高地應(yīng)力軟巖隧道變形特征與控制技術(shù)研究

張緒和

(中鐵十二局集團(tuán)有限公司，山西太原 030024)

0 引言

云南地區(qū)位于歐亞板塊和印度洋板塊相互碰撞匯聚形成的青藏高原，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，以活動(dòng)斷裂規(guī)模大，分布密集，地震活動(dòng)頻繁，震級(jí)大，地震破裂帶長，位錯(cuò)量大為主要特征。受復(fù)雜的大地構(gòu)造背景的影響，該地區(qū)隧道處于高地應(yīng)力區(qū)，施工風(fēng)險(xiǎn)高、難度大，隧道施工過程中常出現(xiàn)較大變形和塌方等工程事故，嚴(yán)重制約隧道的施工安全和進(jìn)度。位于該區(qū)域范圍內(nèi)的成昆線擴(kuò)能改造工程廣通—昆明段老東山隧道，施工過程中出現(xiàn)了嚴(yán)重的圍巖大變形，洞身左右側(cè)圍巖變形呈不對(duì)稱分布，初期支護(hù)噴射混凝土開裂、脫落，型鋼屈服。

本文針對(duì)廣昆線老東山隧道構(gòu)造擠壓帶段的圍巖大變形問題，通過對(duì)隧道初期支護(hù)變形特征和原因進(jìn)行系統(tǒng)分析，確定了控制圍巖變形的控制原則和具體控制措施。

1 隧道變形破壞特征與機(jī)理分析

1.1 水的影響大

初期支護(hù)變形開裂均受滲水或股水的影響，軟巖遇水泥化，無自穩(wěn)能力，并向開挖輪廓外延伸，作用于初支的壓力增大，初支總是從小變形開始，然后累積到一定的程度，在一處或者幾處關(guān)鍵部位首先產(chǎn)生破壞，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)失穩(wěn)。

1.2 變形大、距離長、比例高

圍巖下沉量大于收斂量，平均下沉量大于20 cm，最大下沉量可達(dá)45 cm，平均收斂量大于15 cm，最大收斂量可達(dá)40 cm;單次初期支護(hù)變形開裂最小距離均在15 m以上，變形開裂段落占施工段落比例超過35%，嚴(yán)重影響了施工安全和進(jìn)度。

1.3 變形速度快

初期支護(hù)后下沉速率一般可達(dá)到30 mm/d、收斂速率一般可達(dá)到25 mm/d，特殊地質(zhì)段下沉速率最大可達(dá)到70mm/d、收斂速率一般可達(dá)到48 mm/d，而且其變形速度降低緩慢。

1.4 突變幾率高

由于隧道沉降收斂速度高，在短時(shí)間內(nèi)，圍巖強(qiáng)度降低，地壓隨時(shí)間增長，圍巖變形破壞發(fā)展迅速，圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用，導(dǎo)致薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生的突變幾率高。

1.5 破壞大

圍巖變形的破壞力大，突變易造成初期支護(hù)鋼架發(fā)生折曲，甚至折斷，變形開裂主要出現(xiàn)在線路右拱腰處，呈縱向開裂，隨時(shí)間推移出現(xiàn)環(huán)向開裂并不斷加劇。目前2號(hào)斜井正洞掌子面由于強(qiáng)大的圍巖應(yīng)力，累計(jì)擠出位移4 m多，50 cm厚鋼筋混凝土封堵墻被完全破壞。

2 變形控制措施研究

2.1 變形控制原則

隧道開挖支護(hù)的全過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)應(yīng)力重分布從而達(dá)到一個(gè)新的應(yīng)力平衡的過程，在這個(gè)過程中，初始原巖應(yīng)力一部分由未開挖的巖體承擔(dān)，另一部分由支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)。在新奧法理論中，強(qiáng)調(diào)采用柔性支護(hù)，以使圍巖分擔(dān)較大的荷載，從而減小作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載，但其前提條件是圍巖本身能夠承受足夠大的圍巖壓力，否則就有可能導(dǎo)致圍巖塑性區(qū)不斷擴(kuò)大而最終失穩(wěn)破壞。對(duì)于處于高地應(yīng)力條件下的軟巖隧道而言，一方面由于處于高地應(yīng)力區(qū)，其初始原巖應(yīng)力很大，另一方面巖體本身承載力極低，所能夠分擔(dān)的應(yīng)力很小，單純采用傳統(tǒng)的“以放為主，先放后抗”的圍巖變形控制原則，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致圍巖極快的達(dá)到其屈服強(qiáng)度而失穩(wěn)破壞。

因此，對(duì)于高地應(yīng)力軟巖隧道，必須改變傳統(tǒng)的“以放為主”的變形控制原則，采用“抗放結(jié)合，加強(qiáng)初支”變形控制原則，從提高圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力等多方面進(jìn)行控制，施工過程中采取“寧強(qiáng)勿弱，寧補(bǔ)勿拆、巖變我變、及時(shí)封閉”的支護(hù)理念，通過提高初期支護(hù)的強(qiáng)度和剛度來控制隧道圍巖產(chǎn)生過大變形，同時(shí)通過預(yù)加固提高圍巖的承載力，并根據(jù)圍巖的變化特征及時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，以達(dá)到對(duì)圍巖變形的有效控制。

2.2 變形控制措施

在總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過多次研究，以通過圍巖量測(cè)和地應(yīng)力測(cè)試為支撐，采用“剛性支護(hù)”作為控制變形的理念，堅(jiān)持“快挖、快支、快閉合”的基本原則，并且配合多項(xiàng)針對(duì)性的輔助措施，對(duì)施工過程實(shí)施“動(dòng)態(tài)管理”，實(shí)現(xiàn)變形開裂的長期有效可控。具體按“掌子面先行位移、掌子面擠出位移、掌子面后方位移、各臺(tái)階拱腳下沉和地下水對(duì)初期支護(hù)影響”等五個(gè)方面來進(jìn)行控制。

2.2.1 掌子面先行位移控制

通過加密超前小導(dǎo)管縱、環(huán)向間距的方式控制掌子面先行位移，確保其位移值控制在總位移值的30%以內(nèi)。小導(dǎo)管的長度和縱向間距由型鋼鋼架縱向間距確定，一般地段采用長度為3 m～3.5 m，1.2m ～1.8m 一環(huán)，環(huán)向間距30 cm ～40 cm;地質(zhì)較差段落每循環(huán)施作超前小導(dǎo)管，小導(dǎo)管長度為3 m，1.2 m一環(huán);地質(zhì)差異較大時(shí)，加密地質(zhì)較差側(cè)的小導(dǎo)管環(huán)向間距，間距控制在25 cm～30 cm，此法的實(shí)施有效控制了掌子面的先行位移(見圖1)。

2.2.2 掌子面擠出位移控制

通過采用環(huán)向開挖預(yù)留核心土的方式控制掌子面擠出位移，確保其位移值控制在70 mm～100 mm。當(dāng)位移值超出70 mm時(shí)，通過對(duì)掌子面實(shí)施鋼管支護(hù)和噴射混凝土封閉等方式控制擠出位移，具體采用 φ42注漿鋼花管，2.5 m/根，間距 100 cm ×100 cm，梅花形布置，兩循環(huán)打設(shè)一次，噴射10 cm厚C25混凝土封閉掌子面(見圖2)。

圖1 超前小導(dǎo)管控制先行位移

圖2 注漿鋼花管控制擠出位移

2.2.3 控制掌子面后方位移

通過采用大剛度鋼支撐、增加預(yù)留沉落量、非爆開挖、提高噴射混凝土強(qiáng)度等方式控制掌子面后方位移，確保其位移速度控制在20 mm/d。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)踐，堅(jiān)持按“快挖、快支、快閉合”的施工原則組織施工，盡可能縮短工序作業(yè)時(shí)間、減小作業(yè)循環(huán)總時(shí)間。

1)雙層鋼架支護(hù)法。

為有效控制初支變形開裂，經(jīng)多次實(shí)踐和綜合比選，施工過程中，在地質(zhì)差異大、擠壓扭曲嚴(yán)重、受地下水影響較大的地段采用了“雙層鋼架支護(hù)法”對(duì)初期支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)(見圖3)。

“雙層鋼架支護(hù)法”是初期支護(hù)采用Ⅰ22b雙層型鋼鋼架，即在80 cm開挖范圍內(nèi)設(shè)置兩榀弧長不同的型鋼鋼架，使初期支護(hù)形成內(nèi)外兩層，既減小了鋼架的間距又增加了噴射混凝土的厚度。該方法由于工程量較大、工序復(fù)雜，僅在老東山隧道2號(hào)斜井正洞圍巖地質(zhì)極為復(fù)雜、擠壓扭曲嚴(yán)重、富水地段使用，對(duì)變形的控制效果非常明顯。

2)大拱腳臺(tái)階法。

“大拱腳臺(tái)階法”是施工過程中通過分別在上、中臺(tái)階拱腳處設(shè)置擴(kuò)大基礎(chǔ)的方式加強(qiáng)初期支護(hù)剛度，有效控制初支沉降，同時(shí)根據(jù)實(shí)際揭示地質(zhì)情況適時(shí)增設(shè)“臨時(shí)仰拱”的一種施工方法。一般地段采用Ⅰ22型鋼鋼架，地質(zhì)較差地段采用H175或Ⅰ22b型鋼鋼架，間距60 cm;將設(shè)計(jì)的單層連接筋調(diào)整為雙層連接筋同時(shí)增大鋼筋直徑和加強(qiáng)鎖腳。在老東山隧道進(jìn)口試驗(yàn)段施工中，對(duì)于地下水影響較小的復(fù)雜地質(zhì)地段抑制圍巖及初支變形效果明顯(見圖4)。

圖3 雙層型鋼鋼架支護(hù)

圖4 大拱腳臺(tái)階法斜撐設(shè)計(jì)圖

3)液壓式松土器配合欠挖式爆破開挖技術(shù)。

通過“欠挖式爆破”配合松土器開挖的方式逐步替代全爆破開挖法，減少了超挖，降低了爆破對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的擾動(dòng);將噴射混凝土強(qiáng)度提高到C30，進(jìn)一步增加了噴射混凝土的強(qiáng)度。通過上述施工工藝和支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化，有效地控制了掌子面后方位移，效果較為明顯。目前14 d內(nèi)支護(hù)閉合成環(huán)，掌子面與仰拱、二襯距離分別控制在30 m和60 m內(nèi)(見圖5)。

2.2.4 各臺(tái)階拱腳下沉控制

通過調(diào)整鋼架連接板厚度、設(shè)置大拱腳、大鎖腳錨管、在拱腳處設(shè)置縱向連接系統(tǒng)等方式控制各臺(tái)階拱腳下沉，確保其下沉值小于拱頂下沉值。鋼架連接板厚度由14 mm調(diào)整為20 cm～25 cm，增加連接剛度強(qiáng)度;上、中臺(tái)階鋼架增設(shè)大拱腳，分散上部荷載;設(shè)置φ76鎖腳錨管，加大鎖腳的承載力;在鋼架拱腳設(shè)置Ⅰ14連接型鋼，加強(qiáng)了鋼架間的縱向連接。通過以上措施的綜合作用，增強(qiáng)了初期支護(hù)的整體抵抗作用，有效的控制了各臺(tái)階拱腳的下沉(見圖6)。

圖5 松土器配合開挖

圖6 實(shí)施大管棚鎖腳和縱向托梁加強(qiáng)支護(hù)

2.2.5 對(duì)地下水影響的控制

施工實(shí)踐證明，軟弱圍巖的強(qiáng)度受地下水的影響十分敏感，圍巖遇水后會(huì)發(fā)生顯著的軟化和泥化，主要表現(xiàn)在突發(fā)性和后發(fā)性兩個(gè)方面。根據(jù)專家意見，現(xiàn)場(chǎng)采取了預(yù)防為主的方式進(jìn)行處理，對(duì)于突發(fā)性水的影響，主要采取定期進(jìn)行水平鉆孔放水引流的方式處理;對(duì)于后發(fā)性水的影響，主要采取初期支護(hù)預(yù)埋鋼花管排水的方式處理;對(duì)地下水豐富的段落，中、下臺(tái)階采取分次落底的方式，有效降低了地下水對(duì)施工和支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。

3 變形控制效果分析

針對(duì)老東山典型高地應(yīng)力軟巖隧道，采用以上綜合動(dòng)態(tài)控制技術(shù)，對(duì)老東山隧道大變形段從掌子面先行位移、掌子面擠出位移、掌子面后方位移和各臺(tái)階拱腳下沉等方面采取控制措施，取得了較好的變形控制效果。

圍巖變形值及變形速率。在變形控制技術(shù)實(shí)施前，老東山隧道進(jìn)口典型地質(zhì)地段的拱頂下沉和邊墻收斂曲線分別如圖7，圖8所示，采取措施后的拱頂下沉和邊墻收斂曲線分別如圖9，圖10所示。

圖7 采取措施前拱頂下沉—時(shí)間曲線

對(duì)比分析隧道進(jìn)口典型地質(zhì)段拱頂下沉及水平收斂數(shù)據(jù)可知，變形控制技術(shù)實(shí)施前，隧道拱頂最大下沉速率為70 mm/d，最大收斂速率48 mm/d，累計(jì)下沉和收斂分別為42 cm，30 cm;變形控制技術(shù)實(shí)施后，拱頂最大下沉速率減為36 mm/d，最大收斂速率減為30mm/d，累計(jì)下沉和收斂分別減為24 cm，18 cm。通過對(duì)施工方案和變形控制措施的優(yōu)化，隧道圍巖及初支變形得到了有效的控制，雖然在施作仰拱和滲水段圍巖變形仍會(huì)有一定的波動(dòng)，但圍巖變形在可控范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

1)通過高地應(yīng)力軟巖隧道變形特征的分析，確定了其變形機(jī)理，高地應(yīng)力軟巖隧道產(chǎn)生大變形的主要原因是由于高地應(yīng)力作用下軟弱圍巖超過其屈服強(qiáng)度而產(chǎn)生塑性擠出引起的，而地下水的存在又進(jìn)一步降低了軟巖的屈服強(qiáng)度。

圖8 采取措施前周邊收斂—時(shí)間曲線

圖9 采取措施后拱頂下沉—時(shí)間曲線

圖10 采取措施后周邊收斂—時(shí)間曲線

2)高地應(yīng)力軟巖隧道應(yīng)采用“抗放結(jié)合、寧強(qiáng)勿弱、寧補(bǔ)勿拆、巖變我變、及時(shí)封閉”的支護(hù)理念，通過提高初期支護(hù)的強(qiáng)度和剛度來控制隧道圍巖產(chǎn)生過大變形，以達(dá)到對(duì)圍巖變形的有效控制。

3)提出了超前加固，封閉掌子面，采用雙層初支，擴(kuò)大拱腳等具體變形控制措施，較好的控制了隧道圍巖的變形，保證了隧道的施工安全，在老東山隧道工程實(shí)踐中取得了良好的變形控制效果，保證了隧道的施工安全。

［1］ 史彥文，丁小軍，韓長嶺.極軟巖隧道沉降變形的控制措施［J］.中外公路，2009，29(4):397-400.

［2］ 張 梅，何志軍，張民慶，等.高地應(yīng)力軟巖隧道變形控制設(shè)計(jì)與施工技術(shù)［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012，49(6):13-23.

［3］ 王樹仁，劉招偉，屈曉紅.軟巖隧道大變形力學(xué)機(jī)制與剛隙柔層支護(hù)技術(shù)［J］.中國公路學(xué)報(bào)，2009，22(6):90-96.

［4］ 孫偉亮.堡鎮(zhèn)隧道高地應(yīng)力順層偏壓軟巖大變形段的快速施工技術(shù)［J］.隧道建設(shè)，2009，29(1):76-81.

［5］ 張文強(qiáng)，王慶林.木寨嶺隧道大變形控制技術(shù)［J］.隧道建設(shè)，2010，30(2):157-162.

［6］ 田洪銘，陳衛(wèi)忠，譚賢君，等.高地應(yīng)力軟巖隧道合理支護(hù)方案研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30(11):2285-2293.

［7］ 何滿潮.軟巖巷道工程概論［M］.北京:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1993.

［8］ 董方庭，宋宏偉.巷道圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論［J］.煤炭學(xué)報(bào)，1994，19(1):22-31.

［9］ 何滿潮，景海河.軟巖工程地質(zhì)力學(xué)研究進(jìn)展［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2000，8(1):46-63.

［10］ Guo Hongyun，Chen Xin，He Manchao.Frictional contact algorithm study on the numerical simulation of large deformations in deep soft rock tunnels［J］.Mining Science and Technology，2010(20):524-529.

［11］ 王丙堤.高地應(yīng)力軟弱圍巖變形控制方法［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2006(4):57-61.

［12］ R.Yoshinaka，M.Osada，T.V Tran.Non-linear stress-and strainde pendent behavior of soft rocks under cyclic triaxial conditions［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences ＆ Geomechanics Abstracts，1998，35(7):941-955.

［13］ Sun Jun.A study on 3-D nonlinear rheological behaviour of soft rocks［A］.In:He-Hua Zhu，Jin-Chun Chai，Ma-Song Huang，eds.Practice and advance in geotechnical engineering.Shanghai，2002.

［14］ Aydan O，Akagi T，Kawamoto T.The squeezing potential of rocks around tunnels:theory and prediction［J］.Rock Mechanics and Rock Engineering，1993，26(2):137-163.