廣大線祥和隧道圍巖大變形、坍塌處理技術(shù)研究

李新荔

摘要：廣大線祥和隧道圍巖復(fù)雜多變，施工中遇到軟巖大變形地帶，不良地質(zhì)引發(fā)多起初支變形開裂、失穩(wěn)破壞、超限、坍塌等問題。通過對隧道軟弱圍巖變形的原理及特征進行分析及總結(jié)后，施工時采取增強支護體系剛度、設(shè)置超前導(dǎo)洞、預(yù)留合理變形量、設(shè)置長錨桿、超短三臺階法開挖和二砌緊跟等系列綜合技術(shù)措施控制了圍巖的變形，確保了隧道結(jié)構(gòu)安全和施工順利進行。

Abstract： The surrounding rock of Xianghe tunnel in Guangtong-Dali Railway is complex and changeable. The soft rock large deformation zone is encountered during construction， and the bad geological conditions cause many problems such as initial deformation， cracking， instability， failure， overrun and collapse. After analyzing and summarizing the principle and characteristics of the deformation of the weak surrounding rock of the tunnel， a series of integrated technical measures are taken， such as， enhancing the rigidity of support system， setting the advanced pilot hole， reserving the reasonable amount of deformation， setting the long bolt， using the ultra-short three-step excavation method， and so on， so that the deformation of the surrounding rock is controlled and the safety of the tunnel structure and the smooth construction are ensured.

關(guān)鍵詞：鐵路隧道；軟巖大變形；導(dǎo)洞釋壓；超短三臺階法；長錨桿

Key words： railway tunnel；large deformation of soft rock；pressure relief of pilot hole；ultra-short three-step method；long bolt

中圖分類號：U451.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）12-0112-03

0 引言

當鐵路或是公路隧道穿越高壓應(yīng)力地層或是遇到軟弱大變形圍巖時，常出現(xiàn)初支或襯砌變形超限、開裂，甚至引起隧道圍巖坍塌等地質(zhì)災(zāi)害，不僅危及隧道的結(jié)構(gòu)安全和施工安全，且施工處理難度大，成本高，工期長，成為了困擾地下工程施工的重大難題。

隨著我國基礎(chǔ)建筑的迅猛發(fā)展，更多的隧道等地下工程修建于地質(zhì)條件復(fù)雜的地帶，且隧道更趨于長大、深埋。故隧道施工時常常遭遇軟弱大變形圍巖。如何在確保造價及工期的基礎(chǔ)上有效控制軟弱圍巖大變形等地質(zhì)災(zāi)害，成為廣大工程技術(shù)人員所需面對和解決的難題。

1 工程概況

廣大鐵路祥和隧道起訖里程D1K149+274～D1K159+494，全長10220m，為雙線隧道，最大埋深約705m。全隧除D1K148+648～D1K149+695、D1K157+771～D1K159+494段分別位于半徑R=5004.5和R=2804.53的右偏曲線外，其余地段均為直線；線路縱坡為人字坡，分別為5.0‰上坡和4.8‰下坡。

祥和隧道屬Ⅰ級風險隧道，該隧斷層影響帶長度共1880m；侵入巖接觸帶長度共1280m；可溶巖與非可溶巖接觸帶510m；極軟弱、極破碎、巖溶強烈發(fā)育或富水巖體的V級異常段470m，風險段落總長4140m，占隧道總長的40.5%。存在的主要安全風險有軟巖大變形、塌方、突水涌泥，次生風險有環(huán)境和工期風險。

2 軟弱圍巖變形情況

祥和隧道2013年3月開工至2013年11月底，出現(xiàn)大變形段落達到980m，大型塌方20次，小型塌方不斷，圍巖極軟弱，褶曲嚴重，層間擠壓劇烈，產(chǎn)狀凌亂，在開挖后正洞最大收斂達到2.2m。部分段落初支變形超限、開裂（如圖1所示）。正洞D1K156+617因變形過大，發(fā)生坍塌（如圖2所示）。為了處理以上地質(zhì)災(zāi)害，不僅投入了大量的成本，且嚴重地影響到了工期，給隧道的施工造成極大困難。因此，研究軟弱圍隧道變形的特征及處理措施，對于確保隧道的順利建設(shè)及降低工程造價有著重要的意義。

3 軟弱圍巖變形原因及特征

經(jīng)對上述軟弱圍巖變形地段進行勘測和對監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)進行分析研究，并提請地質(zhì)專家進行地質(zhì)調(diào)查，得出祥和隧道變形的原因及基本特征：

①出現(xiàn)大變形地段的圍巖為強度較低的軟質(zhì)巖及侵入巖，且含有膨脹性的巖石，為出現(xiàn)變形提供了物理及化學方面的基礎(chǔ)。②變形地段隧道埋深約250～700m。圍巖本身具有較高地應(yīng)力。且圍巖抗壓強度較低，故應(yīng)力強度比較高，膨脹變形風險大。③隧道沿線地下水豐富，水對軟巖的軟化影響為圍巖發(fā)生大變形起到了重要的促進作用。巖石的變形類型基本為塑性流動及彎曲變形。④圍巖變形持續(xù)時間較長，且變形量大。變形量15d內(nèi)達到總變形量的80%，在隨后2個月時間內(nèi)，變形量基本全部完成。

4 隧道軟弱圍巖大變形的施工控制技術(shù)

4.1 應(yīng)力釋放試驗成果

在高地應(yīng)力情況下，如果僅一味地提高支護強度以抵制變形，不僅會使施工成本大幅增加，同時也嚴重影響了施工進度，本隧道采取了設(shè)置超前導(dǎo)洞進行應(yīng)力及變形釋放的技術(shù)，即通過設(shè)置超前導(dǎo)洞釋放圍巖應(yīng)力，超前導(dǎo)洞在壓應(yīng)力作用下充分變形，初支前釋放了部分圍巖應(yīng)力及形變，地應(yīng)力得以重新分布，形成適應(yīng)新結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)，從而大幅減少了初支后圍巖壓力及變形值。

導(dǎo)洞大小為6m寬×4.5m高的曲墻斷面，導(dǎo)洞中心線與正洞中心線重合，導(dǎo)洞拱頂距正洞拱頂2.0m，導(dǎo)洞掌子面超前正洞掌子面30m。

導(dǎo)洞采取全斷面開挖，導(dǎo)洞初支在考慮結(jié)構(gòu)安全的情況下盡量柔性設(shè)計，以使圍巖充分釋放地應(yīng)力及變形，導(dǎo)洞初期支護參數(shù)如下：鋼架采用I18b工字鋼，按間距為1.0m布設(shè)，噴24cm厚網(wǎng)噴砼，增設(shè)長2.5m的？準系統(tǒng)錨桿，環(huán)向及縱向間距均為1.5m，并設(shè)長5m？準42超前小導(dǎo)管。

平均拱頂下沉值由54.3mm降為26.3mm，減少了51.6%。平均水平收斂值由240.23mm降為166.94mm，減少了30.5%。

分析結(jié)果表明，設(shè)置超前導(dǎo)洞后，正洞擴挖后的變形值大幅減小。說明超前導(dǎo)洞有效釋放地應(yīng)力，加快了圍巖變形，大幅降低了初支后的變形幅度。

4.2 提高初支整體剛度及承載能力

為了以抵制地應(yīng)力及地層的變形，本隧道不僅增強鋼架、噴射砼等支護本身的剛度以提高初支剛度和承載能力。還通過設(shè)置錨桿及注漿等加固措施使支護結(jié)構(gòu)與圍巖聯(lián)系成穩(wěn)定的承載系統(tǒng)，采取的措施有：

墻身及拱部原間距為1.5m（縱、環(huán)向）的？準32中空注漿錨桿，加密為1.5m（縱）×1.0（環(huán)），長度由原4m加長至8m，錨桿采取體內(nèi)及體外結(jié)合注漿，漿液水灰比控制在0.6左右；將原間距0.6m的I20b工字鋼鋼架，調(diào)整成間距0.6m的雙層HW175型鋼鋼架，呈品字形布置，并在每榀鋼架上、中、下臺階拱腳各設(shè)置2根9mΦ75中管棚鎖腳，鋼管尾端50cm加工成尖型，尾部1m范圍開設(shè)注漿孔眼，打設(shè)位置在接頭鋼板以上30cm處，鎖腳采用雙液漿注漿，水灰比控制在0.5左右，為保證漿液流動性，加入適量的減水劑。

初支設(shè)置雙層鋼筋網(wǎng)，拱架施做完成后，第一層鋼筋網(wǎng)在拱架外沿與連接鋼筋相連，噴射砼至一半厚度左右。在鋼架外沿翼板內(nèi)側(cè)鋪設(shè)第二層鋼筋網(wǎng)，待下一循環(huán)施工時補噴到位。采用？準8鋼筋網(wǎng)片，第一層網(wǎng)眼尺寸15×15cm，第二層網(wǎng)眼尺寸20×20cm。

超前支護采用？準42小導(dǎo)管，長6m，每環(huán)39根，環(huán)向間距30cm，搭接長度1.5m。為減小掌子面前方拱部掉塊，掘進開挖時盡量保證掌子面垂直度，拱架與掌子面密貼，減小臨空面，避免坍塌。拱架與掌子面不能密貼時，采用連接筋頂至掌子面并布設(shè)網(wǎng)片。距離大時，小導(dǎo)管上方鋪設(shè)？準6鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)片網(wǎng)眼間距15×15cm。在噴射砼時將前沿部分網(wǎng)片外側(cè)噴12～15cm砼，將網(wǎng)片包裹。遇有坍塌空腔時，噴射砼前預(yù)埋注漿管，在下循環(huán)噴砼完成后注漿。

4.3 采用超短三臺階法掘進

采用超短三臺階法掘進，上、中臺階長度5m，仰拱距下階15～20m，二次襯砌距，仰拱前端不得超過50m，各工序間距見圖4。

人工風鎬配合挖掘機掘時，必要時輔以弱爆破。

挖掘機或是弱爆破開挖下部斷面，人工用風鎬開挖及整修成輪廓。開挖后立即噴砼4～6cm封閉開挖面，隨后噴錨網(wǎng)、型鋼架立等初支的作業(yè)。及時澆筑仰拱砼，緊跟襯砌模注砼。

4.4 預(yù)留合適的變形量

對監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)進行分析，隨時掌握圍巖變形情況，并研究確定預(yù)留變形量的基準值。通過適當加大預(yù)留變形值，使圍巖在高應(yīng)力情況下蘊含的變形勢能得到充分釋放后，再進行強支護，不僅確保了支護系統(tǒng)的安全性，且可有效降低支護所需強度，從而節(jié)約了施工成本。

本項目拱墻預(yù)留變形量不同，通常拱頂預(yù)留變形值60cm，水平收斂預(yù)留變形值80cm，并根據(jù)不同段落圍巖及地下水發(fā)育情況實行動態(tài)控制，防止初支超限。

4.5 盡量減少對圍巖的擾動

監(jiān)測量測數(shù)據(jù)表明，采用爆破掘的強振動為加劇圍巖變形的不利影響，為了控制圍巖的變形發(fā)展，采取如下措施控制掘進：①對于圍巖破碎段落，盡量采用機械配合人工開挖，以避免爆破產(chǎn)生的振動影響。②部分圍巖較為完整地段，挖掘機難以挖掘時，盡量采用銑挖機進行銑挖，以避免爆破開挖。③如果需爆破開挖時，嚴格控制爆破參數(shù)，循環(huán)進尺控制在0.5～1m范圍內(nèi)，減少齊爆裝藥量，并采取減弱振動的控爆技術(shù)及措施。

4.6 選擇澆筑二次襯砌的時機，有效控制大變形

《鐵路隧道施工及驗收規(guī)范》規(guī)定，當隧道變形及收斂速率小于0.2mm/d后方可進行二次襯砌的澆筑。但作為對于圍巖大變形隧道，其變形總量大，持續(xù)時間長，在變形及收斂速率還遠超0.2mm/d時，初支就已因變形過大而破壞，因此本隧道施工時根據(jù)實際變形控制要求及變形監(jiān)測值進行回歸分析后，認為祥和隧道變形速率小于3mm/d為澆筑襯砌的較佳時機，能在確保襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，還可以有效減少變形的最終值。

4.7 采用長錨桿控制圍巖大變形

以往工程實踐表明，長錨桿能夠有效控制隧道軟巖圍巖的變形，因為長錨桿外端能夠穿過軟弱圍巖的塑性區(qū)而錨固在堅固的基巖上，使得錨桿可以承受較大的圍巖變形應(yīng)力。祥和隧道軟弱圍巖的塑性區(qū)厚度經(jīng)計算，在4～6m之間。根據(jù)以上計算結(jié)果，將原4m長的系統(tǒng)錨桿加長，拱部為長8m？準32中空注漿錨桿，邊墻為長8m？準32砂漿錨桿。

5 加強監(jiān)控量測，動態(tài)控制施工

因祥和隧道地質(zhì)情況復(fù)雜多變，在施工時科學組織監(jiān)控量測、加強地質(zhì)超前預(yù)報，對圍巖變形進行了動態(tài)控制的工作顯得尤為重要。

在祥和隧道施工時，采取水平地質(zhì)鉆孔、TSP203地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)及地質(zhì)雷達等技術(shù)方法進行地質(zhì)預(yù)報工作，能夠較準確地掌握隧道前方的地質(zhì)情況，從而為提前制訂針對性的施工控制措施及方法提供了依據(jù)。

施工期間，按照規(guī)范及設(shè)計要求，持續(xù)對拱頂沉降、邊墻水平變形收斂進行了監(jiān)控量測。同時對錨桿軸力、拱架應(yīng)力、襯砌應(yīng)力等進行監(jiān)測。以上工作由專門的監(jiān)控量測小組按規(guī)程要求進行，保障了監(jiān)測工作的及時性和量測數(shù)據(jù)的準確性。

采用專門的軟件對數(shù)據(jù)進行回歸分析、變形及回歸曲線繪制和數(shù)理統(tǒng)計，確保了數(shù)據(jù)處理工作高效、結(jié)果即時可得、科學預(yù)測、分析準確。使得施工現(xiàn)場能夠根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果及時進行了支護參數(shù)的調(diào)整，預(yù)先采取科學有效的控制措施、合理適當?shù)念A(yù)留變形量和襯砌澆筑時機，達到了有效控制變形、保證結(jié)構(gòu)安全、加快施工進度的目的。

6 結(jié)束語

根據(jù)祥和隧道軟弱圍巖大變形的特性及規(guī)律，以新奧法思想作為指導(dǎo)，提高支護體系的剛度，并設(shè)置長錨桿使初支與圍巖形成承載共同體，從而確保隧道結(jié)構(gòu)整體抵制變形的能力。同時設(shè)置導(dǎo)洞對圍巖進行部分卸壓及變形釋放。采用超短臺階法掘進、低振動控制爆破及機械開挖等施工技術(shù)，以減少對圍巖的擾動。最終成功達到了控制圍巖隧道變形的目的，對隧道施工技術(shù)的發(fā)展進步起一些積極作用。

盡管經(jīng)過祥和隧道的施工，在圍巖大變形控制措施及技術(shù)方面取得了一些技術(shù)成果，但地質(zhì)情況及圍巖變形機理非常復(fù)雜，控制圍巖大變形的施工方案及方法仍然處于一個不斷認識及提高的階段，實際施工時要根據(jù)具體情況對控制變形方案、措施及方法進行調(diào)整、優(yōu)化。

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