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        侵入蝕變巖隧道大變形控制技術(shù)研究

        2022-04-20 10:41:52彎曉林
        鐵道建筑技術(shù) 2022年2期
        關(guān)鍵詞:鋼架掌子面拱頂

        彎曉林

        (中鐵十九局集團(tuán)第二工程有限公司 遼寧遼陽 111000)

        1 引言

        隨著我國交通路網(wǎng)的逐步完善,交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)重心逐步向西南地區(qū)轉(zhuǎn)移[1]。該地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜、地質(zhì)活動(dòng)強(qiáng)烈,由此導(dǎo)致隧道工程施工會(huì)面臨洞周變形較大、掌子面失穩(wěn)等問題,嚴(yán)重影響施工進(jìn)度、危害施工人員安全[2]。因此,隧道大變形與掌子面穩(wěn)定性控制問題成為西南地區(qū)隧道建設(shè)中亟需解決的關(guān)鍵問題[3]。

        國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已對(duì)隧道大變形問題展開了深入研究,并取得了相關(guān)成果。朱永全[4]從隧道圍巖變形量角度,給出了大變形界定標(biāo)準(zhǔn);何滿潮[5]根據(jù)軟巖變形機(jī)理對(duì)大變形問題進(jìn)行分類,分為彈性大變形與塑性大變形兩類;陳宗基[6]歸納了大變形產(chǎn)生的原因;趙旭峰[7]、田偉權(quán)[8]、李國良[9]、郭尚坤[10]等主要從隧道軟弱圍巖擠壓性大變形的力學(xué)特性出發(fā),揭示了大變形力學(xué)機(jī)理和影響因素,提出了變形潛勢(shì)分級(jí)方法和擠壓性圍巖荷載計(jì)算公式,分別采取斷面曲率優(yōu)化、限阻器變形吸收圍巖構(gòu)造應(yīng)力、雙層支護(hù)結(jié)構(gòu)等方法控制圍巖大變形,在蘭渝鐵路等隧道工程中得到了很好的驗(yàn)證;潘飛等[11]對(duì)高地應(yīng)力地層隧道圍巖大變形采用了優(yōu)化開挖方法、調(diào)整預(yù)留變形量、多層復(fù)合初支等手段進(jìn)行綜合處理;張德華[12]對(duì)大梁隧道極高地應(yīng)力問題開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并提出了新型支護(hù)結(jié)構(gòu)。

        從以上研究現(xiàn)狀分析可知,對(duì)隧道大變形控制技術(shù)多數(shù)是基于施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié),且采取的工程措施適用性有限。本文以玉磨鐵路安定隧道為工程依托,對(duì)侵入蝕變巖隧道大變形控制措施展開研究,分析不同支護(hù)措施的控制效果;總結(jié)侵入蝕變巖隧道施工功效降低的原因,提出相應(yīng)解決方案,形成侵入蝕變巖隧道大變形控制技術(shù),可為蝕變巖隧道大變形的控制提供技術(shù)支撐。

        2 工程背景

        安定隧道總長(zhǎng)度約17.476 km,處于滇西南地區(qū)哀牢山脈。受區(qū)域構(gòu)造影響,發(fā)育斷層20條、向斜2條。

        隧道洞身主要通過3套地層:一是三疊系上統(tǒng)路馬組(T3lm)泥巖、砂巖夾頁巖、炭質(zhì)泥巖、灰?guī)r、煤線;路馬組(T3lm)灰?guī)r夾泥巖;一碗水組下段(T3ya)砂巖、泥巖夾砂礫巖,上統(tǒng)(T3)板巖、千枚巖、砂巖夾砂礫巖,中統(tǒng)(T2)板巖、變質(zhì)砂巖夾泥灰?guī)r、灰?guī)r、千枚巖,長(zhǎng)度約6.2 km。二是志留系中下統(tǒng)(S1-2)砂巖、泥巖、板巖、千枚巖夾灰?guī)r、頁巖、炭質(zhì)板巖,長(zhǎng)度約1.3 km,隧道出口為代表。三是燕山期侵入超基性巖等地層及斷層角礫(Fbr),長(zhǎng)度約1.1 km。

        3 施工中遇到的主要問題

        3.1 有水地帶的侵入巖

        4號(hào)斜井平導(dǎo)巖性為超基性巖(橄欖巖)和泥巖,橄欖巖為橄欖色,粗粒結(jié)構(gòu),含黑色云母片,塊狀構(gòu)造,受構(gòu)造影響巖體破碎,呈碎塊、角礫狀,部分塊狀結(jié)構(gòu);泥巖為灰綠色,呈土塊狀,粘性強(qiáng)、表面光滑,遇水極易軟化變形,主要分布于左側(cè)和右側(cè)拱部開挖輪廓線附近。圍巖整體強(qiáng)度低,軟弱,自穩(wěn)性差,呈角礫、碎石狀松散富水結(jié)構(gòu),開挖易坍塌或大變形。掌子面有大股狀水流出,水量較大,如圖1所示。

        圖1 PDK138+373掌子面出水狀況

        4號(hào)斜井小里程段揭示圍巖以侵入巖為主,系橄欖巖,灰綠色,粗粒狀結(jié)構(gòu),強(qiáng)風(fēng)化,地處蝕變帶,巖質(zhì)較弱,強(qiáng)度低,節(jié)理裂隙很發(fā)育,結(jié)合程度差,巖體極破碎,呈角礫碎塊狀松散結(jié)構(gòu),自穩(wěn)性極差。掌子面含較多裂隙水,呈散流狀,拱頂呈淋雨?duì)?。圍巖軟弱富水,施工期間溜塌現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,圍巖難自穩(wěn),如圖2所示。加之地下水對(duì)圍巖的弱化作用,造成初支收斂變形嚴(yán)重,剛進(jìn)入侵入巖地段對(duì)圍巖認(rèn)識(shí)不清,采用常規(guī)支護(hù)措施,造成長(zhǎng)段落換拱現(xiàn)象。

        圖2 掌子面破碎巖體溜塌及出水

        3.2 無水地帶侵入巖

        3號(hào)斜井大里程揭示地層巖性為蛇紋巖,灰綠~黑綠色,變晶結(jié)構(gòu),巖質(zhì)軟弱;節(jié)理裂隙極發(fā)育,結(jié)構(gòu)面雜亂無序,結(jié)合程度很差,巖體極破碎,呈角礫碎石狀松散結(jié)構(gòu),遇水極易軟化,如圖3所示。

        圖3 無水地段侵入巖

        施工后發(fā)現(xiàn)初支收斂、沉降過大,后及時(shí)增加套拱加強(qiáng)支護(hù),個(gè)別段落初支變形失效嚴(yán)重,出現(xiàn)鋼架扭曲、變形,造成長(zhǎng)段落初支換拱現(xiàn)象。工期、人力、物力、財(cái)力損失嚴(yán)重。

        3.3 斷層破碎帶對(duì)施工的影響

        3號(hào)斜井平導(dǎo)巖性為砂巖,掌子面施工至PDK136+902里程后地下水極發(fā)育,處于有壓涌水狀態(tài),初始揭示時(shí)水平鉆孔射出距離30 m左右。根據(jù)流量計(jì)顯示單平導(dǎo)掌子面出水量由1 000 m3/h逐步增加到1 800 m3/h,水質(zhì)混濁,含砂泥。推測(cè)已進(jìn)入到九甲-安定逆沖斷層,比原設(shè)計(jì)里程提前153 m,對(duì)施工進(jìn)度造成嚴(yán)重影響。

        3.4 淺埋段志留系地層對(duì)隧道施工的影響

        志留系地層以炭質(zhì)頁巖、炭質(zhì)泥巖為主,巖質(zhì)較軟弱,薄層狀為主,強(qiáng)風(fēng)化,揭示全部以炭質(zhì)泥巖為主,夾少量砂礫,屬軟質(zhì)巖,圍巖穩(wěn)定性差,難自穩(wěn),如圖4所示。施工中出現(xiàn)長(zhǎng)段落初支收斂沉降過大造成侵限變形。

        圖4 志留系地層

        出口段施工43個(gè)月,施工 944 m,換拱166 m,自行增加套拱324 m,可想其施工難度之大。

        4 施工控制措施

        4.1 噴砼封閉掌子面

        (1)現(xiàn)場(chǎng)掌子面穩(wěn)定控制措施

        蛇紋巖地段和蝕變帶富水地段,采用噴砼(厚度5 cm,強(qiáng)度C20)進(jìn)行掌子面封閉,來延長(zhǎng)圍巖的自穩(wěn)時(shí)間,利用有限的穩(wěn)定時(shí)間,對(duì)初支進(jìn)行快速封閉,防止洞周初支發(fā)生大變形,加快施工進(jìn)度,保證安全,封閉掌子面后圍巖變形顯著減小。

        (2)噴砼封閉掌子面控制措施效果分析

        采用Flac3D有限差分軟件,對(duì)比分析不同噴砼厚度下隧道掌子面縱向變形曲線、上臺(tái)階及中臺(tái)階水平位移。三維計(jì)算模型如圖5所示。

        圖5 三維數(shù)值計(jì)算模型

        模型橫向取90 m,豎直向上取至拱頂以上50 m,豎直向下取40 m,縱向取80 m。圍巖采用實(shí)體單元,噴砼層采用Shell單元。材料參數(shù)見表1。工況劃分見表2。

        表1 圍巖與噴砼力學(xué)參數(shù)

        表2 噴砼厚度工況劃分

        不同噴砼厚度下,隨施工進(jìn)展隧道拱頂沉降曲線如圖6所示。由圖6可看出,掌子面噴砼可有效控制掌子面附近拱頂沉降,而對(duì)掌子面穩(wěn)定時(shí)拱頂沉降影響不大。由于施工時(shí)掌子面不穩(wěn)定,會(huì)使圍巖松弛范圍增大,因此掌子面噴砼封閉對(duì)減小拱頂下沉?xí)鸬揭欢ㄗ饔谩?/p>

        圖6 不同噴砼厚度下隧道拱頂沉降曲線

        不同噴砼厚度條件下上、中臺(tái)階水平位移曲線如圖7所示。

        圖7 不同噴砼厚度下水平位移曲線

        由圖7可知:掌子面噴砼厚度增加,上、中臺(tái)階水平位移均顯著減小,表明掌子面噴砼措施可有效控制洞周水平收斂;掌子面噴砼措施對(duì)上臺(tái)階水平位移的控制相對(duì)中臺(tái)階較為明顯;掌子面噴砼措施對(duì)控制洞周水平位移比拱頂沉降效果明顯。

        4.2 大變形支護(hù)措施

        (1)?76大鎖腳錨管穩(wěn)定拱腳措施

        為了避免軟巖地段初支收斂過大,采取對(duì)鎖腳錨管加大加長(zhǎng)方式控制初支變形,將原設(shè)計(jì)4.5 m長(zhǎng)?42鎖腳錨管調(diào)整為6 m長(zhǎng)?76鎖腳錨管,并進(jìn)行注漿。初支的收斂、沉降變形得到了明顯的控制。

        (2)?76大直徑鎖腳錨管穩(wěn)定拱腳控制措施效果分析

        采用Flac3D有限差分軟件,對(duì)比分析了不同鎖腳錨管長(zhǎng)度下隧道圍巖拱頂沉降與拱腳水平位移。鎖腳錨管長(zhǎng)度見表3。圍巖采用實(shí)體單元,按V級(jí)圍巖材料參數(shù)取值,鎖腳錨管采用beam單元。鎖腳錨管與水平面夾角45°斜向下打設(shè)。

        表3 鎖腳錨管長(zhǎng)度

        不同鎖腳錨管長(zhǎng)度對(duì)隧道洞周變形影響規(guī)律如圖8所示。

        圖8 隧道洞周變形與鎖腳錨管長(zhǎng)度關(guān)系曲線

        由圖8可知:鎖腳錨管長(zhǎng)度增加拱頂沉降明顯減小,長(zhǎng)度為2.5 m時(shí),拱頂沉降值為40.52 cm,長(zhǎng)度為5 m時(shí),拱頂沉降值減小為26.32 cm,減小35.04%;鎖腳錨管長(zhǎng)度增加,洞周水平位移也明顯減小,長(zhǎng)度為2.5 m時(shí),洞周水平位移值為35.62 cm,長(zhǎng)度為5 m時(shí),洞周水平位移值減小為26.88 cm,減小24.62%;鎖腳錨管措施對(duì)拱頂沉降比水平位移的控制效果更為明顯。

        (3)加大預(yù)留變形量

        為了避免初支過大變形,造成侵限換拱,不僅要控制變形,還要加大預(yù)留變形量,延長(zhǎng)變形時(shí)間。在大變形地段預(yù)留變形量調(diào)整至最大70 cm,可避免大量換拱作業(yè)。

        5 施工功效降低原因及解決方案

        5.1 功效降低原因

        (1)圍巖級(jí)別變化對(duì)施工進(jìn)度影響

        關(guān)鍵段落圍巖級(jí)別統(tǒng)計(jì)及影響時(shí)間見表4。

        表4 關(guān)鍵段落圍巖級(jí)別統(tǒng)計(jì)及影響時(shí)間

        由表4可看出:圍巖級(jí)別的大幅度調(diào)整對(duì)施工進(jìn)度造成了嚴(yán)重影響。施工過程中揭露圍巖級(jí)別與設(shè)計(jì)圍巖級(jí)別差別較大,多是圍巖級(jí)別升高,穩(wěn)定性降低,造成工期滯后。

        (2)不良地質(zhì)的頻繁出現(xiàn)對(duì)施工進(jìn)度影響

        發(fā)育斷層20條、向斜2條,期間侵入巖出露頻繁,圍巖富水,斷層、向斜部位施工十分困難,個(gè)別斷層處理需要大量時(shí)間。侵入蝕變巖地帶溜塌現(xiàn)象明顯,初支變形大,屬大變形地段,造成了大量的砼超耗。

        5.2 隧道施工功效提升措施

        (1)增設(shè)斜井輔助施工通道

        由于圍巖等級(jí)變化較大,造成實(shí)際進(jìn)度指標(biāo)低于原設(shè)計(jì)指標(biāo)。為了滿足玉磨鐵路工期要求,動(dòng)態(tài)調(diào)整施工組織,通過增設(shè)平導(dǎo)進(jìn)行分水降壓、探明地質(zhì)、增加工作面來解決工期問題,在施工過程中4號(hào)斜井增設(shè)1 780 m平導(dǎo),3號(hào)斜井正洞增設(shè)迂回平導(dǎo)800 m。

        (2)變更鋼拱架支護(hù)方案

        施工時(shí)拱頂?shù)魤K、初支變形時(shí)有發(fā)生,四肢格柵鋼架早期強(qiáng)度低,拱頂?shù)魤K對(duì)格柵鋼架變形影響較大,處理時(shí)間長(zhǎng),格柵鋼架加工工藝較型鋼鋼架復(fù)雜,耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng),經(jīng)實(shí)踐證明Ⅳ級(jí)圍巖段采用 18型鋼鋼架代替四肢格柵鋼架可加快施工進(jìn)度。

        6 結(jié)論

        以安定隧道為工程背景,研究了侵入蝕變巖隧道大變形控制措施及其效果,并分析隧道施工功效降低原因,提出了相應(yīng)解決方案。

        (1)侵入蝕變巖段采用掌子面噴砼、?76鎖腳錨管、加大預(yù)留變形量3種措施對(duì)隧道大變形進(jìn)行了有效控制,避免了大量初支拆換。

        (2)掌子面噴砼封閉可減小拱頂沉降和水平位移,對(duì)洞周水平位移的控制效果更為顯著;鎖腳錨管可降低隧道拱頂沉降與水平位移,且對(duì)拱頂沉降的控制效果更顯著。

        (3)圍巖級(jí)別變化與不良地質(zhì)頻繁出現(xiàn)是導(dǎo)致侵入蝕變巖隧道施工功效降低的主要原因,增設(shè)斜井輔助施工通道和采用型鋼鋼架兩種措施使施工功效顯著提升。

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