淺談高原隧道軟弱圍巖變形控制措施

王福聰

【摘要】 隨著國家交通事業(yè)的不斷發(fā)展，高海拔、高寒地區(qū)的隧道施工也會更多地被我們接觸，如何降低高寒條件下圍巖凍脹對隧道施工的影響，如何控制高原隧道軟弱圍巖的變形以及提高隧道超欠挖的控制水平，直接影響到高原項目隧道施工的安全、質(zhì)量、進(jìn)度和效益。本文根據(jù)花久公路扎果隧道施工經(jīng)驗，針對高海拔的圍巖特性，采取相適應(yīng)的的初支加強(qiáng)、防排水等措施，有效地控制了初支沉降變形，保證了安全質(zhì)量，提高了施工進(jìn)度。

【關(guān)鍵詞】 高原 凍土 初支加強(qiáng) 防排水

1.工程概況

花久公路扎果隧道位于青海省果洛州久治縣門堂鄉(xiāng)，地處青藏高原東南部，平均海拔4000米以上，為高山峽谷區(qū)，人煙稀少，生態(tài)環(huán)境脆弱。設(shè)計為雙向四車道分離式公路隧道，設(shè)計時速80km/h，隧道主洞設(shè)計建筑限界寬×高為：2×（10.25×5）米。最大埋深為235.5米。其中左線進(jìn)口淺埋段260m，右線進(jìn)口淺埋段250m，淺埋段埋深僅為4～45m。

1.1 地形地貌

扎果隧道隧址區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地表少有泉水出露，沖溝發(fā)育，隧道兩側(cè)均有水量較大的沖溝，且溝底標(biāo)高均高于隧道拱頂標(biāo)高。隧道進(jìn)口地段草沼極發(fā)育，地表見有大量的積水坑，水深0.3-0.8米。

1.2 水文地質(zhì)條件

由于隧道進(jìn)口地形平緩，第四系松散層中粉粒含量較大，地表徑流、排泄不暢等因素，在該地段形成上層滯水，在后期生物、化學(xué)作用下，形成特殊的水草地等特殊巖土，對工程存在不利影響。

1.3 不良地質(zhì)

隧道進(jìn)口處高海拔區(qū)，冬季多積雪、冰凍天氣，區(qū)內(nèi)降雨量較大。隧道進(jìn)口為斜坡地帶，覆蓋層較厚，巖體破碎，巖土層富水性較強(qiáng)，在冬季，隧道進(jìn)口地帶多涎流水現(xiàn)象，對隧道施工影響較大。

隧道進(jìn)口位于水草地內(nèi)，水草地主要物質(zhì)成分以粉粒為主，包含角礫成分，厚度1.0-3.0m不等，松散-稍密狀，含腐殖質(zhì)成分。下部為沖積、坡積等成因卵石、碎石。該層土受水位、含水層厚度、含水量等影響，凍土上限埋深一般為1.6-2.5m，凍脹性強(qiáng)，對隧道施工影響很大。

2.現(xiàn)場實際水文地質(zhì)情況及出現(xiàn)的問題

2.1 現(xiàn)場實際水文地質(zhì)情況

隧道邊仰坡開挖后滲水量大：尤其左洞左側(cè)邊仰坡相交處、右洞仰坡面及右側(cè)邊仰坡相交處水流呈線狀多股涌出。邊仰坡開挖暴露出圍巖為泥巖夾砂礫，巖體極破碎，多呈散體狀結(jié)構(gòu)，自穩(wěn)能力極差，邊仰坡經(jīng)涌水沖刷侵泡后極易坍塌，尤其右洞洞口邊仰坡開挖暴露出圍巖為黑色泥巖，無自穩(wěn)能力。

在施工過程中洞身暴露出圍巖為碳質(zhì)泥巖夾強(qiáng)風(fēng)化砂巖，充填粉土，圍巖節(jié)理裂隙極發(fā)育，圍巖極破碎，呈散粒狀結(jié)構(gòu)，掌子面自穩(wěn)性極差。且裂隙水發(fā)育，滲水量大，掌子面圍巖經(jīng)涌水沖刷極易坍塌。其中左線ZK143+462處發(fā)生過涌水突泥。洞身初支結(jié)構(gòu)沉降較大，尤其在中下臺階施工時初支結(jié)構(gòu)沉降最大。

2.2 施工中出現(xiàn)的問題

扎果隧道于2013年9月進(jìn)入洞身施工，在施工中下臺階時初支結(jié)構(gòu)最大日平均變形量達(dá)到6cm以上，變形最大點累計變形量達(dá)1m以上。隧道沉降收斂較大導(dǎo)致初支結(jié)構(gòu)開裂，噴射混凝土脫落，工字鋼由于無法承受巨大擠壓力導(dǎo)致扭曲變形。嚴(yán)重的初支收斂下沉造成初支結(jié)構(gòu)局部已侵入二襯凈空。

2.3 原因分析

扎果隧道左右線進(jìn)口淺埋段洞身開挖暴露出圍巖為深灰色碳質(zhì)泥巖夾強(qiáng)風(fēng)化砂巖，呈散體狀結(jié)構(gòu)，巖層極破碎、軟弱，節(jié)理裂隙極發(fā)育，節(jié)理面成垂直狀，巖體完整性極差，無自穩(wěn)能力，成洞條件極差。掌子面滲水較大，呈股狀出水。

雨季時（或凍土融化），水量變大，排水困難；凍土融化時，巖土體強(qiáng)度極低，呈流塑狀，成洞極為困難。受反復(fù)凍融作用，裂隙張開，強(qiáng)度降低，極易變形產(chǎn)生熱融沉降。

洞身開挖后圍巖暴露遇水有膨脹性，由于圍巖無自穩(wěn)能力，圍巖應(yīng)力隨著臨空面的產(chǎn)生不斷釋放，在施工中下臺階及仰拱時，圍巖應(yīng)力釋放已累積到一定程度并不斷傳遞到初支結(jié)構(gòu)上，隨著初支結(jié)構(gòu)受力的不斷累積，達(dá)到受力臨界點而產(chǎn)生突變，鋼架扭曲變形成麻花狀，采用20b工字鋼無法滿足圍巖受力要求。

3.控制措施

3.1 支護(hù)加強(qiáng)措施

3.1.1 將超前小導(dǎo)管加密。原設(shè)計φ42×4mm超前小導(dǎo)管長3.0m，環(huán)向間距30cm，縱向排距180cm。將超前小導(dǎo)管縱向間距加密成120cm。增加超前支護(hù)剛度，減少初期支護(hù)與超前支護(hù)之間巖土厚度，控制開挖支護(hù)過程中圍巖掉塊或局部坍塌。

3.1.2 將初期支護(hù)型鋼加強(qiáng)。原設(shè)計初期支護(hù)采用20b工字鋼，間距60cm，C25纖維噴射混凝土厚26cm。將初期支護(hù)型鋼加強(qiáng)為I25a工字鋼，間距不變，C25纖維噴射混凝土厚31cm。由于變形原因主要為初支剛度偏弱，無法承受圍巖應(yīng)力導(dǎo)致鋼架變形而引起整個初支結(jié)構(gòu)收斂下沉。因此增加鋼架剛度及噴射混凝土厚度能增強(qiáng)整個初支結(jié)構(gòu)受力。

3.1.3 將初支型鋼整體連接加強(qiáng)，落腳受力面積增大。將型鋼鋼架拱腳采用I16工字鋼縱向連接，增強(qiáng)初支結(jié)構(gòu)整體受力能力；在型鋼拱腳采用槽鋼墊實，增大型鋼落腳受力面積?？刂瞥踔ЫY(jié)構(gòu)下沉。

3.1.4將初期支護(hù)鎖腳加強(qiáng)。原設(shè)計在型鋼連接每處施工兩根Φ25中空錨桿，長3.5米。將鎖腳改為Φ42×4mm錨管，在型鋼連接每處施工四根，長度不變，并且從型鋼腳兩側(cè)加焊鋼構(gòu)件耳朵中穿過，鎖腳錨管下插角度控制在30～40°，鎖腳錨管與型鋼用“7”型螺紋鋼滿焊連接。這樣能增強(qiáng)鎖腳剛度及受力能力。

3.1.5 在設(shè)計基礎(chǔ)上適當(dāng)加大預(yù)留變形量，并且施工中加強(qiáng)監(jiān)控量測，如果發(fā)現(xiàn)初支結(jié)構(gòu)收斂沉降異常，及時在中臺階位置增加臨時仰拱，臨時仰拱采用20b工字鋼，縱向間距0.6m，采用Φ22螺紋鋼縱向連接，并用厚26厘米C25噴射混凝土封閉。這樣能對初支結(jié)構(gòu)臨時封閉成環(huán)，讓其成為整體，能較好地控制初支結(jié)構(gòu)變形。

3.1.6 如局部初支結(jié)構(gòu)變形開裂嚴(yán)重，應(yīng)為該初支背后圍巖擠壓初支程度較大，可考慮徑向小導(dǎo)管注漿加固處理。采用Φ42×4mm小導(dǎo)管，長3m，間距0.6×1.0m（縱*環(huán)，間距及長度可以根據(jù)實際情況調(diào)整）。注漿材料一般采用1：1水泥凈漿。

3.2 防排水加強(qiáng)措施

針對高海拔軟弱圍巖，對施工最大影響是滲水。圍巖遇水易變軟；圍巖有水在高寒地區(qū)發(fā)生凍融作用易導(dǎo)致初支結(jié)構(gòu)下沉。

因此，應(yīng)加強(qiáng)對圍巖滲水的處理及引排。首先，在初支背后安裝盲管，將圍巖裂隙水引入綜合排水系統(tǒng)。其次如果初支結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大滲水，可以采取徑向小導(dǎo)管注漿止水，一般采用Φ42×4mm小導(dǎo)管，間距及長度可以根據(jù)實際情況確定。注漿材料采用水泥、水玻璃雙液漿。另外在高海拔環(huán)境下，綜合排水系統(tǒng)必須采取保溫措施，橫向排水管采用保溫管，中心排水管埋深必須深于本地區(qū)凍土深度，出水口作保溫處理。通過這些堵排水措施將圍巖滲水及時引入綜合排水系統(tǒng)，盡量減少圍巖凍脹作用，降低對隧道結(jié)構(gòu)的影響。

3.3 仰拱、二襯及時跟進(jìn)

在初支結(jié)構(gòu)變形有效控制的情況下，加快仰拱、二襯的施工，及時封閉成環(huán)，保證安全步距。

4.結(jié)論與建議

通過上面采取的一系列措施，目前對扎果隧道軟弱圍巖段初支結(jié)構(gòu)的變形控制已經(jīng)取得了一定的效果，初支結(jié)構(gòu)整體收斂沉降較少（從上臺階施工到仰拱施工完變形累計一般控制在30cm左右，仰拱施工完初支結(jié)構(gòu)一般已經(jīng)趨于穩(wěn)定），初支外觀較好。有效地控制了超欠挖，仰拱二襯能有序跟進(jìn)，保證了安全質(zhì)量，施工進(jìn)度也有了較大的提高。

參考文獻(xiàn)：

1.武憼民 汪雙杰 章金釗.多年凍土地區(qū)公路工程.人民交通出版社

2.大武至久治公路擴(kuò)建工程兩階段施工圖設(shè)計.青海省公路科研勘測設(shè)計院