雁門關(guān)隧道富水段軟弱圍巖初期支護(hù)開裂變形控制技術(shù)

鄧伯科

(中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司，太原 030032)

1 工程概況

北同蒲鐵路取直線雁門關(guān)隧道位于山西省朔州市境內(nèi)，隧道起訖里程DK110+855～DK124+940，全長14.085 km。最大埋深約820 m。為單洞雙線鐵路隧道，隧道以直線通過，線路縱坡為人字坡，上坡坡度為7‰，DK120+980以后下坡坡度為3‰。洞身凈寬12.06 m，凈高8.15 m。線路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為:Ⅰ級鐵路、電力牽引、雙線、線間距4.4 m，旅客列車行車速度160 km/h，預(yù)留 200 km/h。

2 地質(zhì)特點

雁門關(guān)隧道圍巖為古老的變質(zhì)巖地層，巖性復(fù)雜多變，洞身穿越的巖性主要以片麻巖為主，部分段落分布黑云母變粒巖。變質(zhì)巖雖為硬質(zhì)巖石，但巖性變化大，巖體受到層理、片理、暗色超基性和中基性巖脈的穿插以及花崗巖的注入式混合巖化的影響，巖體破碎，受構(gòu)造、蝕變和風(fēng)化作用，巖體軟硬不均，夾有軟質(zhì)團(tuán)塊和軟層。斷層、層面和構(gòu)造節(jié)理發(fā)育，多見層間摩擦面和巖脈穿插。隧道正洞發(fā)育19條斷層破碎帶，斷層破碎帶內(nèi)充填角礫及斷層泥，巖層破碎，基本無膠結(jié)。

隧區(qū)內(nèi)地下水以裂隙水為主，地下水賦存條件較好，隧道最大涌水量達(dá)29 800 m3/d，根據(jù)設(shè)計地質(zhì)鉆孔資料，05-ZD-894鉆孔在83.6 m基巖面(土石分界)處見地下水，穩(wěn)定水位43.3 m，承壓高度40.3 m，具承壓性。

3 施工地質(zhì)揭示情況及圍巖與初期支護(hù)開裂變形原因分析

3.1 施工地質(zhì)揭示情況

雁門關(guān)隧道富水段軟弱圍巖(DK111+745～DK112+180)施工地質(zhì)揭示情況:全風(fēng)化黑云母變粒巖(圖1)，巖體強(qiáng)度極低，手捏成粉末狀，遇水成泥，地下水呈先弱后強(qiáng)趨勢，自穩(wěn)能力差，極易發(fā)生坍塌掉塊。

圖1 全風(fēng)化黑云母變粒巖

3.2 圍巖與初期支護(hù)開裂變形情況

圖2 環(huán)、縱向開裂及噴射混凝土剝落

圖3 鋼架連接板變形

3.3 初期支護(hù)變形開裂原因分析

在彈性介質(zhì)和水壓力作用下，開挖后隧道周邊的最大主應(yīng)力是初始應(yīng)力的2倍。而且整個周邊圍巖都處在受壓狀態(tài)，根據(jù)現(xiàn)場圍巖狀況、監(jiān)控量測數(shù)據(jù)及應(yīng)力計量測數(shù)據(jù)反映出:由于圍巖無自穩(wěn)能力，開挖后周邊圍巖松散范圍大，但圍巖壓力相對小，分析初期支護(hù)為整體下沉，且拱頂下沉值是上臺階拱腳部位的2倍左右，施工中采用鎖腳鋼管能起到一定的抑制作用。正拱頂下沉曲線見圖4，兩側(cè)拱腳下沉曲線見圖5，圍巖水平收斂曲線見圖6，圍巖壓力曲線見圖7。

現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù):在初期支護(hù)施工后1～5 d時間內(nèi)變形值大，拱頂下沉值最大為363 mm，收斂值最大為145 mm。

(1)由于圍巖差，加之在地下水的作用下，圍巖間的粘結(jié)力下降，松散半徑擴(kuò)大，不能形成承載拱，是造成初期支護(hù)開裂變形的主要原因。

(2)由于地下水作用，造成開挖輪廓不圓順，局部超挖值超標(biāo)。雖然鋼架背后采取了引水管，但由于地下水量大且出水點多，仍較難保證噴射混凝土密實度的有效控制。

圖4 正拱頂下沉曲線

圖5 兩側(cè)拱腳下沉曲線

圖6 圍巖水平收斂曲線

圖7 圍巖壓力曲線

(3)由于地下水作用，造成拱腳部位地基承載力下降。

(4)初期支護(hù)全環(huán)閉合時間較長，延長了變形時間，在初支全部封閉成環(huán)后，圍巖變形呈遞減趨勢。

4 變形控制施工技術(shù)

嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺，首先針對其圍巖特性采取注漿加固處理，掌子面采用超前注漿，拱部及邊墻部位采用徑向注漿;開挖后及時對掌子面噴射混凝土封閉;拱架連接板處增設(shè)槽鋼，增強(qiáng)拱腳基底承載力;鎖腳錨管采用加固新工藝，控制下沉;仰拱二襯緊跟，確保安全步距滿足規(guī)范要求;及時進(jìn)行圍巖量測，以指導(dǎo)施工作業(yè)。

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4.1 對圍巖進(jìn)行注漿加固

針對此圍巖的特性，首先采取超前預(yù)注漿加固圍巖，注漿時水灰比為0.45∶1～0.5∶1，注漿壓力控制在0.5～2 MPa，注漿量根據(jù)設(shè)計注漿量及注漿壓力雙重控制。通過注漿增強(qiáng)圍巖自穩(wěn)能力，減少圍巖松散半徑及時形成承載拱。

在初期支護(hù)噴射混凝土施工完后，及時打設(shè)徑向注漿鋼管，實施徑向注漿，注漿參數(shù)同超前預(yù)注漿。徑向注漿能有效地將圍巖與初期支護(hù)間的空隙、圍巖自身間的裂隙充填滿，充分發(fā)揮了初期支護(hù)的支護(hù)能力。

通過超前預(yù)注漿及徑向注漿(圖8)，對地下水進(jìn)行了有效阻截。在實施超前和徑向注漿后，打設(shè)部分泄水孔，對地下水進(jìn)行集中引排，防止地下水浸泡拱腳部位，造成拱腳失穩(wěn)。

圖8 超前預(yù)注漿及徑向注漿

4.2 嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺

每循環(huán)開挖進(jìn)尺不超過60 cm。采取三臺階七步開挖時，每個臺階長度控制在3～5 m，左右側(cè)中下臺階錯開長度不少于2 m。

4.3 鋼拱架鎖腳錨管創(chuàng)新新工藝

為有效控制鋼架變形，在每榀上、中、下臺階鋼架拱腳部位焊接1～2塊250 mm×450 mm×16 mm的鋼板，每塊鋼板設(shè)2個50 mm寬錨管定位孔，并將鎖腳錨管穿入孔中打設(shè)，錨管尾端采用“L”形φ22 mm螺紋鋼與鋼架焊接牢固，鋼拱架鎖腳錨管工藝見圖9。

4.4 增設(shè)拱腳處槽鋼，增強(qiáng)拱腳基底承載力

在鋼架拱腳連接板處增設(shè)槽鋼作為墊板，既防止連接板變形彎曲，又增強(qiáng)了拱腳受力。

4.5 確保噴射混凝土密實度

開挖后及時進(jìn)行初噴。在復(fù)噴射混凝土?xí)r，嚴(yán)格按照噴射混凝土施工工藝要求施作，確保噴射混凝土與圍巖之間密實。超挖部分采用同強(qiáng)度等級混凝土回填密實。

圖9 鋼拱架鎖腳錨管工藝(單位:mm)

4.6 仰拱及時閉合，二襯緊跟，確保施工及結(jié)構(gòu)安全

加強(qiáng)工序銜接，嚴(yán)格控制臺階長度，三臺階整體推進(jìn)，及早閉合仰拱成環(huán)。仰拱閉合時間控制在10 d以內(nèi)，仰拱離掌子面距離控制在25 m以內(nèi)，仰拱每次開挖長度控制在3 m，二襯離掌子面距離控制在50 m以內(nèi)。

4.7 加強(qiáng)監(jiān)控量測，及時反饋量測結(jié)果指導(dǎo)施工

及時進(jìn)行圍巖量測，量測點每個斷面布設(shè)不少于5個點，圍巖量測布設(shè)見圖10。布設(shè)間距不大于5 m(根據(jù)實際情況可適當(dāng)加密)，并根據(jù)圍巖量測結(jié)果及時調(diào)整支護(hù)參數(shù)，合理調(diào)整其預(yù)留變形量，確保初期支護(hù)不侵限。

圖10 圍巖量測布設(shè)

圍巖量測是隧道開挖、支護(hù)的依據(jù)，開挖支護(hù)參數(shù)的選擇是根據(jù)圍巖量測確定的，因此圍巖量測必須及時準(zhǔn)確。當(dāng)拱頂下沉、水平收斂速率大于5 mm/d或位移累計大于100 mm時應(yīng)暫停掘進(jìn)開挖，并及時分析原因，采取處理措施。

5 施工注意事項

(1)在實施鋼架鎖腳錨管施工時，鎖腳錨管下插角控制在30°～45°。

(2)在實施超前及徑向注漿作業(yè)時，針對圍巖破碎造成的難成孔現(xiàn)象，宜采用自進(jìn)式注漿錨桿加固處理。自進(jìn)式錨桿是集注液管、鉆桿、錨桿為一體的長錨桿，可有效解決塌孔造成注漿管施工長度不足。

(3)加強(qiáng)施工管理，確保施工正常有序，通過強(qiáng)化施工過程控制，突出掌子面責(zé)任控制，從方案制定到方案實施、從施工到監(jiān)控，從組織到分工協(xié)作，提高各種生產(chǎn)要素的效率，確保隧道施工安全、質(zhì)量、進(jìn)度有序可控。

6 取得的效果

(1)經(jīng)過注漿加固，圍巖間裂隙全部充填滿漿液，圍巖狀況得到改善，地下水得到有效控制。

(2)初期支護(hù)變形值減小，拱頂下沉值由363 mm減小為175 mm，收斂值由145 mm減小為67 mm，變形得到有效控制。采取此措施在后續(xù)施工中，初期支護(hù)噴射混凝土開裂現(xiàn)象減少了，未出現(xiàn)鋼架扭曲及接頭板變形現(xiàn)象。

(3)初期支護(hù)開裂變形得到了有效控制，提高了施工質(zhì)量，保證了施工安全。

(4)采取此措施后，既保證了安全、質(zhì)量，又加快了施工進(jìn)度，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益:既減少了開挖量(預(yù)留變形量引起的超挖量)，又減少了初期支護(hù)變形開裂處理費用。

7 結(jié)語

通過北同蒲取直線雁門關(guān)隧道軟弱圍巖初期支護(hù)開裂變形控制施工實踐，在施工環(huán)節(jié)中通過現(xiàn)場實際情況調(diào)查、原因分析及有針對性的控制技術(shù)措施，形成了一套行之有效的富水段軟弱圍巖初期支護(hù)開裂變形控制技術(shù)，確保了施工安全及隧道結(jié)構(gòu)安全，對類似工程有借鑒參考價值。

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