周紅祖

(中國水利水電第七工程局有限公司,成都 610213)

高地應力軟弱圍巖隧道大變形控制一直是隧道施工中的一大難題,目前暫無有效的控制措施。根據(jù)相關文獻資料檢索顯示,我國大變形典型隧道有:蘭新二線烏鞘嶺隧道[1]、蘭渝鐵路木寨嶺隧道[2]、宜萬鐵路堡鎮(zhèn)隧道[3]、滇藏鐵路哈巴雪山隧道[4]、廣成山隧道[5]等等。其中滇藏鐵路哈巴雪山隧道長9 523 m,歷時9 a時間方貫通,工期翻倍;蘭渝鐵路中木寨嶺隧道長約19 km,歷時近9 a方貫通。由于地質條件復雜多樣性,高地應力軟弱圍巖隧道大變形帶來突泥涌水、溜塌掉塊、隧道坍塌等諸多災害。本文以某鐵路隧道高地應力軟弱圍巖隧道出現(xiàn)初期大變形為案例,分析總結大變形機理和發(fā)展規(guī)律,找出變形原因,針對性地采取應對措施,盡可能抑制變形量,以達到減少拱架拆換的目的,確保安全高效施工。

1 工程概況

某鐵路隧道全長17.786 km,IV圍巖長度4 360 m,占比24.51 %;Ⅴ級圍巖長度13 016 m,占比73.18 %;Ⅵ級圍巖長度410 m,占比2.31 %。根據(jù)地勘資料顯示,隧址區(qū)地質構造十分強烈,巖性以含炭質板巖為主,巖體強度低,隧道埋深較大,極易發(fā)生大變形,隧道主要穿越含炭質板巖、灰?guī)r、砂礫巖,隧道共穿4條斷層、10條解譯斷層、1條背斜褶皺。隧道設計軟弱圍巖大變形段長11 065 m,占隧道全長的62 %;其中一級大變形長度4 29 5m,占隧道全長的24.17 %;二級大變形長度5 135 m,占隧道全長的28.90 %;三級大變形長度1 295 m,占隧道全長的7.29 %;四級大變形長度340 m,占隧道全長的1.91 %。

該隧道屬構造剝蝕、侵蝕中高山峽谷地貌,隧址區(qū)長段穿越三疊系下統(tǒng)黨恩組,洞身主要穿越三疊系下統(tǒng)黨恩組(T/1 d)含炭質板巖、絹云母板巖;二疊系上統(tǒng)岡達概組三段(P/3g3)中厚層狀灰?guī)r、千枚巖夾板巖;第三系熱魯組(E/2-3r)砂礫巖地層。

2 軟弱圍巖隧道大變形機理、表現(xiàn)特征及發(fā)展規(guī)律

2.1 變形機理

高地應力、低強度、強流變的擠壓性圍巖開挖后表現(xiàn)出顯著的掌子面擠出、先行位移和后方徑向位移的時空演化過程;隨巖體流變粘性時效發(fā)展,變形持續(xù)增大,圍巖逐漸進入粘塑性時效屈服狀態(tài)。

(1)軟弱圍巖的塑流:開挖導致圍巖應力調整,應力調整引起的擴容使巖體中原本閉合的結構面張開滑移,以及圍巖巖體進一步碎裂化,在改變巖體應力狀態(tài)和強度的同時,圍巖中地下水沿張開裂隙滲流和軟化作用導致圍巖塑性流動,使圍巖產(chǎn)生較大的收斂位移[6]。

(2)碎裂結構變形:圍巖層間存在著軟弱夾層,開挖卸載后,由于裂隙發(fā)育不均勻造成局部應力集中,原本在高地應力和自重應力作用下閉合的節(jié)理張開、擴張,部分圍巖切割為碎裂狀,開挖時易坍塌掉塊和順層滑移;但仍有部分較完整圍巖沿層狀彎曲破壞,此時隧道破壞表現(xiàn)為彎曲、順層滑移、坍塌等組合形式[7]。

(3)散體壓密結構:圍巖較為破碎、松散,埋深較大時,受圍巖壓力及高地應力作用,圍巖成壓密狀,由于隧道開挖后應力釋放和重分布,導致原本壓實閉合的結構面張開滑移,以及圍巖巖體進一步碎裂化,圍巖即刻呈松散狀,圍巖的變形破壞表現(xiàn)為松動圈累進性擴展特點。但隨著主應力方向及側壓力系數(shù)的不同,塑性區(qū)可出現(xiàn)在洞周不同的部位,從而引起這些部位圍巖及支護結構破壞,將導致大變形發(fā)生[8]。

2.2 變形初期表現(xiàn)特征及發(fā)展規(guī)律

2.2.1 變形初期表現(xiàn)特征

大變形初期表現(xiàn)特征主要為監(jiān)控量測變形數(shù)據(jù)大、底板隆起、初支開裂、噴混凝土剝落掉塊、鋼拱架扭曲、切斷、鎖腳U型筋切斷等。根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,邊墻單側最大變形量為364 mm,累計變形最大值為511.4 mm,日最大變形速率達82.5 mm/d,以收斂變形為主,拱頂沉降變形相對較小,初期變形分布不均勻不對稱,收斂變形持續(xù)時間長。

2.2.2 初期變形發(fā)展規(guī)律

初支開裂、噴混凝土剝落掉塊及拱架扭曲主要發(fā)生在上下臺階拱架連接板位置處,根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析,上臺階開挖支護后變形量并不大,但變形量持續(xù)小數(shù)量增長,在下臺階開挖后,仰拱初支鋼架閉環(huán)之前,該期間變形速率最大(82.5 mm/d),期間變形量占開挖至穩(wěn)定階段總變形量的70 %～90 %。仰拱初支鋼架成環(huán)后每天仍有3～5 mm的變形量,仰拱填充混凝土澆筑完成后10d左右每天仍有1～2 mm的變形,然后趨于穩(wěn)定(變形速率<1 mm/d),初期變形前后持續(xù)時間超過30d,初期變形發(fā)展規(guī)律見圖1。

圖1 初期變形發(fā)展規(guī)律

3 高地應力軟弱圍巖隧道變形原因分析

3.1 地質原因

為了了解高地應力軟弱圍巖隧道變形原因,對該隧道分段落開展軟弱圍巖大變形試驗,先后對巖石成分、強度等進行測試,具體情況如下。

3.1.1 巖石成分測試分析

該隧道從掌子面處取得新鮮炭質板巖,分為5部分,分別為新鮮炭質板巖和浸泡時間為1、3、5、7 d的炭質板巖。對試樣進行X-射線衍射全巖分析,測試組成炭質板巖的成分和含量及浸泡時間對炭質板巖成分和含量的影響,結果如圖2所示。通過X-射線衍射可以得出,該隧道的炭質板巖主要由黏土礦物和石英組成,伴有少量的鉀長石、斜長石、方解石、白云石、菱鐵礦、硬石膏、鐵白云石和石鹽等礦物,其中黏土礦物的含量占比達到50 %,其對炭質板巖的宏觀性質起到了重要的作用。黏土礦物具有較強的親水性,大部分的黏土礦物具有吸水膨脹性。

新鮮炭質板巖 浸泡時間為1 d 浸泡時間為3 d 浸泡時間為5 d 浸泡時間為7 d

3.1.2 巖石強度測試

該隧道連續(xù)10個月開展點荷載試驗,由于巖性極為軟弱、難成塊,獲得的試樣數(shù)量較少,排除4組受爆破影響的試樣,其他由點荷載獲得的巖石單軸抗壓強度最大值為10.83 MPa,最小值為0.09 MPa,數(shù)據(jù)標準差為2.74,平均強度為4.72 MPa,屬于極軟弱圍巖。

3.1.3 室內三軸巖石蠕變試驗

利用軟弱圍巖真三軸實驗儀器模擬現(xiàn)場地應力環(huán)境,通過探究不同圍巖角度開展隧道圍巖的時效蠕變試驗,探究不同巖層角度導致的圍巖時效變形的各向異性。初步得出結論,該隧道薄層狀板巖在一定范圍內,隨著巖層角度的增大,圍巖變形量會增加且破壞速率更快。

3.1.4 炭質板巖疊加不良地質

發(fā)生大變形地段為炭質板巖或板巖,層狀中-薄層或壓碎巖及斷層影響帶受構造影響明顯,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎或褶皺明顯,自穩(wěn)性差,巖層走向與隧道軸線夾角較小,伴隨地下水。且?guī)r層走向與隧道軸線夾角越小,變形越大。巖層層厚越薄,變形值越大,褶皺越明顯,變形值越大[9]。

3.2 設計原因

(1)拱架支護參數(shù)偏弱。設計圖紙明確的軟弱圍巖變形段支護采用I18和I20b拱架,Ⅴ級圍巖間距0.8 m,不足以抵抗軟弱圍巖大變形。

(2)鎖腳錨管及系統(tǒng)錨桿加固強度不足。鎖腳錨管采用3.5 m長,直徑42 mm的無縫鋼管;系統(tǒng)錨桿采用長度3 m,間排距1.2 m×1.2 m的低預應力錨桿。但該隧道經(jīng)試驗測得松動圈超過5m,錨桿長度不足,對控制圍巖松弛變形不利。

(3)隧道斷面結構不利于受力。隧道斷面結構屬于類橢圓形而非圓形,高跨比較大,初期支護一旦出現(xiàn)內鼓現(xiàn)象,支護抗力急劇減小,變形持續(xù)增大,支護結構難以抵抗地應力[9]。

3.3 施工原因

現(xiàn)場施工擾動及現(xiàn)場施工工藝控制不嚴是產(chǎn)生大變形的直接原因。現(xiàn)場爆破施工、施工超前支護、系統(tǒng)錨桿等鉆孔過程中經(jīng)常出現(xiàn)巖層擾動掉塊,現(xiàn)場支護施工不及時,封閉時間偏長等因素對軟弱圍巖松動圈影響較大,造成變形控制效果差,錯失變形控制時機導致變形擴大。

4 高地應力軟弱圍巖隧道大變形初期主動控制關鍵技術

結合該隧道初期變形的實際情況,現(xiàn)場出現(xiàn)大變形后,基本都采用增加橫撐、斜撐或套拱進行臨時加固,同時增加鎖腳錨管組數(shù)、增加系統(tǒng)錨桿長度及調整錨桿間排距、加大初期支護鋼架型號、調整鋼架間距、淺層注漿等專項措施進行處理,變形基本可以得到控制,但對工程進度、工程安全及工程成本有較大的影響[9]。結合現(xiàn)場的試驗結果、監(jiān)控量測數(shù)據(jù)及上述加強措施,針對該隧道的施工現(xiàn)狀,確定的變形控制總原則為:“快挖快支早封閉,主動控制,初期支護寧強勿弱一次到位,以穩(wěn)為主,減少套拱,杜絕換拱,二襯適時施作,達到安全、經(jīng)濟、高效的變形控制目的”[9]。通過該隧道大變形初期控制工程實踐,大變形初期主動控制技術歸納如下。

4.1 加強預加固措施,減少圍巖擾動

施工過程中盡可能減少引起圍巖變形的不利因素,積極主動采取保護圍巖的施工理念,以控制圍巖大變形[9],具體從以下幾個方面考慮。

(1)遵循先加固后開挖原則,采用超前支護對隧道掌子面圍巖進行主動加固,該隧道設計給的超前支護為隧道頂拱120 °范圍內采用長度9 m,直徑60 mm,縱向間距5.6 m,環(huán)向間距40 cm的中管棚,因對軟弱破碎圍巖超前支護效果不佳,現(xiàn)場實際采用隧道頂拱120 °(部分洞段150 °)范圍內采用長度4m,直徑42 mm,縱向間距2.5m,環(huán)向間距20 cm(部分破碎圍巖按10 cm控制)的小導管代替中管棚,短小導管外插角度較中管棚更易控制,支護效果更好,工效更高且更經(jīng)濟。

(2)嚴格控制軟弱圍巖大變形段落一次性開挖進尺和爆破單響藥量,做到短進尺、快循環(huán)、弱爆破,一方面減少圍巖暴露時間,另一方面減少對圍巖的擾動,對大變形有較好的抑制作用。

(3)針對軟弱圍巖大變形段落盡可能采用銑挖機、旋挖機、鷹鉤機、破碎錘、振動錘、反鏟等非爆破方式開挖,既可以有效控制超挖又可以減小對圍巖的擾動,但該方式工效偏低,需要進一步調研。

4.2 規(guī)范工法,仰拱初支盡早閉環(huán)

針對軟弱圍巖大變形段落,短臺階開挖工法較長臺階更有利于控制大變形。短臺階開挖工法主要有微臺階(兩臺階)及三臺階法,微臺階工法的臺階長度3～5m,三臺階法的臺階長度5～8 m。因臺階長度較短,仰拱初支可控制在20 m范圍內跟進掌子面同步施作,盡快讓上部拱架、中部拱架及底拱拱架形成閉環(huán),與圍巖一起形成拱效應,有效減緩圍巖大變形速率,實現(xiàn)快挖快支早封閉的目的。

4.3 根據(jù)地質特點實時調整支護參數(shù)

通過分析軟弱圍巖大變形段落圍巖巖性、產(chǎn)狀、地下水等,據(jù)實調整圍巖級別,遵循主動控制,寧強勿弱的初期支護原則,實時調整加強支護參數(shù),確保施工安全。因大變形段落,圍巖變化頻繁,且受圍巖級別、巖性、產(chǎn)狀及地下水等因素疊加影響,支護參數(shù)不能根據(jù)單一指標一概而論。該隧道結合監(jiān)控量測數(shù)據(jù),考慮圍巖級別、巖性、產(chǎn)狀等,通過分段試驗確定不同組合下的支護參數(shù),為后續(xù)大變形提供依據(jù)。例如,在一級大變形Ⅴ級圍巖緩傾角段落,設計給的I18@80 cm拱架、兩組3.5m長直徑42 mm的鎖腳錨管、3 m長間排距1.2 m×1.2 m的低預應力系統(tǒng)錨桿等支護參數(shù)足以抵抗圍巖擠壓力;但在一級大變形Ⅴ級圍巖片狀薄層陡傾角,略有滲水段落,全環(huán)采用I22b@60 cm拱架、四組5m長直徑60 mm的鎖腳錨管、5m長間排距1.2 m×0.6 m的低預應力系統(tǒng)錨桿等支護參數(shù),仍無法抑制大變形,現(xiàn)場出現(xiàn)變形量持續(xù)增加,拱架扭曲等大變形典型特征。最終將I22b拱架換成HW175型拱架,其他參數(shù)不變的情況下,該段落變形才得到抑制。

4.4 預留合理變形量,及時加強支護,減少換拱

針對大變形段落,預留變形量非常有必要,但預留多少變形量很難把握,預留多了變形量未達到則增加成本,預留少了變形量超標則要換拱,既影響進度、增加成本又帶來安全隱患。預留變形量可參考的依據(jù)唯有監(jiān)控量測數(shù)據(jù),結合圍巖情況,通過連續(xù)大量監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析,找出變形趨勢進行預判,但在施工過程中,需實時關注監(jiān)控量測數(shù)據(jù),一旦數(shù)據(jù)異常則加強措施進行控制。如:該隧道預留變形量建立預警機制,當預留變形量小于10 cm時及時預警,立即采取錨桿、鎖腳、注漿、套拱等加強措施,確保初支不侵限,不換拱,并及時調整后續(xù)支護措施。

4.5 適時施作二襯是控制軟弱圍巖大變形的關鍵

軟弱圍巖大變形持續(xù)時間長,二襯澆筑不宜過早,過早會造成二襯提前受力,承受過大荷載則易出現(xiàn)二襯開裂;也不宜太晚,太晚會造成圍巖出現(xiàn)二次變形,支護結構變形過大,造成坍塌。很多情況下圍巖的變形速率還達不到小于1 mm/d(單線隧道)的要求,但預留變形量不能滿足變形要求或安全步距(<70 m)不能滿足要求時,如果再持續(xù)變形將會侵限換拱或不澆筑二襯安全步距將會超標逼停掌子面。在以上情況出現(xiàn)時,需及時進行四方現(xiàn)場會勘,采取施工緩沖層等支護措施,提高支護體系抗變形能力,提前施作二襯確保變形穩(wěn)定、安全步距等滿足要求。

上述措施在軟弱圍巖大變形段落得以應用并行之有效,但還需要規(guī)范施工,在有地下水段要及時引排,防止含炭質板巖浸泡軟化,造成承載力下降等,確保每項措施落實到位,這也是保證大變形初期主動控制的重要因素[9]。

5 結語

我們初期對高地應力軟弱圍巖隧道大變形初期主動控制認識不足,但通過大變形原因分析和工程實踐,發(fā)現(xiàn)該隧道大變形不可避免但可采取措施進行控制。該隧道經(jīng)國內多名院士、專家問診把脈后,大多偏向“主動控制”理念,隨著工程進度,隧道埋深增大,變形量持續(xù)積累,隧道變形控制難度越來越大,我們秉承“主動控制”理念,后續(xù)繼續(xù)從調整隧道斷面形式、增設雙層拱架、深層錨索支護、變形段徑向淺層預固結注漿等方面入手,繼續(xù)探究高地應力軟弱圍巖隧道大變形主動控制關鍵技術。