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)泥巖采用CD工法施工，有效控制隧道發(fā)生大變形，中-弱風(fēng)化炭質(zhì)泥巖采用臺(tái)階工法施工，保證了隧道的穩(wěn)定性。但CD工法轉(zhuǎn)變?yōu)榕_(tái)階工法施工時(shí)，加劇了隧道變形，因此在工法轉(zhuǎn)變過(guò)程中須提前做好預(yù)支護(hù)。其古頂隧道右線開(kāi)挖區(qū)域工法分布如圖6所示；左線開(kāi)挖區(qū)域工法分布如圖7所示。

圖6 其古頂隧道右線開(kāi)挖區(qū)域工法分布

圖7 其古頂隧道左線開(kāi)挖區(qū)域工法分布

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)ZK10+350、ZK10+360和ZK10+370斷面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，鎖腳錨管控制了圍巖變形速率，降低了開(kāi)挖過(guò)程中圍巖變形的波動(dòng)性；從ZK10+350斷面和ZK10+360斷面對(duì)比可知，收斂值分別降低了約54.2%和45.3%。新型縱向連接系統(tǒng)在開(kāi)挖擾動(dòng)瞬間，降低了圍巖應(yīng)力的釋放，增加了圍巖產(chǎn)生的抗力，防止圍巖發(fā)生過(guò)大形變。分析現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，修改后的方案在各方面都有效控制了隧道的開(kāi)挖變形。

4 結(jié)論

(1)其古頂隧道變形總體特征為變形量大、變形速率高、變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。隧道圍巖主要是全-強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)泥巖，圍巖性質(zhì)差，因此在開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等手段，及時(shí)掌握圍巖變形情況，調(diào)整支護(hù)參數(shù)，確保施工安全。

(2)采用新奧法對(duì)炭質(zhì)泥巖隧道施工，不能過(guò)分強(qiáng)調(diào)初期支護(hù)的柔性、充分發(fā)揮圍巖的自承能力，而應(yīng)盡快采用強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，使初期支護(hù)結(jié)構(gòu)在短時(shí)間內(nèi)閉合成環(huán)，并且盡快完成二次襯砌以承擔(dān)部分荷載，從而保證隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。對(duì)于炭質(zhì)泥巖隧道，上半斷面支護(hù)增加臨時(shí)仰拱可使上半斷面的鋼架支護(hù)及時(shí)閉合成環(huán)，形成閉合的受力體系，有效抑制圍巖過(guò)度變形。同時(shí)在施工過(guò)程中，應(yīng)對(duì)已完成段的隧道監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，預(yù)判未開(kāi)挖段隧道預(yù)留變形量的多少和圍巖變形穩(wěn)定的時(shí)間，從而確定仰拱和二次襯砌施作時(shí)間，使整個(gè)工程安全、穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)。

(3)主要從炭質(zhì)泥巖隧道的破壞特性及破壞原因進(jìn)行分析，提出一系列處治措施，未能從炭質(zhì)泥巖的力學(xué)性能上綜合分析其變形機(jī)理，因此可進(jìn)一步研究，深化結(jié)論。