武都西隧道千枚化炭質(zhì)頁巖大變形段施工技術(shù)控制

杜曉偉

【摘要】武都西隧道圍巖軟弱、破碎，節(jié)理非常發(fā)育，層理面光滑，隧道埋深大，地應(yīng)力較高，易發(fā)生大變形，并且變形時(shí)間長、位置不規(guī)律、速度較快，嚴(yán)重影響工程穩(wěn)定性；在理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)探索的基礎(chǔ)上采用三臺(tái)階七步開挖法，運(yùn)用雙層拱架支護(hù)，特殊段采取超強(qiáng)支護(hù)，同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，管控施工細(xì)節(jié)。工程實(shí)踐說明，以上措施是可行的、有效的。

【關(guān)鍵詞】軟巖大變形；開挖工藝；支護(hù)類型；控制措施

1、工程概況

武都西隧道位于成武高速公路終點(diǎn)，武都市西城郊鄉(xiāng)黃家壩上沒水山內(nèi)，白龍江岸邊。起止樁號(hào)為ZK83+810～ ZK87+573，YK83+831～ YK87+612，單洞長7544m，為分離式巖質(zhì)公路隧道，是成武高速公路武都段的控制性工程，全隧道采用四心圓斷面，運(yùn)用新奧法施工設(shè)計(jì)原理，根據(jù)地質(zhì)資料，采用Ⅳc和Ⅴb支護(hù)參數(shù)。

水文地質(zhì)方面，隧道設(shè)計(jì)地質(zhì)為中風(fēng)化灰?guī)r、泥灰?guī)r，灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，裂隙發(fā)育，為較軟巖，巖體較破碎，圍巖穩(wěn)定性較差，施工時(shí)有少量滴水，隧道最大埋深超過1000m。在實(shí)際施工過程中，隧道圍巖地質(zhì)情況與設(shè)計(jì)地質(zhì)情況發(fā)生較大變化，施工開挖后隧道地質(zhì)圍巖為以千枚化的炭質(zhì)頁巖為主，夾千枚化的炭質(zhì)泥灰?guī)r，強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體極為破碎，節(jié)理面光滑，屬軟巖，并受白龍江F5斷層次生帶垂直應(yīng)力強(qiáng)力釋放影響，圍巖變形大，褶皺明顯，圍巖完整性及穩(wěn)定性差，洞內(nèi)干燥、圍巖溫度較高。

2、圍巖性質(zhì)的認(rèn)識(shí)與分析

2.1大變形產(chǎn)生原因的分析

通過武都西隧道施工總結(jié)，反映出千枚化炭質(zhì)頁巖是一種具有沿層理面蠕滑、巖性流變和巖體構(gòu)造破碎的一種特殊的巖體，在該巖體下產(chǎn)生隧道大變形的主要原因有：

一是巖體破碎，整體性極差，在隧道開挖過程中，圍巖荷載平衡被破壞，自穩(wěn)能力減弱，在自重作用下向凈空內(nèi)持續(xù)蠕變；

二是層理面光滑，巖體之間摩擦力小，巖質(zhì)軟弱，抵抗圍巖變形的能力弱，使圍巖蠕變時(shí)間更長，圍巖遲遲不能穩(wěn)定；

三是隧道埋深較大，最大埋深超過1000米，存在高地應(yīng)力，在地應(yīng)力的作用下隧道圍巖變形進(jìn)一步加?。?/p>

四是受F5斷層次生帶影響嚴(yán)重，掌子面圍巖褶皺明顯，層理紊亂，壓力釋放較慢，使圍巖變形持續(xù)時(shí)間過長；

五是圍巖溫度較高，最高時(shí)掌子面溫度達(dá)48℃，溫度越高時(shí)圍巖變形越嚴(yán)重，說明該山體沒有完全穩(wěn)定，應(yīng)力在持續(xù)釋放，造成隧道圍巖變形嚴(yán)重。

以上五種原因造成圍巖對(duì)隧道初支壓力持續(xù)增大，變形嚴(yán)重，使的原設(shè)計(jì)初支不能抵抗圍巖壓力，初支變形侵限并二次換拱。

2.2大變形的特點(diǎn)

2.2.1持續(xù)時(shí)間過長

從掌子面開挖至二襯混凝土澆筑，正常情況下期間有45天，但初支變形沒有達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，甚至個(gè)別段落在二襯澆筑完成550天后，仍然產(chǎn)生變形，表現(xiàn)為拱頂和拱腰位置產(chǎn)生45°斜角裂縫，裂縫規(guī)律明顯。這說明圍巖在經(jīng)過長時(shí)間蠕變后并沒有達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，變形持續(xù)時(shí)間長。

2.2.2位置規(guī)律性不強(qiáng)

武都西隧道圍巖變形位置分布錯(cuò)亂，掌子面左右兩側(cè)各有分布，同側(cè)拱肩、拱腰和起拱線處各有分布，段落、斷面沒有規(guī)律，變形數(shù)據(jù)沒有規(guī)律，導(dǎo)致預(yù)留沉降量控制難度大，二襯超重時(shí)有發(fā)生。

2.2.3速度較快

監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在掌子面開挖至上導(dǎo)初支完成的短短14小時(shí)內(nèi)，圍巖已經(jīng)發(fā)生較大變形，其中最大數(shù)值為86mm，初支完成后日變形量均為20～40mm，掌子面掘進(jìn)僅5～7m時(shí)，初支開始出現(xiàn)環(huán)向裂縫，掘進(jìn)10～15m時(shí)出現(xiàn)縱向裂縫，甚至鋼拱架扭曲變形，混凝土表面破碎掉塊，說明圍巖變形速度較快。

2.2.4工序銜接時(shí)變形速率加快

監(jiān)控量測(cè)曲線圖顯示，上中下臺(tái)階、下臺(tái)階與仰拱支護(hù)的工序銜接時(shí)間段內(nèi)圍巖變形速率有所加快，曲線圖不在平穩(wěn)，有拐點(diǎn)出現(xiàn)，主要原因是掌子面開挖時(shí)圍巖受到擾動(dòng)，尤其鉆爆法施工中爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)極大，加大變形速率；其次是仰拱開挖后，鋼拱架拱腳懸空，加大了圍巖變形的速率。

3、施工技術(shù)控制

3.1選擇合理的開挖方法

武都西隧道大變形段施工過程中，根據(jù)圍巖受擾動(dòng)情況和監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析，探索了不同的開挖方法，主要有上下臺(tái)階預(yù)留核心土、三臺(tái)階、三臺(tái)階預(yù)留核心土和超短三臺(tái)階預(yù)留核心土七步開挖法等不同方法，最終認(rèn)為三臺(tái)階預(yù)留核心土七步開挖法最適合用于千枚化炭質(zhì)頁巖大變形段的施工，并遵循“短進(jìn)尺、早封閉”的原則，即每次開挖進(jìn)尺0.75m，每臺(tái)階長度控制在5m以內(nèi)，仰拱與掌子面控制距離控制在20m以內(nèi)，掌子面、中導(dǎo)、下導(dǎo)同步驟施工，仰拱采用棧橋法全斷面施工工藝，長度控制在3.5m以內(nèi)。

同時(shí)得出最優(yōu)機(jī)械組合是銑挖機(jī)配合破碎錘。即先用銑挖機(jī)進(jìn)行掌子面開挖，并進(jìn)行拱頂及拱腰修邊，在拱腳圍巖較硬銑挖機(jī)銑挖效果不明顯的地方再有破碎錘進(jìn)行開挖，以達(dá)到開挖速度合理，對(duì)圍巖擾動(dòng)小的效果。

3.2采用雙層初支加強(qiáng)支護(hù)

武都西隧道大變形段施工中，分別采用了Ⅴb、Ⅴd支護(hù)參數(shù)、間斷式雙層初支支護(hù)參數(shù)，最終確定為雙層初支支護(hù)參數(shù)才能滿足大變形段初支荷載，具體支護(hù)參數(shù)為：Φ42超前小導(dǎo)管，長度4.5m，間距35㎝，搭接長度不小于1m，仰角10～15°；系統(tǒng)錨桿為R27中空注漿錨桿，長度4.5m，環(huán)向間距1m，縱向間距75㎝；第一層初支拱架為H175型鋼，間距75㎝，第二層初支拱架為I20a工字鋼，間距75㎝；噴射C25混凝土，厚50㎝；掛設(shè)Φ8雙層鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)距20㎝×20㎝；采用Φ42鎖腳鋼管，長度4.5m，每榀24根；二襯C25混凝土采用模筑混凝土，厚度50㎝；主筋為Φ22鋼筋，間距25㎝，雙層鋼筋網(wǎng)。

3.3特殊段落超強(qiáng)支護(hù)

武都西隧道大變形段在采用雙層初支后，變形得到有效控制，初支滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求，能抵抗圍巖壓力，確保隧道安全。但仍有段落變形依然較大，噴射混凝土開裂，甚至初支鋼拱架扭曲變形。對(duì)于這種特殊段落，應(yīng)采取局部超強(qiáng)支護(hù)的措施，具體是在變形段拱墻上布設(shè)鋼花管并注漿，鋼花管長6m，環(huán)向間距1m，縱向間距0.75m，漿液為水泥、水玻璃雙液漿，水玻璃為水泥摻量的5%，注漿壓力控制在2Mpa左右。對(duì)該段二襯可采用提高混凝土標(biāo)號(hào)和增加配筋率的方法增強(qiáng)支護(hù)參數(shù)，具體為將二襯混凝土標(biāo)號(hào)由C25提高到C30，將二襯主筋由Φ22提高到Φ25。

3.4控制措施

3.4.1加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)

武都西隧道大變形段施工過程中，組建了專職監(jiān)控量測(cè)小組，并制定了詳細(xì)的量測(cè)制度和方案，確保量測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確真實(shí)，及時(shí)分析總結(jié)數(shù)據(jù)，根據(jù)結(jié)果調(diào)整施工方案和預(yù)留沉降量，綜合運(yùn)用全站儀、水準(zhǔn)儀、收斂儀及激光斷面儀進(jìn)行斷面檢測(cè)、沉降觀測(cè)、收斂觀測(cè)和周邊位移檢測(cè)，每5m布置一觀測(cè)斷面，每個(gè)斷面布置7個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行系統(tǒng)的監(jiān)控量測(cè)控制。

3.4.2注重細(xì)節(jié)管控

武都西隧道施工過程中，施工質(zhì)量細(xì)節(jié)控制一直是施工質(zhì)量管理的重點(diǎn)，具體有：

一是保證鋼拱架拱腳落在實(shí)處。施工過程中，清除拱腳虛渣，增加方木（20㎝×20㎝×50㎝），保證鋼拱架落實(shí)，加大圍巖的受力面積，減小鋼拱架沉降，增強(qiáng)了穩(wěn)定性；

二是嚴(yán)格控制鎖腳鋼管的施工質(zhì)量。采用L型鋼筋將鎖腳鋼管和鋼拱架進(jìn)行輔助焊接，L型鋼筋為Φ25鋼筋，長度為25cm+25cm，加大了鋼筋與鎖腳鋼管和鋼拱架的焊接面積，確保了鎖腳鋼管與鋼拱架的焊接質(zhì)量；

三是錯(cuò)開雙層鋼拱架的接茬位置。內(nèi)層I20a工字鋼和外層H175型鋼在下料時(shí)取不同長度原料，焊接時(shí)把接茬位置錯(cuò)開，間隔分布；

四是雙層鋼拱架整體受力。環(huán)向每間隔1.5m進(jìn)行10㎝的焊接，使雙層鋼拱架形成一個(gè)整體，增大支護(hù)剛性，充分發(fā)揮強(qiáng)支護(hù)的作用；

五是控制系統(tǒng)錨桿的施工質(zhì)量。系統(tǒng)錨桿要保證數(shù)量、深度，確保注漿質(zhì)量，加強(qiáng)松動(dòng)圈的整體穩(wěn)定性；

六是確保噴射混凝土的厚度和密實(shí)度。噴射混凝土?xí)r，質(zhì)檢人員現(xiàn)場(chǎng)旁站，保證混凝土密實(shí)，表面平整，無空洞、無雜物。對(duì)于超挖或者圍巖坍塌嚴(yán)重處，噴射前可預(yù)埋注漿管道，待初支混凝土滿足強(qiáng)度要求后，先采取臨時(shí)加固措施，然后泵送貧混凝土回填空腔。如果拱頂有塌腔，上述方法同樣適用；

七是速噴掌子面。掌子面圍巖本身軟弱，在開挖擾動(dòng)下，極不穩(wěn)定，易發(fā)生松動(dòng)、掉塊甚至崩塌。開挖到位后，采取先速噴掌子面，待其穩(wěn)定后再立拱架支護(hù)的措施，這樣做有助于保證作業(yè)工人的安全、掌子面圍巖的穩(wěn)定及噴射混凝土的質(zhì)量。

4、結(jié)論

通過對(duì)武都西隧道大變形段的施工總結(jié)，認(rèn)為在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下，超過圍巖等級(jí)的大變形圍巖客觀存在，在該類圍巖施工中，一定要堅(jiān)持“短進(jìn)尺、早封閉、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)”的隧道施工原則，合理的安排三臺(tái)階七步開挖法施工工序，有效的利用施工空間和時(shí)間，進(jìn)行平行流水作業(yè)，避免交叉作業(yè)的互相影響；堅(jiān)持合理的預(yù)留沉降量，盡量做到初支不侵限，二襯混凝土不超量。

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