軟弱粉沙性膨脹圍巖開挖支護(hù)方法

戚樂方

（中鐵十局三建公司，安徽 淮南 232000）

1 工程概況

漢邑村隧道2#斜井出口方向D1K18+425～D1K18+900段出現(xiàn)粉沙性圍巖，圍巖開挖后自穩(wěn)性極差，出現(xiàn)大的掉塊和滑塌，且該種圍巖內(nèi)夾膨脹土，遇水有膨脹性，開挖后支護(hù)困難較大。在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中發(fā)現(xiàn)：支護(hù)后，圍巖收斂變形很大，施作仰拱和小邊墻后，變形仍然不能穩(wěn)定，容易形成大面積的初支變形侵限。

2 原因分析

2.1 粉沙膨脹性圍巖

在施工過程中發(fā)現(xiàn)，該種圍巖開挖后極其破碎，自穩(wěn)性極差，拱部易形成大的塌腔。

從現(xiàn)場(chǎng)取出土樣后發(fā)現(xiàn)，裸露在空氣中的土，在風(fēng)和陽光作用下1 h后變成粉沙；另取土樣用水浸濕，體積相對(duì)膨脹1.2倍；送土樣，在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下進(jìn)行檢驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)為：含水量為14.2%，體積膨脹率為4.86%，膨脹力為13.7 kPa，自由膨脹率為45%。由此造成開挖后支護(hù)困難，且在完成初期支護(hù)后，由于膨脹性原因，造成初支在支護(hù)時(shí)形成大面積變形開裂，從而造成初支侵限。

2.2 施工原因

2.2.1 開挖方法

在現(xiàn)場(chǎng)這段圍巖施工過程中，施工采用圖1的兩臺(tái)階開挖方法，上臺(tái)階開挖尺寸為6.8 m×4.5 m，下臺(tái)階開挖尺寸為6.3 m×4.7 m，上下臺(tái)階開挖高度過高，造成臨空面過大，形成應(yīng)力集中釋放，造成圍巖不能自穩(wěn)而掉塊塌方。

圖1 兩臺(tái)階開挖方法示意圖

2.2.2 爆破方法

采用光面爆破，見圖2，但由于在爆破過程中，周邊眼4裝藥過多和不均勻，同時(shí)也沒有采用導(dǎo)爆索起爆，從而造成超挖及對(duì)周邊圍巖的擾動(dòng)，形成應(yīng)力集中區(qū)和周邊圍巖的松動(dòng)，從而造成圍巖塌方，見圖3。

圖2 炮眼布置

圖3 應(yīng)力集中區(qū)

2.2.3 設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)

設(shè)計(jì)采用格柵拱架加固，掛網(wǎng)錨噴支護(hù)，格柵拱架間距1.0 m，其他支護(hù)參數(shù)見表1。

表1 設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)

后經(jīng)設(shè)計(jì)變更，格柵拱架間距調(diào)整為0.8 m，拱腳處加鎖腳小導(dǎo)管注漿加固，全環(huán)共8根。通過現(xiàn)場(chǎng)處理侵限過程發(fā)現(xiàn)，格柵拱架剛度不足，在圍巖膨脹過程中，主筋和加強(qiáng)筋已經(jīng)在應(yīng)力作用下變形，且加強(qiáng)筋與主筋之間脫焊，連接角鋼處與主筋脫焊，連接螺栓受應(yīng)力作用變形甚至被拉斷，造成初支開裂侵限。

2.2.4 施工及管理

在施工過程中，由于施工人員素質(zhì)及質(zhì)量和安全意識(shí)不強(qiáng)，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)馬虎了事，造成格柵拱架間距超標(biāo)，同時(shí)，鎖腳小，導(dǎo)管注漿不到位，連接螺栓不齊，錨固劑不飽滿，拱腳處噴漿前虛土沒有清理干凈，造成拱腳接頭處噴砼厚度不足；同時(shí)，施工用水和巖石地下水沒有及時(shí)排出造成遇水膨脹；加之現(xiàn)場(chǎng)管理人員監(jiān)控不到位，從而造成變形。

3 后續(xù)施工方案的確定

在應(yīng)對(duì)該種圍巖施工中，主要做了以下幾種方法的嘗試：

3.1 上下導(dǎo)坑開挖

1、2部超前開挖，后一循環(huán)1、3部開挖，其中，時(shí)刻保持2、3部支護(hù)錯(cuò)開，1部稱上導(dǎo)，2、3部分別稱左右下導(dǎo)。

開挖后及時(shí)初噴3～5 cm厚噴射砼，及時(shí)施作初期支護(hù)，其支護(hù)參數(shù)見表2。

表2 初期支護(hù)參數(shù)

其中，砂漿錨桿采用準(zhǔn)22螺紋鋼，利用錨桿錨固劑，開挖采用光面爆破開挖。通過現(xiàn)場(chǎng)施工發(fā)現(xiàn)，采用上述方法施工出現(xiàn)以下問題：

（1）1部和2、3部垂直開挖面開挖后不能自穩(wěn)，發(fā)生滑塌，以1部正斷面和拱頂剝塌最為嚴(yán)重，初噴起不了穩(wěn)定圍巖的作用。

（2）錨桿施工時(shí)采用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)成孔，由于是粉沙巖，由巖性所決定，該種圍巖遇水后立刻液化形成泥漿，且風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)以高壓風(fēng)和高壓水為動(dòng)力，遇到該種性質(zhì)的圍巖后，鉆孔過程中，由于高壓風(fēng)和水的作用，使得錨桿孔壁的圍巖遭到嚴(yán)重液化擴(kuò)孔，錨固劑塞入后不能與四周圍巖形成很好的整體?，F(xiàn)場(chǎng)施工發(fā)現(xiàn)，在錨桿按照設(shè)計(jì)施工完畢過后3～4 h，仍能用手拔出錨桿。所以采用此種方法時(shí)，錨桿未能起到它和周圍巖石的連接作用、組合作用和整體作用。

（3）錨噴支護(hù)完成后，由于該種圍巖既有粉沙又有膨脹土存在，在遇水后，粉沙性圍巖液化隨水流失，而膨脹土則發(fā)生膨脹作用，造成支護(hù)后不斷發(fā)生收斂變形，而且支護(hù)與圍巖壁之間由于粉沙圍巖遇水液化流失形成支護(hù)背后的空腔，使得錨噴支護(hù)不能與周圍圍巖密貼。現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)通過鉆芯發(fā)現(xiàn)，有水段容易形成支護(hù)背后空腔。

（4）在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，由于采用上下導(dǎo)坑法進(jìn)行，拱架在開挖下導(dǎo)時(shí)，由于2、3部正垂直面的滑塌而造成上導(dǎo)拱腳的懸空和破壞，這樣，在下導(dǎo)施工時(shí)，上下導(dǎo)不能正常連接；同時(shí)采用螺栓連接，接頭的存在本身就已經(jīng)破壞了格柵鋼架的整體受力性；再則，上下導(dǎo)接頭處通常開挖不到位，造成接頭處噴砼厚度不足，上下導(dǎo)的網(wǎng)片不能連接形成整體；另外，噴砼前鋼架內(nèi)的虛渣未能清除，這些都是造成后期初支變形的隱患。

針對(duì)以上現(xiàn)場(chǎng)施工中所出現(xiàn)的問題，在通過一系列的分析和試驗(yàn)過后，針對(duì)該種圍巖現(xiàn)場(chǎng)采用以下施工方案，并取得良好的施工效果。

3.2 上下導(dǎo)坑、預(yù)留核心土法

3.2.1 預(yù)留核心土

1部采用短進(jìn)尺且預(yù)留核心土防止掌子面正面剝塌；拱部采用超前小導(dǎo)管注漿進(jìn)行超前支護(hù)，見圖4，防止拱部出現(xiàn)滑塌；2部采用短進(jìn)尺，早封閉；3部馬口加寬留置。

3.2.2 鎖腳注漿小導(dǎo)管

鎖腳錨桿采用鎖腳小導(dǎo)管注漿對(duì)鎖，系統(tǒng)錨桿拱墻部采用系統(tǒng)導(dǎo)管注漿加固，漿液擴(kuò)散到四周圍巖和錨桿孔中，凝固后，導(dǎo)管與周圍圍巖形成良好的整體，起到了很好的連接、組合和整體作用。同時(shí)，由于漿液擴(kuò)散到圍巖中，加固了周圍的圍巖，改變了塑性區(qū)。

圖4 1部預(yù)留核心土示意圖

3.2.3 大拱腳

在上下導(dǎo)接頭處人為形成超挖20 cm，不僅保證了接頭處噴砼厚度，同時(shí)還加強(qiáng)了接頭處初支的強(qiáng)度和鋼度。見圖5，同時(shí)用風(fēng)鎬人工修出上導(dǎo)拱腳，使上導(dǎo)拱腳不被機(jī)械破壞，保證接頭螺栓全部能上齊，使下導(dǎo)網(wǎng)片能與上導(dǎo)網(wǎng)片連成整體。噴砼前清除鋼架內(nèi)虛渣，保證噴砼的密實(shí)。

圖5 大拱腳

以上采取的方案在現(xiàn)場(chǎng)施工中對(duì)這種圍巖起到了很好的效果，但在后期施作D1K18+640～D1K18+720段時(shí)發(fā)現(xiàn)：在利用兩臺(tái)階預(yù)留核心土方法開挖過程中，由于上導(dǎo)開挖高度4.5 m，造成臨空面過大，應(yīng)力集中釋放，上導(dǎo)正掌子面和拱頂滑塌比較嚴(yán)重，后嘗試三臺(tái)階開挖支護(hù)方法。

3.3 三臺(tái)階開挖方法

3.3.1 開挖方法

針對(duì)上述開挖方法存在的問題，采用三臺(tái)階開挖方法，見圖6。

圖6 三臺(tái)階開挖示意圖

1部、2部、4部一循環(huán)開挖，下一循環(huán)1部、3部、5部開挖，1部開挖高度2.7 m，中導(dǎo)開挖高度2.9 m，下導(dǎo)開挖高度3.4 m，這樣就大大縮小了各臺(tái)階的開挖高度，即縮小了臨空面，減小了應(yīng)力釋放區(qū)，減小滑塌。

3.3.2 支護(hù)措施

拱腳處采用鎖腳小導(dǎo)管對(duì)鎖注漿加固，見圖7。

拱架采用18工字鋼加固，徑向采用注漿小導(dǎo)管加固。同樣，拱腳采用大拱腳實(shí)噴，起到了很好的加固作用，見圖7。

3.3.3 管理措施

圖7 鎖腳注漿小導(dǎo)管加固示意圖

在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，吸取以往教訓(xùn)，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工過程的監(jiān)控力度，支護(hù)過程中，上、中、下導(dǎo)連接處連接螺栓必須上全，同時(shí)清除上、中、下臺(tái)階拱腳處虛渣，保證接頭處噴砼厚度，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)小導(dǎo)管注漿的監(jiān)控，保證注漿的飽滿。

通過以上措施，施工中有效地阻止了此段粉沙性膨脹性巖層地段初期支護(hù)的變形，同時(shí)，既保證了仰拱和二襯的及時(shí)緊跟，又保證了最終的安全。

4 結(jié)束語

在遇到粉沙膨脹性圍巖時(shí)，在施工過程中主要注意以下幾點(diǎn)：①“短進(jìn)尺，弱爆破，強(qiáng)支護(hù)”；②及時(shí)地施作仰拱、二襯；③膨脹土在遇水的情況下才會(huì)膨脹，所以加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)排水工作是關(guān)鍵；④人是施工的主體，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工人員和管理人員的質(zhì)量意識(shí)、安全意識(shí)才是根本。