郝尚斌

(中鐵十一局集團(tuán)第一工程有限公司,湖北 襄陽 441104)

0 引言

鄂西北地質(zhì)條件復(fù)雜,隧道施工過程中選擇合適的支護(hù)方式控制隧道變形破壞是施工難點(diǎn),尤其是隧道片巖、斷裂破碎帶等地段受巖層變化、開挖、超前支護(hù)、初期支護(hù)等影響易導(dǎo)致隧道發(fā)生大變形、塌方等嚴(yán)重病害[1-2]。

某隧道地處富水弱膠結(jié)地層,施工中受突涌水出現(xiàn)土體流動(dòng),導(dǎo)致初期支護(hù)懸空,產(chǎn)生大變形。王懷正等提出隧道底部雙導(dǎo)洞超前法,采用分部開挖、加強(qiáng)排水、回填注漿等措施,通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)隧道變形控制[3]。王超等提出圍巖壓力與鋼架內(nèi)力存在先增后回彈、最后趨于平緩的規(guī)律[4]。張圣強(qiáng)等提出改變隧道曲面形式及隧道開挖方式、增強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度等措施,降低紅層隧道軟巖大變形[5-6]。高付才提出三臺(tái)階微臺(tái)階開挖、型鋼與預(yù)應(yīng)力錨桿聯(lián)合支護(hù)、控制隧道大變形的措施[7]。張金龍等提出隧道變形呈非對(duì)稱性,右邊墻至拱頂范圍內(nèi)變形較大,右拱肩值最大[8]。李志軍等提出隧道大變形機(jī)制為巖體在地應(yīng)力影響下的力學(xué)響應(yīng)機(jī)制,將大變形分為擠壓、膨脹、松散三種類型[9-12]。

以某高鐵隧道(以下簡(jiǎn)稱A隧道)工程為例,結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng),研究破碎片巖段大變形控制技術(shù),對(duì)初支結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè),總結(jié)出適合片巖破碎段隧道施工的支護(hù)方法,為類似工程施工提供技術(shù)參考。

1 工程概況

該隧道全長(zhǎng)6495.7 m,共設(shè)進(jìn)口、橫洞、出口斜井三個(gè)工區(qū),分4個(gè)掌子面進(jìn)行施工,其中隧道橫洞位于某村南側(cè),長(zhǎng)334 m,與正洞85°相交,橫洞工區(qū)負(fù)擔(dān)任務(wù)與大里程段共計(jì)3016 m。全隧設(shè)計(jì)Ⅲ級(jí)圍巖670 m、Ⅳ級(jí)圍巖4460 m、V級(jí)圍巖1365.7 m。其中,Ⅲ級(jí)圍巖占比10.3%、Ⅳ級(jí)圍巖占比為68.7%、V級(jí)圍巖占比21%。

1.1 地質(zhì)特點(diǎn)

A隧道施工中揭露圍巖隧道洞身通過的地層主要為中元古界武當(dāng)山群第一至第三巖組片巖、變粒巖,構(gòu)造巖類主要為壓碎巖、片巖,淺灰色為主,主要成分以石英、長(zhǎng)石、云母、綠泥石為主,呈斑狀變晶結(jié)構(gòu)、片狀構(gòu)造、薄層狀。

隧道范圍內(nèi)主要發(fā)育褶皺構(gòu)造與節(jié)理構(gòu)造。線路穿越一個(gè)次級(jí)背斜,受褶皺構(gòu)造及斷裂構(gòu)造影響,區(qū)內(nèi)巖層產(chǎn)狀多變,巖體一般三組節(jié)理、裂隙發(fā)育,并在洞身發(fā)育有節(jié)理密集帶。

1.2 水文情況

地表水特征。隧道通過水系區(qū)域?qū)贊h江水系,洞頂經(jīng)過各溝谷經(jīng)實(shí)地調(diào)查無常年流水,僅有季節(jié)性流水,經(jīng)過區(qū)域內(nèi)溝谷發(fā)育,地表植被覆蓋好。

地下水特征。根據(jù)地層巖性的組合特征及含水介質(zhì)特征,地下水類型主要為松散巖類孔隙水、基巖裂原水。松散巖類孔隙水主要賦存于第四系松散層中,分布于溝谷沖、洪積層及殘坡積層中。基巖裂隙水含水巖組主要為中元古界武當(dāng)山群第一至第三巖組片巖夾變粒巖。松撒巖類孔隙水與基巖裂隙水主要接受大氣降水補(bǔ)給,動(dòng)態(tài)隨季節(jié)變化明顯。

1.3 施工難點(diǎn)

該隧道施工存在以下施工難點(diǎn):圍巖抗壓強(qiáng)度低,開挖后自穩(wěn)性差。圍巖遇空氣風(fēng)化快,遇水后軟化。原有的隧道支護(hù)參數(shù)不能保證隧道初支穩(wěn)定,出現(xiàn)支護(hù)變形。隧道現(xiàn)場(chǎng)大變形如圖1、圖2、圖3、圖4。

圖1 核心土崩裂Fig.1 Core soil collapse

圖2 邊墻處初支開裂Fig.2 Initial support of the cracked side wall

圖3 掌子面溜塌Fig.3 Palm has fallen

圖4 拱頂初支剝落Fig.4 The first branch of the vault has fallen off

2 片巖破碎段隧道施工方法

2.1 原施工參數(shù)

A隧道Ⅳa原施工采取25 cm厚C25噴射混凝土,1.2 m間距格柵鋼架,3.5 m長(zhǎng)φ22 mm砂漿錨桿,預(yù)留沉降量10 cm,具體參數(shù)見表1。

表1 隧道片巖破碎段原支護(hù)參數(shù)Tab.1 Original supporting parameters of fractured schist section of tunnel

現(xiàn)場(chǎng)施工出現(xiàn)以下問題:上臺(tái)階初期支護(hù)完成后,收斂變形大于5 cm/d;初支混凝土開裂、掉塊;鎖腳錨管下沉變形,無法承受初支背部圍巖壓力;掌子面圍巖揭露后,拱頂與邊墻發(fā)生圍巖溜塌,破碎體圍巖自穩(wěn)性差。

現(xiàn)場(chǎng)施工調(diào)整預(yù)留沉降量至50 cm,但破碎片巖段仍然存在初支侵限,導(dǎo)致初支換拱,隧道貫通節(jié)點(diǎn)時(shí)間滯后。

2.2 調(diào)整施工參數(shù)與方法

對(duì)于隧道破碎片巖段存在的開挖及支護(hù)問題,調(diào)整開挖工法,增強(qiáng)隧道支護(hù)參數(shù)。隧道由臺(tái)階法開挖工法調(diào)整為三臺(tái)階預(yù)留核心土開挖法,增強(qiáng)掌子面穩(wěn)定性。初期支護(hù)由格柵鋼架調(diào)整為I22a鋼拱架,間距由1.2 m/榀調(diào)整為0.6 m/榀。根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果預(yù)留沉降量擴(kuò)大至50 cm,C25噴射混凝土厚度由25 cm調(diào)整為28 cm,45 cm厚二襯C30鋼筋混凝土調(diào)整為60 cm。初支φ22 mm砂漿錨桿長(zhǎng)度由3.5 m調(diào)整為4 m;鎖腳錨管采用雙排φ42 mm注漿小導(dǎo)管,重筑組合拱增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。鋼拱架之間采用I16焊接,增加鋼架整體穩(wěn)定性。超前小導(dǎo)管環(huán)向間距40 cm,每循環(huán)施作46根,單根長(zhǎng)度4.5 m,縱向間距3 m(6榀拱架),搭接1.5 m。

A隧道破碎片巖段支護(hù)困難,采用地質(zhì)雷達(dá)與TSP等超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法預(yù)判掌子面前方圍巖狀況,選擇適宜的施工參數(shù)與施工方法。破碎片巖無水段注漿采用水泥凈漿方式進(jìn)行超前支護(hù)、縮腳錨桿加固,富水段改用水泥漿+水玻璃雙液漿加固。

2.3 超前支護(hù)與注漿措施

根據(jù)破碎片巖松散體分布及圍巖富水情況,采用懸挑式超前小導(dǎo)管技術(shù)、富水段水泥漿+水玻璃雙液漿技術(shù)穩(wěn)定開挖面。

懸挑式超前小導(dǎo)管。現(xiàn)場(chǎng)超前小導(dǎo)管施工中,在掌子面端頭鋼拱架腹板開設(shè)超前小導(dǎo)管孔,將超前小導(dǎo)管穿過腹板,超前前端搭接于圍巖內(nèi)。受片巖破碎體荷載作用,掌子面開挖后出現(xiàn)溜塌,鋼拱架變形,超前支護(hù)失效。為防止下一榀拱架開挖時(shí)頂部松散堆積體溜塌,在第一榀鋼架后方第二榀位置施作懸挑式超前小導(dǎo)管,更改超前小導(dǎo)管簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)為懸臂結(jié)構(gòu),提升鋼拱架結(jié)構(gòu)完整性、穩(wěn)定性。懸挑式φ42 mm超前小導(dǎo)管環(huán)向間距15 cm,長(zhǎng)度4.5 m。

超前注漿固結(jié)。懸挑式超前小導(dǎo)管鉆安完成后,利用超前小導(dǎo)管進(jìn)行注漿加固片巖破碎體,富水段采用注水泥漿+水玻璃雙液漿,將超前小導(dǎo)管錨固于破碎圍巖體內(nèi),超前小導(dǎo)管周圍破碎巖體黏結(jié)一體,初步形成支撐拱結(jié)構(gòu),避免了掌子面開挖后圍巖坍塌。其中,水泥漿配合比為水泥∶水=1∶0.8,水玻璃∶水=1∶2,水泥漿與水玻璃體積比為水泥漿(0.8)∶水玻璃=1∶0.5(體積比),注漿壓力為0.5～1 MPa。根據(jù)掌子面涌水狀況動(dòng)態(tài)調(diào)整水泥漿水灰比,涌水量較大地段水泥漿水灰比為0.5,涌水量較小地段水泥漿水灰比為0.8,富水段雙液漿凝固時(shí)間控制在42 s。

2.4 隧道開挖與支護(hù)措施

隧道破碎片巖段原開挖方式為臺(tái)階法開挖,改進(jìn)后采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法,上臺(tái)階高度3 m,中下臺(tái)階高度2.5 m,其中中下臺(tái)階根據(jù)破碎體溜塌情況動(dòng)態(tài)調(diào)整每次開挖臺(tái)階高度。上臺(tái)階核心土占上臺(tái)階掌子面面積50%,核心土為上臺(tái)階拱架安裝提供平臺(tái),核心土的留存保證了掌子面穩(wěn)定。

開挖方法。采用鉆爆方法,爆破振動(dòng)擾動(dòng)掌子面圍巖穩(wěn)定,增加了掌子面圍巖溜塌風(fēng)險(xiǎn),采用機(jī)械方式開挖,利用破碎錘與挖機(jī)相配合的方式進(jìn)行機(jī)械開挖,較好地控制了圍巖超挖量,保證了掌子面穩(wěn)定。

鋼拱架長(zhǎng)度動(dòng)態(tài)調(diào)整。中下臺(tái)階開挖時(shí),受初支背部松散破碎體的影響,中下臺(tái)階無法按照設(shè)計(jì)臺(tái)階高度成型,根據(jù)實(shí)際開挖臺(tái)階高度動(dòng)態(tài)調(diào)整初支鋼拱架長(zhǎng)度,至鋼拱架落底。

排水固結(jié)大鎖腳補(bǔ)強(qiáng)。富水段初支鋼架采用φ42 mm鎖腳錨桿注水泥+水玻璃雙液漿加固。在中臺(tái)階與下臺(tái)階拱架連接處增設(shè)長(zhǎng)度6 m、φ89 mm熱軋無縫鋼管作為加強(qiáng)大鎖腳。加強(qiáng)鎖腳搭設(shè)完成后作為初支背部排水通道,待涌水量降低后,后期對(duì)鎖腳注漿加固,增加鎖腳強(qiáng)度。

注漿小導(dǎo)管重筑組合拱。原有砂漿錨桿鉆孔在松散體內(nèi)無法成孔,砂漿錨桿在松散體內(nèi)無法形成錨固支撐結(jié)構(gòu)。故破碎片巖段原有φ22 mm砂漿錨桿調(diào)整為φ42 mm注漿小導(dǎo)管,注漿小導(dǎo)管長(zhǎng)度3.5 m,環(huán)向×縱向間距為0.8 m×1.0 m。富水段注水泥+水玻璃雙液漿,雙液漿參數(shù)與富水段超前注漿相同,無水段改用1∶1水泥凈漿固結(jié)加固。環(huán)向注漿小導(dǎo)管注漿后將初支背部松散體固結(jié)呈環(huán)形拱狀結(jié)構(gòu),注漿小導(dǎo)管錨固于固結(jié)體內(nèi),形成組合拱結(jié)構(gòu),降低初支結(jié)構(gòu)受力,避免初支變形、破壞。

3 初期支護(hù)監(jiān)測(cè)

隧道破碎片巖段初支鋼架安裝后緊貼圍巖面安裝土壓力盒。噴射混凝土完成后布設(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn),對(duì)破碎段進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.1 沉降變形監(jiān)測(cè)分析

在隧道拱頂、上下臺(tái)階位置對(duì)稱布置沉降觀測(cè)標(biāo),定期采集數(shù)據(jù)。繪制沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)變化曲線,見圖5。

圖5 監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)Fig.5 Monitoring measurement data

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)曲線分析,拱頂沉降數(shù)據(jù)在第9 d趨于穩(wěn)定,累計(jì)沉降變形數(shù)值約130 mm,中下臺(tái)階監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移在第10 d收斂,最終趨于穩(wěn)定。初支結(jié)構(gòu)采用調(diào)整后的施工參數(shù)與施工方法保證了穩(wěn)定性,為襯砌封閉成環(huán)施工提供了安全保障。

3.2 初支受力監(jiān)測(cè)分析

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)位的布設(shè)位置,在鋼支撐背部圍巖面上布置土壓力盒,在上中臺(tái)階縮腳位置各布置1處,拱頂布置1處,記錄初始?jí)毫袛?shù)值,初支混凝土噴射完成后定期測(cè)量土壓力盒數(shù)據(jù)。土壓力布置點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)安裝見圖6。

圖6 土壓力盒點(diǎn)位布置(左)與設(shè)備安裝(右)Fig.6 Earth pressure box location (left) and equipment installation (right)

根據(jù)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果繪制不同位置土壓力盒數(shù)據(jù)變化曲線,見圖7。

圖7 不同位置土壓力盒點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線Fig.7 Monitoring data curves of earth pressure box points at different locations

根據(jù)土壓力盒監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線變化規(guī)律可知,拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力最大,最后穩(wěn)定時(shí)達(dá)到293 kPa,上臺(tái)階左右側(cè)拱腳壓力值最大190 kPa,而中臺(tái)階左側(cè)拱腳壓力值最大為89 kPa。土壓力盒監(jiān)測(cè)應(yīng)力在第10 d后變化率降低,表明支護(hù)結(jié)構(gòu)背部圍巖變形趨于穩(wěn)定。

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

通過分析應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知,中臺(tái)階壓力小于上臺(tái)階壓力,上臺(tái)階施工中徑向注漿形成了組合拱,加上補(bǔ)強(qiáng)縮腳錨固作用,在中臺(tái)階開挖過程中,上臺(tái)階已形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu),故壓力數(shù)值較小。壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化與沉降變形觀測(cè)數(shù)據(jù)變化規(guī)律相符,表明調(diào)整后支護(hù)結(jié)構(gòu)能有效控制破碎片巖段大變形。

4 結(jié)論

在隧道軟弱破碎段,圍巖自穩(wěn)性差,改變超前小導(dǎo)管受力狀態(tài),進(jìn)行注漿加固破碎體,是保證掌子面安全開挖的有效措施。改進(jìn)注漿小導(dǎo)管在松散破碎體中的受力狀態(tài),富水段采用水泥漿+水玻璃雙液漿固結(jié),形成組合拱結(jié)構(gòu),改善隧道拱部應(yīng)力分布狀態(tài),可降低隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形量。動(dòng)態(tài)控制破碎段臺(tái)階開挖高度,增設(shè)補(bǔ)強(qiáng)大鎖腳,兼顧初支背部排水泄壓,大鎖腳注漿固結(jié),進(jìn)一步提升了上臺(tái)階初支結(jié)構(gòu)及組合拱的穩(wěn)定性,有效降低了隧道工程沉降變形。