連拱隧道軟巖大變形特征分析及施工方法研究

韋 景 宇

(中國中鐵一局集團(tuán)第四工程有限公司，陜西 咸陽 712000)

連拱隧道軟巖大變形特征分析及施工方法研究

韋 景 宇

(中國中鐵一局集團(tuán)第四工程有限公司，陜西 咸陽 712000)

通過邵家臺(tái)連拱隧道施工中開展的軟巖大變形研究及現(xiàn)場施工實(shí)踐，分析和總結(jié)了軟弱圍巖在施工過程中出現(xiàn)的地質(zhì)、地應(yīng)力及圍巖變形特征等，針對(duì)其特點(diǎn)探討了控制變形支護(hù)參數(shù)及有效的施工方法，解決了現(xiàn)場施工難以正常掘進(jìn)問題，同時(shí)也保證了隧道的施工安全和質(zhì)量。

連拱隧道，軟巖，變形特征，施工方法

湖北省谷城至竹溪高速公路邵家臺(tái)連拱隧道地處南秦嶺構(gòu)造帶內(nèi)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，且構(gòu)造變形、褶皺，圍巖軟弱，節(jié)理裂隙發(fā)育。開挖后在地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力作用下，圍巖大變形頻繁、突出，初支變形開裂、侵限，模筑二襯混凝土開裂、下沉和移位等現(xiàn)象，導(dǎo)致掘進(jìn)無法正常進(jìn)行，經(jīng)常出現(xiàn)施工中斷或停工現(xiàn)象，嚴(yán)重危及現(xiàn)場施工安全及工程質(zhì)量，由此引起了建設(shè)方、設(shè)計(jì)、監(jiān)理及公司本部的高度關(guān)注。通過建設(shè)方多次主持召開湖北省專家技術(shù)專題研討會(huì)及現(xiàn)場勘驗(yàn)，對(duì)工程揭露實(shí)際圍巖的地質(zhì)特征及支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞形式及特征進(jìn)行系統(tǒng)分析和研討，找出該隧道圍巖及支護(hù)大變形發(fā)展的規(guī)律及原因，制定了相關(guān)變形控制標(biāo)準(zhǔn)和施工方法要求，最終有效解決了施工難以掘進(jìn)問題，隧道施工也得以正常開展。

1 工程概況

1.1 概述

湖北省新建谷(城)至竹(溪)高速公路第16合同段邵家臺(tái)連拱隧道位于十堰市房縣青峰鎮(zhèn)紅塔鄉(xiāng)黨家灣襯境內(nèi)，呈東西向展布，隧道全長365 m(K87+785～K88+150)，屬于短隧道，最大埋深約54.9 m。省道S305兩次穿過隧道進(jìn)出口上方，隧道設(shè)計(jì)建筑界限凈寬23.5 m，凈高5.0 m，Ⅴ級(jí)圍巖175 m，占隧道總長48%，Ⅳ級(jí)圍巖190 m，占隧道總長52%，隧道施工采用新奧法原理組織施工。

1.2 工程地質(zhì)

隧址區(qū)在大地構(gòu)造上位于南秦嶺構(gòu)造帶內(nèi)，地處南秦嶺—青峰斷裂帶上，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。地表覆蓋層為第四系褐黃色粉質(zhì)粘土，夾有少量礫石，基巖及其風(fēng)化層為強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)片巖，變晶結(jié)構(gòu)、片狀構(gòu)造，主要礦物成分為長石、石英、絹云母等，圍巖屬軟巖，穩(wěn)定性差。隧道圍巖分級(jí)及變更情況見表1。

表1 圍巖分級(jí)變更表

1.3 水文地質(zhì)

隧址區(qū)地表水系不發(fā)育，主要為大氣降水形成的地表面流及山體溝谷內(nèi)季節(jié)性流水等，水量受季節(jié)性影響變化較大，自然排泄暢通，對(duì)隧道施工影響小。地下水類型主要為松散巖類孔隙水及基巖裂隙水，主要受大氣降水補(bǔ)給，補(bǔ)給條件較好，雨季隧道開挖受影響較大，極易出現(xiàn)滴水、滲水，甚至涌水現(xiàn)象。

2 不良地質(zhì)

2.1 開挖揭露圍巖描述

1)隧道正洞開挖掘進(jìn)后，發(fā)現(xiàn)圍巖受地質(zhì)構(gòu)造作用嚴(yán)重，節(jié)理裂隙極為發(fā)育、破碎，且褶曲明顯，自穩(wěn)性差，手可捏成團(tuán)，呈黑褐色，開挖后多呈塑性流動(dòng)狀(見圖1)。2)巖體節(jié)理切割形成松散小塊體，結(jié)構(gòu)松散破碎，為強(qiáng)風(fēng)化片巖，且裂隙中充填石英、云母及泥化物，局部形成軟泥夾層或破碎帶，穩(wěn)定性差(見圖2)。3)通過委外進(jìn)行巖石力學(xué)及自由膨脹率實(shí)驗(yàn)，圍巖單軸抗壓強(qiáng)度基本為12 MPa～20 MPa之間，屬于軟質(zhì)巖石，且千枚巖遇水自由膨脹率達(dá)12%～15%之間。

2.2 軟巖變形特征

1)變形量大，部位明顯。洞身圍巖變形監(jiān)控量測按每5 m一個(gè)量測斷面設(shè)置，每個(gè)斷面從拱頂—上拱腰—中拱腰布設(shè)觀測點(diǎn)，重點(diǎn)監(jiān)控拱頂至拱腰外側(cè)下沉、收斂情況，見圖3。例如：隧道出口端右洞YK88+900～YK88+910段15 d監(jiān)控量測結(jié)果：YK87+900斷面拱頂累計(jì)沉降量152.5 mm，最大累計(jì)收斂(A—A″)571.21 mm；YK87+905斷面拱頂累計(jì)沉降量121.7 mm，最大累計(jì)收斂476.18 mm；YK87+910斷面拱頂累計(jì)沉降量102.3 mm，最大累計(jì)收斂432.43 mm，其中A點(diǎn)部位變形非常明顯。2)變形速率大，突變明顯。初支結(jié)構(gòu)分段施工變形速率：掌子面上臺(tái)階掘進(jìn)時(shí)實(shí)測最大變形速率為32 mm/d，中臺(tái)階外側(cè)施工時(shí)實(shí)測最大變形速率為65 mm/d，但下臺(tái)階及仰拱開挖施工時(shí)實(shí)測最大變形速率達(dá)103 mm/d，突變明顯。初支閉合成環(huán)及仰拱混凝土回填施工完后，洞身整體結(jié)構(gòu)趨于相對(duì)穩(wěn)定，變形速率小于3 mm/d或?yàn)榱恪?)變形持續(xù)時(shí)間較長。2014年9月4日，隧道左洞進(jìn)口端K87+862～K87+890段二次襯砌在中隔墻側(cè)(仰拱回填頂面向上約3 m處)出現(xiàn)縱向開裂，裂縫長28 m，最大開裂寬度約25 mm，據(jù)K87+875斷面量測數(shù)據(jù)顯示：襯砌后拱頂累計(jì)下沉125 mm，水平收斂累計(jì)47.5 mm，斷面整體凈空內(nèi)收18 cm(見圖4)。表明二襯后期承擔(dān)圍巖持續(xù)變形產(chǎn)生較大應(yīng)力。

3 產(chǎn)生變形原因剖析

邵家臺(tái)連拱隧道施工過程中不斷發(fā)生的圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形經(jīng)過剖析其原因，主要有以下幾點(diǎn)：

1)不良地質(zhì)因素：該隧道圍巖軟弱破碎、自穩(wěn)能力差、強(qiáng)度低，加上圍巖結(jié)構(gòu)混雜，受地質(zhì)構(gòu)造作用嚴(yán)重，褶曲明顯、節(jié)理發(fā)育、千枚巖遇水膨脹而發(fā)生塑性蠕變等不利因素，使得地質(zhì)應(yīng)力突出明顯是隧道大變形的內(nèi)因。2)結(jié)構(gòu)類型不合理因素：因受地理?xiàng)l件限制而設(shè)計(jì)為連拱隧道，其結(jié)構(gòu)類型勢必造成在多次開挖過程中不僅嚴(yán)重?cái)_動(dòng)圍巖自身穩(wěn)定性，而且還造成圍巖應(yīng)力分布反復(fù)發(fā)生變化和轉(zhuǎn)換，加劇了大變形的產(chǎn)生和發(fā)展。3)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不足因素：主要體現(xiàn)在對(duì)不良地層中隧道多次開挖擾動(dòng)后發(fā)生大變形發(fā)展程度估計(jì)不足，不但沒有因地制宜采取加強(qiáng)或特殊設(shè)計(jì)，初支結(jié)構(gòu)偏弱，在初支無法穩(wěn)定情況下，僅通過加大部分段落二襯混凝土厚度來加強(qiáng)支護(hù)明顯不足。4)工序銜接時(shí)間的影響：該隧道掘進(jìn)采用三臺(tái)階法施工，初支未能及時(shí)封閉成環(huán)，加上受連拱隧道先后行主洞掘進(jìn)嚴(yán)格要求控制，兩洞工序不僅受到制約，相互影響也極大，二襯往往相對(duì)滯后。如果能及時(shí)二襯跟進(jìn)，可盡早完成隧道整體支護(hù)，圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形即可盡早減小，從而可趨于穩(wěn)定。

4 變形控制標(biāo)準(zhǔn)要求

根據(jù)施工過程中監(jiān)控量測結(jié)果及圍巖和初支變形特征，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際施工狀況，制定變形控制標(biāo)準(zhǔn)要求：最大變形量：沉降量不大于350 mm，水平收斂不大于600 mm；變形速率不大于5 mm/d。

5 控制變形施工方法

通過多次開展研討及現(xiàn)場施工實(shí)踐，掌握軟巖變形產(chǎn)生規(guī)律，進(jìn)而科學(xué)合理制定相應(yīng)的施工方法，局部調(diào)整支護(hù)參數(shù)，采取有效措施，動(dòng)態(tài)優(yōu)化施工。

5.1 調(diào)整或增設(shè)部分支護(hù)參數(shù)

1)在中隔墻上部左右正洞的每榀初支25b工字鋼之間增設(shè)兩排φ25對(duì)拉錨桿進(jìn)行加強(qiáng)，見圖5；2)正洞每榀初支25b工字鋼之間環(huán)向增設(shè)8根間距為3.2 m的18b工字鋼連接，提高工字鋼整體支護(hù)作用，見圖6；3)正洞外側(cè)拱腰處(變形收斂最突出A部位)每榀初支25b工字鋼上增設(shè)雙排長度為4.5 m～6 m的φ25自制中空注漿錨桿，加強(qiáng)拱腰處鎖腳錨固力，減小收斂；4)將變形預(yù)留量由設(shè)計(jì)的15 cm調(diào)整為45 cm，加大并優(yōu)化鋼拱架結(jié)構(gòu)；5)二襯鋼筋中增設(shè)環(huán)向格柵鋼架，鋼筋規(guī)格與設(shè)計(jì)相同，縱向間距1.5 m。

5.2 嚴(yán)格控制開挖方法

該隧道正洞采用短臺(tái)階預(yù)留核心土“三臺(tái)階法”施工，針對(duì)實(shí)際圍巖軟弱情況，開挖以機(jī)械為主人工為輔，避免采用鉆爆法施工，盡量減少對(duì)周邊圍巖的擾動(dòng)破壞，中隔墻頂部則采用人工配風(fēng)鎬鑿除施工,見圖7。

5.3 嚴(yán)格控制先后行主洞施工工序

由于連拱隧道左右兩洞同時(shí)施工其受力結(jié)構(gòu)相互影響很大，為確保施工安全及工程質(zhì)量，必須嚴(yán)格控制兩洞掘進(jìn)施工時(shí)各工序，并盡早初支封閉，二襯及時(shí)跟進(jìn)，見圖8。

1)掘進(jìn)臺(tái)階長度控制：上臺(tái)階3 m～5 m；中臺(tái)階5 m～6 m；仰拱及下臺(tái)階6 m～8 m，每臺(tái)階掘進(jìn)長度控制以滿足小挖掘機(jī)及人工工作需要即可，同時(shí)保證左右兩洞掌子面之間的距離不得大于15 m；2)仰拱施作控制：根據(jù)隧道變形控制標(biāo)準(zhǔn)和日常量測變化情況確定仰拱施作時(shí)間，為避免仰拱一次開挖過長容易造成初支沉降過大或突變失穩(wěn)，故每組仰拱開挖長度按不超過3 m控制，并及時(shí)澆筑仰拱回填，使初支盡早穩(wěn)定；3)二襯模筑混凝土施作控制：根據(jù)隧道掘進(jìn)進(jìn)度及仰拱施作進(jìn)度情況，采用6 m整體式鋼模板臺(tái)車澆筑，及時(shí)跟進(jìn)，同時(shí)必須嚴(yán)格控制先行主洞二襯施作在對(duì)應(yīng)后行主洞仰拱已施工完范圍內(nèi)，否則不得施作。

5.4 掘進(jìn)中斷或暫停施工輔助措施

隧道施工過程中，經(jīng)常避免不了因特殊情況而出現(xiàn)掘進(jìn)中斷或暫停施工，當(dāng)暫停時(shí)間較長時(shí)，為防止初支結(jié)構(gòu)因停工時(shí)間過長而產(chǎn)生大變形時(shí)，需要采取臨時(shí)輔助措施予以加固，以確保變形受控(見圖9)。

6 結(jié)語

邵家臺(tái)連拱隧道施工中最突出問題是因圍巖及初支經(jīng)常發(fā)生大變形而無法正常掘進(jìn)。經(jīng)過多次專題技術(shù)研討和專家指導(dǎo)，包括中國工程院王夢(mèng)恕院士蒞臨現(xiàn)場勘查與指導(dǎo)，現(xiàn)場施工中基本掌握軟巖地質(zhì)及應(yīng)力特征、大變形發(fā)展規(guī)律及產(chǎn)生原因，采取相應(yīng)的技術(shù)及施工調(diào)整措施，解決了隧道無法正常掘進(jìn)難題，保障了隧道的施工安全和工程質(zhì)量，同時(shí)也提高工效，縮短施工周期，降低施工成本。

[1] 關(guān)寶樹.隧道力學(xué)概論[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，1993.

[2] 曾佐勛，樊光明.構(gòu)造地質(zhì)學(xué)[M].第3版.北京：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2008.

On analysis of features of large-deformation of multiple-arch tunnel in soft rock and its construction method

Wei Jingyu

(No.4EngineeringCo.,Ltd,ChinaRailwayFirstBureauGroup,Xianyang712000,China)

According to the research on the large-deformation of Shaojiatai multiple-arch tunnel in soft rock construction and its site practice, the paper analyzes and sums up the geological features, crustal stress and surrounding rock deformation in the construction process of the weak surrounding rock, and explores the controlling and deformation support parameter and effective construction methods, so as to solve some problems in the jacking of the site construction and ensure the tunnel construction safety and quality.

multiple-arch tunnel, soft rock, deformation feature, construction method

1009-6825(2015)32-0147-03

2015-09-02

韋景宇(1975- )，男，工程師

U451.2

A