王恩波，昝文博，黎 豪

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

截至“十三五”末，我國基本建成了較完善的高速公路網(wǎng)絡(luò)，但東、西部地區(qū)之間的路網(wǎng)密度差異較大，特別是地質(zhì)條件復(fù)雜的西部山區(qū)高等級公路仍然較少。隨著西部大開發(fā)和“一帶一路”倡議的深入推進(jìn)，因而越來越多的交通線路向西部山區(qū)延伸，諸如千枚巖的大量軟巖隧道頻繁涌現(xiàn)，隧道變形持續(xù)時間長、累計(jì)變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)留變形量是施工中普遍存在的問題[1-3]。縱觀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以看出，許多學(xué)者分別針對隧道穿越千枚巖地層和斷層破碎帶區(qū)段的變形機(jī)理及控制技術(shù)進(jìn)行了研究[4-6]，但有關(guān)千枚巖與斷層破碎帶不良地質(zhì)雙重影響下的隧道變形特征及成因分析還比較少見，有關(guān)此種特殊地質(zhì)區(qū)段的圍巖大變形處治技術(shù)還很不成熟。鑒于此，以安嵐高速公路隧道穿越千枚巖地層多處斷層破碎帶為背景，針對圍巖整體強(qiáng)度極差、裂隙非常發(fā)育、自穩(wěn)性極差，在隧道開挖和支護(hù)過程中頻繁出現(xiàn)坍塌冒頂、初期支護(hù)侵入二次襯砌空間等施工技術(shù)難題，開展系統(tǒng)性的研究工作，深入分析隧道穿越千枚巖斷層帶大變形破壞特征及成因，并提出合理的綜合治理技術(shù)體系，對于復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道施工大變形災(zāi)害的預(yù)防和治理具有深遠(yuǎn)的指導(dǎo)意義和參考價值。

1 工程背景

陜西省安康至嵐皋高速公路是國家高速公路網(wǎng)G69銀百線的重要組成路段，全長91.34 km。自2016年開工建設(shè)以來，隧道群穿越斷層區(qū)段頻繁出現(xiàn)初支變形侵限、支護(hù)體系失效破壞以及掌子面突涌水等嚴(yán)重問題，其中以多處穿越千枚巖斷層帶的蹺溪河隧道災(zāi)害問題最為突出，嚴(yán)重影響本項(xiàng)目的工期與工程質(zhì)量。蹺溪河隧道圍巖以炭質(zhì)千枚巖、絹云母千枚巖為主，斷層極其發(fā)育，受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響，巖體極為破碎，圍巖級別基本為V級。隧道建設(shè)過程中受千枚巖巖體特性、施工工法、支護(hù)參數(shù)等因素的影響，產(chǎn)生了不同程度的大變形問題，并多次發(fā)生因變形量過大而導(dǎo)致初支侵限、鋼拱架扭曲甚至支護(hù)體系坍塌破壞等災(zāi)害現(xiàn)象如圖1所示。

圖1 蹺溪河隧道施工現(xiàn)場典型災(zāi)害事故

2 千枚巖斷層帶隧道大變形特征及成因分析

2.1 千枚巖斷層帶隧道大變形特征

拱頂下沉和水平收斂是綜合反映圍巖穩(wěn)定性最簡便、最經(jīng)濟(jì)且穩(wěn)定可靠的指標(biāo)，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)可以指導(dǎo)現(xiàn)場施工、變更和優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)，同時能夠及時預(yù)報(bào)險情以保證施工安全?，F(xiàn)場選取千枚巖斷層帶典型斷面量測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并繪制拱頂下沉、水平收斂及其速率隨時間的變化曲線如圖2所示。可以看出隧道穿越千枚巖斷層破碎帶時的大變形特征主要表現(xiàn)為。

圖2 千枚巖斷層帶隧道現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

(1)隧道圍巖變形持續(xù)時間長達(dá)6個月，拱頂下沉和水平收斂累計(jì)變形分別達(dá)到700 mm和600 mm以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過150 mm的設(shè)計(jì)預(yù)留變形量，侵占了二次襯砌空間。

(2)圍巖變形速率總體較大，尤其是開挖后1個月內(nèi)平均變形速率大于10 mm/d，最大變形速率超過20 mm/d；為及時控制變形速率，施工單位及時施作仰拱，仰拱施作后變形速率有所減小，但噴射混凝土多處開裂、剝落破壞，邊墻、拱腰處出現(xiàn)縱向裂縫、錯臺。

(3)隧道多處初期支護(hù)鋼拱架扭曲變形嚴(yán)重，大部分發(fā)生傾斜錯動，邊墻位置幾處鋼架連接處發(fā)生較大彎曲變形，法蘭連接部位損壞。

2.2 千枚巖斷層帶隧道大變形成因分析

綜合以上現(xiàn)場地質(zhì)勘察及監(jiān)測結(jié)果表明：隧道穿越千枚巖斷層段初期支護(hù)的變形量和變形速率極高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了普通Ⅴ級圍巖的變形速率和預(yù)留變形量，初期支護(hù)嚴(yán)重侵入了二次襯砌空間。其原因可歸結(jié)為以下幾點(diǎn)。

(1)千枚巖自身性質(zhì)及初始應(yīng)力場對隧道變形的影響。隧道穿越力學(xué)強(qiáng)度低的千枚巖地層，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，加之?dāng)鄬訕?gòu)造作用，該段圍巖單軸抗壓強(qiáng)度明顯低于隧道周邊其他巖體的抗壓強(qiáng)度。

(2)地下水的影響。地下水的賦存和運(yùn)移將導(dǎo)致巖體孔隙率變大、強(qiáng)度降低，洞室開挖后圍巖自穩(wěn)能力降低；同時千枚巖特有的“遇水成泥”特性進(jìn)一步加劇了地下水對圍巖力學(xué)性質(zhì)的劣化作用；斷層破碎段圍巖含水量較大，開挖后均出現(xiàn)滲流水現(xiàn)象。

(3)初期支護(hù)的影響。由于千枚巖斷層帶圍巖松動圈較大，隧道設(shè)計(jì)錨桿長度只有4 m，未能打入穩(wěn)定巖體中，不能起到錨固控制圍巖變形的作用；另外，初期支護(hù)中鋼拱架支撐剛度偏小，不能抵抗巨大圍巖荷載，導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生較大的變形。

(4)新奧法通常要求圍巖變形趨于穩(wěn)定后再施作二次襯砌，但基于上述不利因素的影響變形始終無法趨于穩(wěn)定，現(xiàn)場變形監(jiān)測數(shù)據(jù)也說明了這一點(diǎn)。針對這種情況，應(yīng)該及時施作較強(qiáng)的二次襯砌來抑制隧道變形；但施工中一直等變形趨于穩(wěn)定而錯過了施作二次襯砌的有利時機(jī)，造成圍巖變形增大。

綜合以上分析表明，千枚巖特性、斷層構(gòu)造作用、地下水、初始地應(yīng)力場是該段隧道大變形的內(nèi)在因素，初期支護(hù)剛度不足、二襯施作不及時以及施工工法不完全適應(yīng)圍巖特性則是加劇隧道大變形的外部因素。

3 千枚巖斷層帶隧道大變形處治方案

3.1 主動加固圍巖，提高監(jiān)測頻率

在分析隧道大變形成因的基礎(chǔ)上，提出千枚巖斷層帶隧道大變形處理的基本思路為：(1)立即停止掘進(jìn)、封閉掌子面；(2)加固已變形圍巖防止變形進(jìn)一步擴(kuò)大，以保證施工安全；(3)提高監(jiān)控量測頻率，待變形基本趨于穩(wěn)定后及時更換拱圈初期支護(hù)，并緊跟施作仰拱及二襯。

(1)增加錨桿長度。由于千枚巖斷層帶隧道開挖后松動圈較大，實(shí)際施工中可適當(dāng)加長錨桿，加固塑性區(qū)圍巖控制變形。Φ28自進(jìn)式注漿錨桿長6.0 m，錨桿拉拔力≥200 kN；Φ22水泥藥卷錨桿用HRB335鋼筋，設(shè)計(jì)抗拉力不低于100 kN；注漿需密實(shí)、飽滿，同時錨桿采用專門配套的錨墊板和螺母，墊板與混凝土應(yīng)緊密接觸。

(2)優(yōu)化施工工序。①針對初支縱向裂縫位置及時施作臨時支撐；對于拱頂開裂較大、噴射混凝土表面剝落、掉塊的段落，設(shè)置臨時豎向支撐，確保錨桿施工期間的結(jié)構(gòu)安全和施工安全。②施作Φ22早強(qiáng)水泥藥卷錨桿及Φ28自進(jìn)式注漿錨桿。③在邊墻縱向裂縫處施做4排Φ42×4 mm注漿小導(dǎo)管并保證注漿效果。上述工序完成后，進(jìn)行拱頂沉降、水平收斂變形監(jiān)控量測，并及時反饋相關(guān)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)。現(xiàn)場施工情況見圖3。

圖3 自進(jìn)式中空注漿加長錨桿加固圍巖

3.2 拆換拱架，提高支護(hù)強(qiáng)度

根據(jù)加固完成后的變形監(jiān)控量測數(shù)據(jù)結(jié)果，提出拆換拱的支護(hù)方案。換拱時增加了鋼拱架的剛度，選用了I22b鋼拱架替換原來I20a拱架，并將拱架間距由75 cm調(diào)整為50 cm，增加初期支護(hù)的強(qiáng)度，并噴射C25早強(qiáng)混凝土28 cm；二次襯砌采用50 cm厚C30模筑鋼筋混凝土；仰拱初期支護(hù)也設(shè)置I22b鋼拱架，間距50 cm并與墻部拱架用螺栓連接成整體，并噴射C25早強(qiáng)混凝土28 cm；仰拱二次襯砌采用50 cm厚C30模筑鋼筋混凝土，加強(qiáng)了仰拱支護(hù)。針對上述軟弱千枚巖及其斷層破碎帶隧道在加固圍巖、拆換拱架后變形仍然較大的情況，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。

4 結(jié) 論

(1)千枚巖斷層破碎帶隧道圍巖變形具有變形持續(xù)時間長、累計(jì)變形量值大、變形速率高等特點(diǎn)，隧道施工中大變形、初支開裂、拱架扭曲、變形侵限等災(zāi)害頻發(fā)，應(yīng)引起隧道施工技術(shù)人員高度重視。

(2)千枚巖巖體自身特性、斷層構(gòu)造劇烈作用、地下水、初始地應(yīng)力場等是千枚巖斷層帶隧道大變形的內(nèi)在因素，初期支護(hù)剛度不足、二襯施作不及時以及施工工法不完全適應(yīng)圍巖特性則是加劇隧道大變形的外部因素。

(3)由于千枚巖斷層帶圍巖物理力學(xué)性質(zhì)軟弱、隧道災(zāi)害成因復(fù)雜、防治技術(shù)難度較大，應(yīng)采用動態(tài)設(shè)計(jì)，加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)測并及時根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整設(shè)計(jì)方案，處治方案以“主動加固圍巖+提高支護(hù)體系強(qiáng)度”的綜合處治技術(shù)。