明埡子隧道軟巖大變形防治措施

姚 軍

(陜西省交通規(guī)劃設(shè)計研究院，陜西西安 710075)

隨著我國高等級公路建設(shè)的蓬勃發(fā)展，為了縮短路線里程，提高設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，近年來復(fù)雜地質(zhì)條件下的大量深埋長大山嶺隧道工程紛紛上馬，遇到的地質(zhì)條件也越來越復(fù)雜。當(dāng)隧道穿越高地應(yīng)力區(qū)及軟弱圍巖區(qū)，常引發(fā)隧道軟巖大變形等地質(zhì)災(zāi)害，給長大高速公路隧道的設(shè)計和施工帶來了巨大的挑戰(zhàn)。本文以十天線安康—漢中高速公路明埡子特長隧道為例，針對深埋長大山嶺隧道軟巖發(fā)生大變形的問題，對變形的原因、支護(hù)技術(shù)、治理措施及施工方案等方面進(jìn)行了研究分析，總結(jié)經(jīng)驗，供類似工程參考。

1 工程概述

明埡子特長隧道是十天高速安康—漢中段的控制性工程，位于陜西省石泉縣城關(guān)鎮(zhèn)至曾溪鄉(xiāng)，進(jìn)口位于水磨溝，出口位于十里溝，為左、右分離式隧道，洞室間距約40 m，隧道最大埋深320 m。隧道左洞起止樁號為ZK209+306～ZK214+250，全長4 944 m;右洞起止樁號為YK209+325～YK214+305，全長4 980 m。

2 原設(shè)計情況介紹

1)地質(zhì)情況。隧址區(qū)地處饒峰—城口推覆構(gòu)造帶中段，斷裂構(gòu)造和褶皺構(gòu)造都極為發(fā)育，共穿越五條大的區(qū)域斷裂，隧道圍巖以較硬質(zhì)的糜棱巖、糜棱巖化閃長巖及侵入巖體，較軟質(zhì)的變砂巖夾灰?guī)r(擠壓褶皺帶)和軟質(zhì)的斷層角礫、斷層泥和千枚巖組成。碳質(zhì)頁巖見圖1。左、右線圍巖級別劃分表見表1，表2。

圖1 碳質(zhì)頁巖

表1 左線圍巖級別劃分表

表2 右線圍巖級別劃分表

2)設(shè)計支護(hù)參數(shù)見表3。

表3 隧道復(fù)合式襯砌支護(hù)設(shè)計參數(shù)表

3 隧道病害表現(xiàn)

明埡子隧道在施工過程中出現(xiàn)病害的主要表現(xiàn)是:初期支護(hù)開裂、混凝土碎裂掉塊、鋼拱架扭曲、鋼拱架剪切錯斷、初期支護(hù)收斂變形造成大面積侵限、仰拱上浮、二襯混凝土開裂破壞及隧道涌水。明埡子隧道發(fā)生最大變形量為170 cm;發(fā)生侵限大變形范圍共計1 169 m。

4 隧道大變形原因分析

1)大型地質(zhì)構(gòu)造帶引起的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜造成地質(zhì)圍巖級別劃分與實際施工開挖情況出入較大。明埡子隧道地質(zhì)區(qū)域地處饒峰—城口推覆構(gòu)造帶中段，斷裂構(gòu)造和褶皺構(gòu)造都極為發(fā)育，工程地質(zhì)條件十分復(fù)雜。隧道穿越多條斷層破碎帶，地層巖性復(fù)雜、軟硬巖層互層出露且變化頻繁，較堅硬巖呈碎裂結(jié)構(gòu)，僅局部掌子面可見塊狀結(jié)構(gòu)體。斷層分布廣，跨度大。一些斷層影響帶的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過原設(shè)計的估計。如原設(shè)計中Ⅲ級圍巖左右線總長為4 365.6 m，在施工實際中僅有582 m按照Ⅲ級圍巖進(jìn)行了施工。

2)過大的地應(yīng)力造成隧道支護(hù)大范圍出現(xiàn)變形、開裂甚至失穩(wěn)造成塌方。應(yīng)力過大使施工中地層成拱效應(yīng)差、水平應(yīng)力過大;同時由于褶皺、節(jié)理極為發(fā)育造成圍巖應(yīng)力分布會極不均勻。這就導(dǎo)致了初期支護(hù)拱腰失穩(wěn)、仰拱上浮，甚至單側(cè)拱腰鋼拱架內(nèi)鼓、變形、直至錯斷。二襯也因為應(yīng)力過大出現(xiàn)過開裂。采取遠(yuǎn)超過規(guī)范規(guī)定的支護(hù)強(qiáng)度，有的地段仍不能很好的控制變形。因而造成了大量的拆換拱的重復(fù)工作，既影響了工期，又增加變更量。

3)施工單位的技術(shù)管理和施工能力不足以及工期的壓力。由于施工單位缺乏現(xiàn)場有效的技術(shù)管理，一直未能很好掌握在特殊圍巖情況下的施工方法。比如環(huán)形留核心土施工法;超前圍巖注漿、徑向圍巖注漿一直無法滿足設(shè)計要求。同時因為巨大的工期壓力，使施工單位在關(guān)鍵工序(如注漿、掘進(jìn))施工時，始終考慮工期因素，導(dǎo)致工序缺失嚴(yán)重。

5 明埡子地質(zhì)病害應(yīng)對措施

根據(jù)隧道設(shè)計、施工規(guī)范、設(shè)計文件地質(zhì)勘查報告描述，經(jīng)施工現(xiàn)場勘查，結(jié)合多次國內(nèi)專家在現(xiàn)場為明埡子隧道施工所提出的建議，針對明埡子隧道的初期支護(hù)變形和不同的破壞形式，為控制變形侵限、杜絕塌方，確保施工和結(jié)構(gòu)安全，我們在設(shè)計上主要采取以下措施:

1)加強(qiáng)超前支護(hù)和初期支護(hù)。采用大管棚或雙層小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)通過斷層破碎帶、軟巖和塌方段，并進(jìn)行注漿。在大管棚難以施作地段，超前支護(hù)盡量采用雙層小導(dǎo)管，同時為增加小導(dǎo)管剛度，導(dǎo)管內(nèi)必須充填滿水泥漿。針對軟弱圍巖地段或塑性變形大的地段，由于地應(yīng)力和松散荷載較大，圍巖自穩(wěn)能力極差，柔性體系的初期支護(hù)在施作后即發(fā)生較大變形，單層初期支護(hù)的剛度及強(qiáng)度已不能控制圍巖的有害變形，為控制發(fā)生侵限、塌方等病害，初期支護(hù)采用雙層Ⅰ22b型鋼拱架(或Ⅰ22b型鋼拱架+格柵拱架)支護(hù)，增加支護(hù)剛度及強(qiáng)度，以抵抗圍巖的有害變形。橫向聯(lián)系采用φ32或角鋼連接。每層拱架的橫向聯(lián)系必須單獨連接，確保拱架整體系統(tǒng)受力。

2)增大開挖預(yù)留變形量。隧道開挖后，為防止因周邊收斂及拱頂下沉較大，造成初支侵限，影響二襯厚度，根據(jù)監(jiān)控量測資料，適當(dāng)放大初期支護(hù)預(yù)留變形量60 cm～80 cm。

3)優(yōu)化開挖和支護(hù)方法。隧道二襯、仰拱距離掌子面距離必須滿足設(shè)計要求。采用三臺階開挖時，各臺階均應(yīng)進(jìn)行及時的封閉。增加臨時仰拱、初期支護(hù)封閉成環(huán)，并保證鋼拱連接處無相應(yīng)錯位。落底時保證拱架水平收斂小于規(guī)范收斂值。防止因初支拱腰失穩(wěn)造成大面積塌落或侵限造成換拱，消除安全質(zhì)量隱患。

針對隧道內(nèi)圍巖水平應(yīng)力過大的情況，將軟弱圍巖段原設(shè)計的鎖腳錨桿變更為鎖腳導(dǎo)管，并根據(jù)現(xiàn)場情況適當(dāng)增加導(dǎo)管長度，鎖腳導(dǎo)管斜向下30°～45°施作，管內(nèi)高壓注水泥漿，導(dǎo)管與拱架連接牢固。同時為了增加拱架的整體受力效果，將橫向聯(lián)系鋼筋增強(qiáng)至φ25，環(huán)向間距縮短至50 cm，內(nèi)外側(cè)交錯布置。

4)加強(qiáng)二次襯砌。在保證施工安全的初期支護(hù)的前提下，為保證后期運(yùn)營安全，將出現(xiàn)較大變形地段的隧道二次襯砌變更為60 cm～80 cm鋼筋混凝土。針對仰拱上浮的情況，中心水溝存在薄弱點。在相應(yīng)仰拱隆起段落采用中心排水溝與仰拱采用整體C25混凝土現(xiàn)澆。

5)注水泥漿或雙液漿。注漿加固施工圖見圖2。

圖2 注漿加固施工圖

6)增加套拱。對于初期支護(hù)發(fā)生開裂、掉塊、變形嚴(yán)重段落，連續(xù)或間斷施作Ⅰ18或Ⅰ20a工字鋼施作套拱補(bǔ)強(qiáng)初期支護(hù)。為保證不發(fā)生重大變形侵限、塌方等嚴(yán)重病害，在保證二襯厚度的前提下，采用全斷面套拱加強(qiáng)初期支護(hù)強(qiáng)度，作為永久支護(hù)不予拆除。

7)增加臨時仰拱。在圍巖軟弱破碎段，與中臺階開挖支護(hù)同步施作，對于前期未施作臨時仰拱的變形段配合套拱施作，采用Ⅰ18或Ⅰ20a工字鋼對上斷面進(jìn)行臨時成環(huán)，控制初期支護(hù)的收斂和沉降。

8)換拱。初期支護(hù)大變形侵限和塌方段進(jìn)行注漿處理后，對侵限拱架逐個更換雙層Ⅰ22b型鋼拱架(或Ⅰ22b型鋼拱架+格柵拱架)，并及時封閉成環(huán)。塌方段處理采用大管棚或雙層小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)，注雙液漿，并增設(shè)臨時仰拱及時封閉成環(huán)，確保施工安全。

6 結(jié)語

通過對于明埡子隧道軟巖大變形的分析總結(jié)，以及借鑒國內(nèi)相同地質(zhì)條件的大變形的病害處理方案，對于斷層破碎帶、千枚巖等不良地質(zhì)地段圍巖可能產(chǎn)生大變形。根據(jù)軟弱流變性圍巖的控制特點及擠壓性圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用的力學(xué)機(jī)理，在膨脹性圍巖設(shè)計施工中貫穿“加固圍巖、改善洞形、先柔后剛、先放后抗、變形預(yù)留、底部加強(qiáng)”的原則。