千枚巖軟巖隧道施工技術(shù)研究

李筆全

(中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司，重慶 400707)

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千枚巖軟巖隧道施工技術(shù)研究

李筆全

(中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司，重慶 400707)

為探索適宜千枚巖軟巖隧道的施工方法，文章以該地層的紅石河隧道開挖為依托，采取數(shù)值模擬方法，研究了隧道在四種不同工法下的變形、圍巖-初期支護(hù)壓力的變化規(guī)律。研究表明：三臺階預(yù)留核心土法施工既可抑制圍巖變形，減小作用至襯砌的形變壓力，又可提供穩(wěn)定的支護(hù)力，適合千枚巖地層軟巖隧道施工。

千枚巖； 軟巖隧道； 數(shù)值模擬； 施工工法

軟巖隧道在施工中可能遇到諸如斷面縮小、襯砌裂損、拱架扭曲等變形破壞病害[1-2]，其中破碎千枚巖隧道的掘進(jìn)更是軟巖隧道施工的典型，該地層受巖體軟弱破碎、遇水軟化等特征的影響，隧道施工期間圍巖及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定較差。本文以十天高速安康東段紅石河千枚巖隧道四種施工工法為依托，采取數(shù)值模擬方法，探索了適宜千枚巖隧道的施工方法。根據(jù)紅石河隧道的施工經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了千枚巖軟巖隧道施工規(guī)律。

1 工程概況

十天高速安康東段紅石河隧道位于大坪鄉(xiāng)寬坪村五組正西方向，穿越迎新村三組山梁，到達(dá)店子溝，為雙洞分離式隧道。隧道呈曲線型展布，全長2.6 km，圍巖以IV和V為主，深埋段則以千枚巖為主，并與云母片巖、板巖和石英巖脈共生，洞身穿越多條斷層破碎帶。

本隧道內(nèi)開挖呈現(xiàn)的千枚巖為黑色至深灰色，千枚狀構(gòu)造，顯微鱗片變晶結(jié)構(gòu)，含水量大時(shí)呈團(tuán)塊狀，含水量少時(shí)為鱗片狀，片理面手感光滑，有絲絹光澤。隧道地下水位高于洞線，區(qū)內(nèi)地下水為無色、透明、無臭、無味，地下水對混凝土無腐蝕性。隧址區(qū)地下水以基巖裂隙潛層水為主，主要由大氣降水為主直接補(bǔ)給，以泉水或滲流方式排向河溝。隧道涌水量左線為5 619.5 m3/d、右線為6 202.7 m3/d。

2 富水千枚巖隧道常見災(zāi)害

隧道開挖使千枚巖原有受力平衡遭到破壞，含水量發(fā)生改變，巖石節(jié)理面錯動擠壓導(dǎo)致軟化、泥化形成滑動面，造成失穩(wěn)，失去自承能力，最終導(dǎo)致塌方、冒頂、涌泥涌砂等隧道地質(zhì)災(zāi)害。

在富水隧道排水不暢特別是反坡情況下，千枚巖會迅速泥化并不斷發(fā)展。在已經(jīng)施做完初支的富水千枚巖隧道，裂隙水由初支外側(cè)下落至拱腳，使拱腳處千枚巖含水量大大增加，千枚巖出現(xiàn)軟化、泥化，進(jìn)而使初支對圍巖變形的約束大大消弱，甚至失效。

由于富水千枚巖隧道開挖面的不平整、千枚巖失水的時(shí)間、強(qiáng)度不均勻，使得千枚巖的塑性也具有不均勻性，產(chǎn)生擠入式變形，從而對初支拱架產(chǎn)生側(cè)向應(yīng)力，使拱架出現(xiàn)扭曲側(cè)移，喪失部分支護(hù)能力，從而使千枚巖的變形和塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，直至破壞初支，出現(xiàn)各種病害。

3 富水千枚巖隧道施工方法優(yōu)選

為探索適宜千枚巖紅石河隧道的施工方法，采用 ANSYS 軟件對隧道采用三臺階預(yù)留核心土法(工法一)、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法(工法二)、三臺階臨時(shí)仰拱法(工法三)、三臺階七步開挖法(工法四)共四種工法進(jìn)行數(shù)值模擬[3-4]，通過各工況開挖后隧道變形、支護(hù)受力的詳細(xì)比較，得出優(yōu)選工法。

模型寬度方向由隧道中線向兩側(cè)各延伸50 m，高度方向取仰拱底部以下50 m，拱頂以上取實(shí)際埋深85 m、縱向取 70 m 作為數(shù)值計(jì)算范圍。部分有限元模型如圖1所示。

圖1 三維數(shù)值計(jì)算模型

3.1 不同工法下隧道變形分析

不同工法下各特征點(diǎn)變形累計(jì)值如表1所示。各工法變形量最終其計(jì)算值表現(xiàn)為工法三>工法一>工法四>工法二，均滿足位移控制要求。

表1 各特征點(diǎn)位移最終計(jì)算值 mm

拱頂下沉最不利狀態(tài)均處于上臺階開挖階段(工法二時(shí)為中間部位上臺階)。其中工法一與工法四拱頂沉降快速增長階段均為上臺階開挖前3 m至開挖后4 m；工法二時(shí)為中間部分上臺階開挖前2 m至開挖后4 m；工法三時(shí)為上臺階開挖前4 m至開挖后6 m。

工法三對掌子面前方圍巖擾動較大，加之開挖后變形收斂緩慢，掌子面穩(wěn)定性弱于其余工法。相比之下，由于工法二采用剛性分隔，工法一與工法四留設(shè)有核心土，易保證掌子面穩(wěn)定，開挖后圍巖變形能很快收斂。因此，工法一、工法二、工法四對圍巖變形的約束效果要優(yōu)于工法三。

3.2 不同工法下初期支護(hù)受力分析

圖2給出了四種工法下隧道貫通后初期支護(hù)最小主應(yīng)力。從圖中可以看出，各工法初期支護(hù)壓應(yīng)力最大值均位于拱腳附近，邊墻至拱腰部次之，仰拱處最小。

圖2 不同工法初期支護(hù)最小主應(yīng)力云圖(單位：MPa)

從數(shù)值上來看，工法二、工法三初期支護(hù)壓力值約為工法一、工法四的2倍，前兩種工法應(yīng)力值分別為11.0 MPa、13.3 MPa，后兩種工法分別為6.2 MPa、5.4 MPa。以C20混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值13.4 MPa作為評判標(biāo)準(zhǔn)可知，工法二、工法三的初期支護(hù)已經(jīng)接近承載能力極限值，此時(shí)應(yīng)提高初期支護(hù)的設(shè)計(jì)參數(shù)值，確保施工安全；工法一、工法四則因具有較大的安全儲備。

上述現(xiàn)象的原因在于：工法二、工法三均在施工時(shí)預(yù)先施作強(qiáng)度及剛度大的臨時(shí)支護(hù)體系，該臨時(shí)支護(hù)作為重要承載結(jié)構(gòu)在維護(hù)隧道穩(wěn)定的同時(shí)勢必承受較大的圍巖應(yīng)力，當(dāng)拆除臨時(shí)支護(hù)后，原來作用在臨時(shí)支護(hù)上的荷載必將轉(zhuǎn)移至隧道初期支護(hù)體系，從而使得襯砌所受應(yīng)力增大。因此，工法二、工法三施工雖可有效抑制圍巖位移，但其是以支護(hù)承受較大形變壓力為代價(jià)，此時(shí)加強(qiáng)支護(hù)特別是臨時(shí)支護(hù)，才是保證施工安全穩(wěn)定的首要任務(wù)。而工法一、工法四首要考慮的是圍巖自身的穩(wěn)定，將圍巖作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的組成部分，雖然隧道變形有所增大，但變形使得圍巖應(yīng)力得到有效釋放，對于支護(hù)結(jié)構(gòu)受力來說，襯砌更加安全。

4 工法優(yōu)選探討分析

工法一～工法四均可適用于千枚巖地層的隧道開挖，其中工法二、工法三采取臨時(shí)支護(hù)措施，保障了開挖面的安全和穩(wěn)定，但這兩種工法施工難度大、工期長、造價(jià)高。工法一、工法四不僅能達(dá)到安全控制要求，且其施工難度較低、工期短、造價(jià)低，為優(yōu)選工法。

軟巖隧道施工時(shí)應(yīng)盡量減少開挖對圍巖的擾動次數(shù)，預(yù)留合適的作業(yè)空問，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)及早封閉成環(huán)。工法四在工法一基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)化開挖步驟，致使該法施工時(shí)圍巖擾動次數(shù)增多，作業(yè)空間減小，同時(shí)在遇到破碎軟巖需要及時(shí)封閉時(shí)，工法四因多次擾動拱腳致使初期支護(hù)不易滿足及時(shí)封閉成環(huán)的要求，故該法不為最優(yōu)。

相比而言，工法一在一個施工循環(huán)進(jìn)尺內(nèi)，累計(jì)擾動圍巖4次，但其在上臺階弧形土體開挖完畢后就及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)，初期支護(hù)施作時(shí)問的縮短在一定程度上抑制了圍巖的變形發(fā)展。同時(shí)，因開挖臨空面的大小適宜，每一步開挖后開挖輪廓面較易形成拱效應(yīng)，當(dāng)應(yīng)力路徑減短且圍巖應(yīng)力釋放產(chǎn)生的二次應(yīng)力傳遞至下方時(shí)，都有由未開挖巖體與支護(hù)結(jié)構(gòu)組成的三維空間支護(hù)效應(yīng)對隧道變形進(jìn)行約束，從而保證隧道穩(wěn)定，故工法一為最優(yōu)。

5 軟巖隧道施工工法規(guī)律

根據(jù)紅石河隧道采用工法一施工的經(jīng)驗(yàn)，千枚巖軟巖隧道的施工可以總結(jié)如下：

(1)開挖前及時(shí)做好地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作。

(2)對于每分步開挖采取弱爆破的方式進(jìn)行，必要時(shí)應(yīng)采用機(jī)械開挖的方式以減少對圍巖的破壞擾動。

(3)隧道開挖與支護(hù)是相互配合的施工循環(huán)，保證開挖后支護(hù)體系及時(shí)跟進(jìn)的同時(shí)，支護(hù)參數(shù)的選取及施作時(shí)機(jī)也至關(guān)重要。根據(jù)紅石河隧道的掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，軟巖隧道開挖與支護(hù)的配合可表述為：①開挖前選取合理的加固手段進(jìn)行超前預(yù)支護(hù)；②開挖時(shí)首先采用人工風(fēng)鎬并配合機(jī)械沿掌了面由上至下開挖上弧導(dǎo)坑并預(yù)留核心土，開挖完成后沿洞壁鋪掛鋼筋網(wǎng)并初噴5 cm厚混凝土以封閉作業(yè)面，待出渣完畢后按一定順序完成上弧形導(dǎo)坑支護(hù)。③上、中、下導(dǎo)坑的開挖與上述相同，但要保證同一斷面處暴露的開挖面位于相同一側(cè)；拉槽長度(3～5 m)、馬口平臺寬度(2～3 m)應(yīng)適宜；對每分步開挖的重要環(huán)節(jié)如接腿及落底等提出明確的要求。④根據(jù)紅石河隧道開挖后洞室變形及結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定情況，二襯施作大約在初期支護(hù)完成后3星期較為合理。

(4)下臺階核心土挖除后，及時(shí)置入鎖腳錨桿并施作仰拱混凝土，在保證初期支護(hù)及時(shí)封閉成環(huán)的同時(shí)，開挖中布設(shè)的監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)按一定的頻率及時(shí)量測。

6 結(jié)論

通過十天高速安康東段千枚巖軟巖紅石河隧道數(shù)值模擬，探索了適用于富水千枚巖隧道的施工工法，主要結(jié)論如下：

(1)采用三臺階預(yù)留核心土法既可抑制圍巖變形，減小作用至襯砌的形變壓力，又可提供穩(wěn)定的支護(hù)力，故確定為隧道優(yōu)選施工工法。

(2)軟巖隧道的施工應(yīng)及時(shí)做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，開挖過程中減少擾動，開挖后及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，做好封閉，施工過程中做好監(jiān)測，以保證施工安全。

[1] 張德華，劉士海，任少強(qiáng). 基于圍巖-支護(hù)特征理論的高地應(yīng)力軟巖隧道初期支護(hù)選型研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2015，48(1)：139-147.

[2] 張志強(qiáng)，關(guān)寶樹.軟弱圍巖隧道在高地應(yīng)力條件下的變形規(guī)律研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2000，22(6)：696-700.

[3] 朱永全，宋玉香.隧道工程[M].北京：中國鐵道出版社，2015.

[4] 關(guān)寶樹，趙勇.軟弱圍巖隧道施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2011.

李筆全(1984～),男,本科,工程師，從事施工技術(shù)及管理工作。

U455.49

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[定稿日期]2016-12-20