松散圍巖隧道力學(xué)特征及其超前支護(hù)措施研究

楊建周　谷松博　郁圣維

(蒙冀鐵路有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古呼和浩特　010010)

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松散圍巖隧道力學(xué)特征及其超前支護(hù)措施研究

楊建周谷松博郁圣維

(蒙冀鐵路有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古呼和浩特010010)

摘要松散圍巖易發(fā)生掉塊、坍塌和大變形，是隧道建設(shè)中難度最大而又經(jīng)常遇到的一類圍巖。介紹松散圍巖的分類及其工程地質(zhì)評(píng)價(jià)，研究松散圍巖的力學(xué)特征，在此基礎(chǔ)上提出松散圍巖隧道超前支護(hù)的主要形式，并對(duì)不同形式的超前支護(hù)進(jìn)行對(duì)比分析。

關(guān)鍵詞松散圍巖隧道力學(xué)特征超前支護(hù)

1松散圍巖的力學(xué)特征

1.1松散圍巖的分類

松散圍巖是指結(jié)構(gòu)比較破碎或者黏聚力比較小的巖土體，一般包括破碎圍巖、未成巖的圍巖、全風(fēng)化圍巖、砂層和砂礫層圍巖、砂層黏土層互層圍巖、黃土或黃土為主體的土質(zhì)圍巖、斷層破碎帶等構(gòu)成的圍巖等。

松散圍巖不同于軟弱圍巖，軟弱圍巖的主要特征是“軟”，即圍巖的變形模量E比較小，如公式(1)所示，在同等應(yīng)力狀態(tài)下，軟弱圍巖的變形較大。因此，軟弱圍巖隧道出現(xiàn)的主要地質(zhì)問題是大變形以及大變形引起的支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞。

(1)

松散圍巖的主要特征是“散”，即圍巖的黏聚力c比較小，如公式(2)和公式(3)所示，在同等應(yīng)力狀態(tài)下，松散圍巖的抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度都較小。因此，松散圍巖隧道出現(xiàn)的主要地質(zhì)問題是掉塊、坍塌等強(qiáng)度問題。

(2)

(3)

根據(jù)圍巖的堅(jiān)硬程度，松散圍巖可以分為兩大類：堅(jiān)硬松散圍巖和軟弱松散圍巖(如表1)。

表1　松散圍巖分類

注：表中Rc表示圍巖中單個(gè)巖快的單軸飽和抗壓強(qiáng)度；Kv為巖體的完整性指數(shù)；c表示圍巖或者裂隙的黏聚力。

1.2松散地層的力學(xué)特征

(1)堅(jiān)硬松散圍巖

堅(jiān)硬松散圍巖是指巖石比較堅(jiān)硬，但節(jié)理裂隙比較發(fā)育，巖體比較破碎，即巖石的變形模量E比較大，而黏聚力c比較小。這類圍巖在隧道開挖后易發(fā)生掉塊、坍塌等破壞，但是一旦超前注漿加固或噴射混凝土等初期支護(hù)施工完成后，圍巖相互擠密，自承載能力迅速提高，隧道荷載將主要由圍巖自身承擔(dān)。初期支護(hù)和二次襯砌所受荷載較小，圍巖和隧道的變形較小，而且變形主要出現(xiàn)在開挖初期，后期變形很小。針對(duì)這類圍巖，隧道應(yīng)采用柔性支護(hù)體系，充分發(fā)揮圍巖的自承載能力，開挖前應(yīng)進(jìn)行超前支護(hù)，開挖后及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)，待初支穩(wěn)定后進(jìn)行二襯澆筑。

(2)軟弱松散圍巖

軟弱松散圍巖是指巖石比較軟，而且裂隙發(fā)育、結(jié)構(gòu)破碎，即巖石的變形模量E和黏聚力c都比較小。這類圍巖在隧道開挖后易出現(xiàn)圍巖大變形以及由大變形引起的噴層開裂掉塊、鋼拱架扭曲，甚至二襯開裂。該類圍巖自承載能力很小，支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)的荷載將逐漸增大，直至達(dá)到隧道開挖前圍巖的初始應(yīng)力值。若支護(hù)結(jié)構(gòu)不能提供足夠的支撐力，圍巖變形將隨時(shí)間持續(xù)增大，并引起支護(hù)結(jié)構(gòu)變形破壞。針對(duì)這類圍巖，隧道應(yīng)采用剛性支護(hù)體系，及時(shí)控制圍巖的變形，開挖前進(jìn)行超前支護(hù)，開挖后及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)，二襯也應(yīng)及時(shí)澆筑(如表2)。

表2　不同類型松散圍巖的力學(xué)特征及其支護(hù)措施

2松散圍巖隧道超前支護(hù)形式

不管是堅(jiān)硬松散圍巖還是軟弱松散圍巖，采用超前支護(hù)加固工作面前方圍巖是松散圍巖隧道施工的主要手段。目前，松散圍巖隧道超前支護(hù)的主要類型包括地層注漿加固、超前管棚和水平旋噴樁加固。

2.1注漿加固

對(duì)于埋深不大，且地表地形比較平緩的松散地層，可以對(duì)隧道上方及隧道周邊范圍內(nèi)的松散圍巖進(jìn)行注漿加固。一般來說，隨著埋深的增大，對(duì)施工機(jī)具和注漿技術(shù)的要求隨之增高，施工成本也隨之增大。因此，地表注漿深度不宜過大，一般小于50 m，且根據(jù)松散地層土體的性質(zhì)，采取合適的注漿材料和注漿方式。

松散圍巖的注漿方式主要包括充填注漿、裂隙注漿、滲透注漿、脈狀注漿、擠密注漿等，各注漿方式的漿液類型如表3所示。

表3　松散圍巖的注漿方式及漿液類型

2.2超前管棚

超前管棚支護(hù)是沿開挖輪廓周線鉆設(shè)與隧道軸線平行的鉆孔，而后插入不同直徑的鋼管，并向管內(nèi)注漿，固結(jié)管周邊的巖體，在預(yù)定的范圍內(nèi)與鋼架形成棚架的支護(hù)體系。

超前管棚對(duì)松散圍巖的支護(hù)作用主要表現(xiàn)在管棚在隧道縱向上的梁效應(yīng)，即在隧道縱向上構(gòu)成管棚的每一根鋼管，都類似于一根橫梁，工作面前方圍巖及后方鋼拱架是橫梁前后兩端的支撐點(diǎn)，防止了圍巖的松弛和崩塌。在隧道橫向上，由于鋼管與鋼管之間存在間隙，所以管棚在隧道橫向上的成拱效應(yīng)并不理想，細(xì)顆粒的松散砂土以及地下水會(huì)從鋼管之間的縫隙滲漏流出。因此，對(duì)于細(xì)顆粒的松散砂土或者極軟巖以及富水地層，應(yīng)增加超前小導(dǎo)管等輔助措施，或者選用水平旋噴樁等其它超前支護(hù)結(jié)構(gòu)。

管棚通?？煞譃殚L管棚和短管棚。短管棚：長度小于10 m的小鋼管，一次超前量小，基本上與開挖作業(yè)交替進(jìn)行，占用循環(huán)時(shí)間較大，但鉆孔安裝或頂入安裝較易。長管棚：長度為10～45 m，直徑較粗，一次超前量大，單次鉆入或打入長鋼管作業(yè)時(shí)間較長，但減少了安裝鋼管次數(shù)，減少了與開挖作業(yè)之間的干擾。

2.3水平旋噴樁

水平旋噴注漿是利用機(jī)械進(jìn)行鉆孔，從鉆桿前端噴射固化漿液(一般為水泥漿液)。同時(shí)，鉆桿以一定速度邊旋轉(zhuǎn)邊提升，高壓射流使一定范圍內(nèi)的土體結(jié)構(gòu)破壞，并強(qiáng)制與固化液混合，凝固后便在土體中形成具有一定性能和形狀的固結(jié)體。高壓旋噴樁法可分為單管、二重管、三重管和多重管等方法，其加固形狀也多種多樣。

水平旋噴樁對(duì)松散圍巖的支護(hù)作用主要表現(xiàn)在水平旋噴樁在隧道橫向上的拱效應(yīng)，即在隧道橫向上，水平旋噴樁相互咬合搭接，形成一個(gè)殼體支護(hù)結(jié)構(gòu)，充分利用拱效應(yīng)支護(hù)圍巖，同時(shí)具有防滲止水作用。

水平旋噴技術(shù)由高壓噴射注漿技術(shù)發(fā)展而來，在地層適應(yīng)范圍上，與高壓噴射注漿基本類似。不僅如此，水平旋噴技術(shù)適應(yīng)范圍還受水平旋噴所采用的噴射方式(單管、雙管、多重管等)影響。可適用于處理淤泥、淤泥質(zhì)土、流塑、軟塑或可塑黏性土，以及粉土、砂土、黃土、素填土和碎石土等松散地層。對(duì)于含大粒徑塊石、大量植物有機(jī)質(zhì)、以及地下水流速過大和已涌水的場地，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場適用結(jié)果確定其適用性。

3三種超前支護(hù)形式對(duì)比分析

為了對(duì)比分析地表注漿、管棚和水平旋噴樁三種超前支護(hù)對(duì)松散圍巖的加固效果，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)各種支護(hù)進(jìn)行模擬計(jì)算。以南寧至廣州鐵路大山頭隧道為例，對(duì)比分析各種超前支護(hù)的加固效果。

3.1設(shè)計(jì)參數(shù)

南寧至廣州鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速為250 km，雙線電氣化鐵路。線路位于廣東廣西境內(nèi)，全線共有隧道103座，特別是位于廣東廣西交界地區(qū)長度較短的隧道群，埋深淺，地質(zhì)上多為花崗巖地層，且全風(fēng)化層厚度大，施工過程中多次發(fā)生初期支護(hù)下沉侵限。

大山頭隧道位于廣東省云浮市郁南縣平臺(tái)鎮(zhèn)，起訖里程IDK267+150～I(xiàn)DK268+028，全長878 m(不含19 m明洞)，最大埋深43 m，隧道內(nèi)縱坡為單項(xiàng)上坡，坡度為4.004‰。洞身主要穿越第四系沖洪積層、第四系殘坡積層、燕山中期花崗巖等，花崗巖全風(fēng)化，呈飽和黏土狀，結(jié)構(gòu)松散，飽和單軸抗壓強(qiáng)度Rc<30 MPa，圍巖黏聚力c<0.5 MPa，圍巖級(jí)別為V或VI級(jí)，為典型的軟弱松散圍巖。

2011年元月10日，隧道內(nèi)正在進(jìn)行下導(dǎo)支護(hù)作業(yè)，圍巖初支出現(xiàn)異響。經(jīng)觀察，隧道初支發(fā)生開裂變形，上導(dǎo)拱部初支沿二襯接頭處(IDK267+662)發(fā)生整體斷裂下挫，初支己侵入凈空1.6 m，地表出現(xiàn)坍塌錯(cuò)臺(tái)，最大達(dá)2.4 m。

為了控制圍巖變形，分別設(shè)計(jì)了地表注漿、管棚和水平旋噴樁三種支護(hù)方案，各方案支護(hù)參數(shù)如下。

(1)地表注漿

注漿范圍為隧道中線兩側(cè)各16 m，地表面向下30 m范圍內(nèi)，如圖1所示。注漿管采用φ70、厚5 mm的PVC打孔塑料管，管壁每隔15 cm交錯(cuò)布眼，孔眼直徑為10 cm。注漿管間距1.5 m×1.5 m，梅花形布置。注漿漿液采用水泥水玻璃雙液漿。為確保注漿效果，防止地下水下滲，對(duì)洞內(nèi)部分段進(jìn)行徑向局部補(bǔ)注漿加固，加固圈為3 m，注漿材料為HSC。

圖1　地表注漿加固范圍(單位：m)

(2)管棚

采用φ108管棚，管棚長為20 m，布置在拱部120°范圍內(nèi)，管棚的環(huán)向間距一般為40 cm，外插角2°～3°。

(3)水平旋噴樁

水平旋噴樁直徑600 mm，間距400 m，長度20 m，沿隧道開挖輪廓線環(huán)向布置在拱部120°范圍內(nèi)，水平旋噴樁旋噴壓力45 MPa，漿液采用P·O425普通水泥。

3.2加固效果

通過對(duì)三種超前支護(hù)方案的數(shù)值模擬，得到三種支護(hù)形式下隧道拱頂、仰拱及工作面的變形，如表4及圖2、圖3所示，得到如下結(jié)論：

(1)采用地表注漿方案時(shí)，隧道頂拱最大沉降8.22 mm，隧道仰拱最大隆起變形10.81 mm，工作面最大鼓出變形4.34 mm。

(2)采用管棚方案時(shí)，隧道頂拱最大沉降6.15 mm，隧道仰拱最大隆起變形16.36 mm，工作面最大鼓出變形7.47 mm。

(3)采用水平旋噴樁方案時(shí)，隧道頂拱最大沉降5.20 mm，隧道仰拱最大隆起變形15.38 mm，工作面最大鼓出變形7.30 mm。

對(duì)比分析表明，水平旋噴樁支護(hù)下拱頂沉降變形最小，管棚次之，地表注漿加固下拱頂沉降大，說明水平旋噴樁支護(hù)對(duì)控制松散圍巖拱頂沉降效果最好，管棚次之，地表注漿效果相對(duì)較差。由于水平旋噴樁和管棚支護(hù)只設(shè)置在拱部120°范圍內(nèi)，邊墻及仰拱沒有設(shè)置水平旋噴樁和管棚，因此，水平旋噴樁和管棚支護(hù)下仰拱隆起變形較大，分別為15.38 mm和16.36 mm，而地表注漿加固下仰拱的隆起最小，為10.81 mm。說明在極軟巖地層，為了控制仰拱隆起變形，不僅在拱頂要設(shè)置水平旋噴樁或管棚，邊墻及仰拱也需要設(shè)置。

地表注漿提高了工作面前方圍巖力學(xué)性能，因此地表注漿加固下工作面鼓出變形最小，為4.34 mm，而水平旋噴樁和管棚支護(hù)下工作面鼓出變形分別7.30 mm和7.47 mm，說明地表注漿對(duì)控制工作面變形效果最好。如果采用水平旋噴樁或者管棚，則需要增加工作面錨桿，以控制工作面變形。對(duì)比分析水平旋噴樁和管棚兩種支護(hù)形式，水平旋噴樁對(duì)拱頂沉降、仰拱隆起及工作面鼓出變形的控制效果優(yōu)于管棚。不同超前支護(hù)類型的對(duì)比分析如表5所示。

表4　各工況開挖隧道圍巖各項(xiàng)變形參數(shù)　mm

表5　不同超前支護(hù)類型的對(duì)比分析

圖2　不同支護(hù)形式下圍巖的豎直向變形

圖3　不同支護(hù)形式下隧道工作面的鼓出變形

4結(jié)束語

松散圍巖是指結(jié)構(gòu)比較破碎或者黏聚力比較小的巖土體，一般包括破碎圍巖、未成巖的圍巖、全風(fēng)化圍巖、砂層和砂礫層圍巖、砂層黏土層互層圍巖、黃土或黃土為主體的土質(zhì)圍巖、斷層破碎帶等構(gòu)成的圍巖等。

根據(jù)圍巖的力學(xué)性質(zhì)，松散圍巖可劃分為堅(jiān)硬松散圍巖和軟弱松散圍巖兩大類。堅(jiān)硬松散圍巖是指巖石比較堅(jiān)硬，但節(jié)理裂隙比較發(fā)育，巖體比較破碎，即巖石的變形模量E比較大，而黏聚力c比較小，這類圍巖易發(fā)生掉塊、坍塌等破壞，圍巖采用注漿等加固措施后自承載能力迅速提高。堅(jiān)硬松散圍巖隧道應(yīng)采用柔性支護(hù)體系。

軟弱松散圍巖是指巖石比較軟，而且裂隙發(fā)育、結(jié)構(gòu)破碎，即巖石的變形模量E和黏聚力c都比較小，這類圍巖易出現(xiàn)圍巖大變形，圍巖自承載能力很小，支護(hù)結(jié)構(gòu)所受荷載較大。軟弱松散圍巖隧道應(yīng)采用剛性支護(hù)體系。

注漿加固、超前管棚和水平旋噴樁是目前松散圍巖隧道采用的主要超前支護(hù)形式，對(duì)比分析三種超前支護(hù)形式可知，水平旋噴樁支護(hù)對(duì)控制松散圍巖拱頂沉降效果最好，管棚次之，地表注漿效果相對(duì)較差；但地表注漿對(duì)控制仰拱隆起和工作面鼓出變形的效果要優(yōu)于水平旋噴樁和管棚。因此，在松散圍巖，尤其是軟弱松散圍巖中采用水平旋噴樁和管棚時(shí)，不僅要在拱頂120°范圍內(nèi)設(shè)置水平旋噴樁或管棚，在邊墻及仰拱也需要設(shè)置，同時(shí)應(yīng)設(shè)置工作面錨桿，以控制工作面鼓出變形。對(duì)比分析水平旋噴樁和管棚兩種支護(hù)形式，水平旋噴樁對(duì)拱頂沉降、仰拱隆起及工作面鼓出變形的控制效果優(yōu)于管棚。

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收稿日期：2016-02-02

第一作者簡介：楊建周(1966—)，男，2000年畢業(yè)于西南交通大學(xué)隧道與地下工程專業(yè)，高級(jí)工程師。

文章編號(hào)：1672-7479(2016)03-0028-04

中圖分類號(hào)：U451+.1； U455.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Mechanical Characteristics of Loose Rock Mass and its Advance Support for Tunnels

YANG JianzhouGU SongboYU Shengwei