層狀圍巖施工變形控制施工技術(shù)研究

于劍舟

摘要：根據(jù)營(yíng)盤(pán)山隧道的工程實(shí)踐，在分析強(qiáng)風(fēng)化層狀炭質(zhì)板巖圍巖變形機(jī)理的基礎(chǔ)上，研究采用弱爆破、仰拱初支與下臺(tái)階同步施工快速封閉法、優(yōu)化隧道初支結(jié)構(gòu)等施工技術(shù)以達(dá)到控制圍巖有害變形目的。分析表明，減小圍巖有害變形主要有：采用弱爆破對(duì)周邊圍巖和初支段的擾動(dòng)，圍巖變形控制效果好;臺(tái)階法施工、仰拱初支與下臺(tái)階同步推進(jìn)，縮短了初期支護(hù)封閉成環(huán)時(shí)間進(jìn)而減小圍巖變形持續(xù)發(fā)展。采用邊墻長(zhǎng)錨桿降低圍巖變形速率。

Abstract： According to the engineering practice of Yingpanshan Tunnel， based on the analysis of the deformation mechanism of strong weathered layered carbonaceous slate surrounding rock， the study uses to construction techniques， such as the weak blasting， the initial arching of the initial arch and the lower step synchronous construction， and the optimization of the tunnel initial branch， and so on， to achieve the purpose of controlling the harmful deformation of surrounding rock. The analysis shows that the reduction of harmful deformation of surrounding rock mainly includes the use of weak blasting to disturb the surrounding surrounding rock and the initial branch， and the surrounding rock deformation control effect is good; the step method construction， the initial arch and the lower step synchronously advance shortens the closed looping time of initial stage support and further reduces the deformation of the surrounding rock. The side wall long anchor rod is used to reduce the deformation rate of the surrounding rock.

關(guān)鍵詞：層狀圍巖;施工變形;控制

Key words： layered surrounding rock;construction deformation;control

中圖分類(lèi)號(hào)：U455 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）07-0142-03

0 ?引言

在隧道施工過(guò)程中，板巖、頁(yè)巖等層狀、互層狀巖體是一種較為常見(jiàn)的易碎裂沉積巖，其成分復(fù)雜，但都具有薄頁(yè)狀或薄片層狀的層理，用硬物擊打易裂成碎片。圍巖穩(wěn)定性較差，變形劇烈，施工難度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高。成昆鐵路多條隧道在穿越頁(yè)巖、砂巖等層狀、互層狀巖體時(shí)，圍巖變形劇烈，初期支護(hù)鋼架扭曲，混凝土開(kāi)裂掉塊，造成隧道施工困難，經(jīng)濟(jì)損失和工期風(fēng)險(xiǎn)巨大。

本文結(jié)合營(yíng)盤(pán)山隧道工程實(shí)踐，在分析層狀圍巖變形機(jī)理的基礎(chǔ)上，研究爆破參數(shù)優(yōu)化、臺(tái)階法仰拱快速封閉施工工法、改變隧道初支結(jié)構(gòu)、增加錨桿等方法控制變形。

1 ?工程概況

營(yíng)盤(pán)山隧道位于四川省攀枝花市仁和區(qū)啊啦鄉(xiāng)旺牛村附近溝槽進(jìn)洞，隧道穿越川滇省界過(guò)爛木橋村于云南省永仁縣他的么村村附近出洞。采用雙線分修形式，左線隧道長(zhǎng)17891m，右線隧道長(zhǎng)17934m，最大埋深約833m。隧區(qū)屬構(gòu)造剝蝕高中山地貌單元，地形起伏較大，地表覆蓋第四系全新統(tǒng)坡殘積粉質(zhì)黏土及第四系更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土、細(xì)圓礫土、粗圓礫土、卵石土、漂石土，下伏基巖為三疊系上統(tǒng)大菁組下段頁(yè)巖、砂巖夾礫巖及煤;中厚層板狀構(gòu)造，灰色-黑色，變余泥質(zhì)、鈣質(zhì)結(jié)構(gòu)，層間結(jié)合力差，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖質(zhì)較軟，巖體較破碎，局部受構(gòu)造壓力影響較大，肉皺明顯，巖層走向基本與隧道走向正交，傾角30～60，局部存在順層偏壓。

2 ?層狀圍巖變形機(jī)理分析

層狀圍巖一般為沉積巖，沉積巖經(jīng)過(guò)風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積固結(jié)的成巖過(guò)程，使得圍巖中各巖層的彈性模量、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、粘性模量等力學(xué)參數(shù)差異性大。營(yíng)盤(pán)山隧道2#斜井層狀圍巖主要由碳質(zhì)薄層板巖和頁(yè)巖組成，節(jié)理裂隙發(fā)育，穩(wěn)定性較差，其強(qiáng)度和破壞特征隨著層面的走向、傾角、層厚、層面間距等因素的變化，呈現(xiàn)出明顯的差異性，對(duì)隧道變形部位影響也不同。由于圍巖性質(zhì)、地應(yīng)力、地下水等因素的影響，使得層狀巖體變形機(jī)理較為復(fù)雜。

2.1 圍巖性質(zhì)

隧道開(kāi)挖會(huì)使圍巖的穩(wěn)定性發(fā)生改變，應(yīng)力進(jìn)行重新分布，致使原本穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面發(fā)生移動(dòng)，圍巖巖體進(jìn)一步發(fā)生碎裂。營(yíng)盤(pán)山隧道2#斜井左線大里程自DK623+400以后巖層走向、傾角、地應(yīng)力均使隧道圍巖穩(wěn)定性處于極不利的狀態(tài)，開(kāi)挖后圍巖變形非常強(qiáng)烈，裂隙發(fā)育明顯，松散，自穩(wěn)性差。層厚10～20cm，層間夾有煤層，極其松散。同時(shí)，圍巖中的地下水沿裂隙滲流致使巖體發(fā)生軟化，使圍巖產(chǎn)生較大的收斂。

2.2 彎曲變形

層狀板巖的破壞主要為彎曲變形，如頂板彎折、邊墻彎曲等。營(yíng)盤(pán)山隧道2#斜井層狀巖體可簡(jiǎn)化為薄板力學(xué)模型分析。隧道開(kāi)挖后，圍巖由于卸荷向臨空方向彎曲鼓出。隧道場(chǎng)區(qū)高地應(yīng)力又加劇了圍巖水平收斂變形，隧道呈現(xiàn)出典型的擠壓型變形。

3 ?變形情況

營(yíng)盤(pán)山隧道2#斜井2014年6月開(kāi)工，2017年3月份進(jìn)入正洞施工。正洞施工至DK623+400以后，巖層破碎程度變大，風(fēng)化程度加強(qiáng)，裂隙發(fā)育明顯，圍巖穩(wěn)定性處于極不利狀態(tài)，變形強(qiáng)烈。初支大變形造成初期支護(hù)噴混凝土開(kāi)裂、脫皮、掉塊，邊墻鋼架發(fā)生扭曲、矬斷，鋼架接頭突出，造成侵限，不得不進(jìn)行換拱處理。變形處理嚴(yán)重制約了我部的施工工期，使項(xiàng)目工期滯后。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)變形數(shù)據(jù)分析，營(yíng)盤(pán)山隧道層狀圍巖變形主要有以下特征：

①早期變形速率大，近似于直線發(fā)展，最大達(dá)80mm/d，變形難以控制和處理;

②變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，變形量大，墻身收斂數(shù)值尤其突出，最大達(dá)600mm;

③變形受開(kāi)挖擾動(dòng)影響大，上臺(tái)階開(kāi)挖及接中下臺(tái)階時(shí)均有突變;

④變形破壞力強(qiáng)，噴射混凝土開(kāi)裂掉塊，I20工字鋼扭曲，鋼架接頭突出。

4 ?采取的措施

隧道剛開(kāi)始進(jìn)入層狀地層施工后，由于對(duì)工程地質(zhì)等特性及復(fù)雜程度認(rèn)識(shí)不夠，無(wú)論從工法上還是支護(hù)措施上都出現(xiàn)了偏差，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)初支結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，噴射混凝土開(kāi)裂掉塊，拱架連接板突出，多次發(fā)生換拱。為保障現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量及項(xiàng)目施工進(jìn)度，我們必須采取強(qiáng)有力的措施，防止大變形的發(fā)生，以達(dá)到避免拆換拱架和防止隧道坍塌的目的。

4.1 掌子面采取弱爆破配合銑挖機(jī)開(kāi)挖

當(dāng)隧道施工至DK623+400以后，隧道圍巖屬于強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)板巖，較為破碎，受到巖石節(jié)理、層理發(fā)育的影響，常規(guī)的爆破開(kāi)挖超爆現(xiàn)象普遍，超挖嚴(yán)重，初期支護(hù)承受的荷載成倍增加，變形嚴(yán)重。

現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖情況對(duì)爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，爆破總體設(shè)計(jì)原則為“多打眼、少裝藥、弱爆破、少擾動(dòng)”。周邊眼布置半徑在原來(lái)的位置縮小15cm，距調(diào)整為30cm，每個(gè)周邊眼裝藥量調(diào)整為2卷，圍巖破碎部位隔眼裝藥;輔助眼間距調(diào)整為50cm，每個(gè)炮眼裝藥量減少1/3，掏槽眼間距和裝藥量也根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖情況做動(dòng)態(tài)調(diào)整。爆破開(kāi)挖后再配合銑挖機(jī)進(jìn)行輪廓修整，其低振動(dòng)、精度高的特點(diǎn)不僅減小了對(duì)周邊圍巖和初支段的擾動(dòng)，且極大的控制了隧道超挖，使得初期支護(hù)承受荷載大大減小，很好的控制了變形。

4.2 三臺(tái)階法改兩臺(tái)階，仰拱初支與下臺(tái)階同步施作

營(yíng)盤(pán)山隧道掌子面施工至DK623+400后，初支變形大，導(dǎo)致侵線，現(xiàn)場(chǎng)多次進(jìn)行初支加固、拆換。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)圍巖監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：圍巖的變形集中發(fā)生在接中、下臺(tái)階、施工仰拱初支這段時(shí)間，這段時(shí)間多次爆破擾動(dòng)、拱架多次懸空對(duì)變形影響很大，仰拱初支封閉成環(huán)后圍巖變形趨于穩(wěn)定。如何減少?lài)鷰r擾動(dòng)的次數(shù)、縮短仰拱初支成環(huán)的時(shí)間就成為控制變形的重要手段。現(xiàn)場(chǎng)施工中反復(fù)試驗(yàn)、研究，最后確定采用兩臺(tái)階、仰拱初支與下臺(tái)階同步施工的施工工法，具體步驟如下：①上、下臺(tái)階同時(shí)開(kāi)挖，進(jìn)尺1.6m（兩榀拱架），噴錨支護(hù)完成;②上臺(tái)階單工序進(jìn)行開(kāi)挖，進(jìn)尺1.6m，噴錨支護(hù)完成;③下臺(tái)階開(kāi)挖、仰拱同步開(kāi)挖，下臺(tái)階開(kāi)挖進(jìn)尺1.6m，仰拱開(kāi)挖進(jìn)尺3.2m，仰拱與下臺(tái)階同時(shí)噴錨支護(hù)完成;④利用洞碴將仰拱初期支護(hù)回填，重復(fù)上述①、②、③步驟;⑤仰拱填充的施作;⑥拱墻二次襯砌施作。

營(yíng)盤(pán)山隧道采用這種新的施工工法后減少了接中、下導(dǎo)、仰拱時(shí)的擾動(dòng)次數(shù)，初支封閉成環(huán)時(shí)間大大縮短，對(duì)控制變形取得了很好的效果，施工進(jìn)度也得到了提高，各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比如表1。

4.3 優(yōu)化初期支護(hù)參數(shù)，提高初期支護(hù)的強(qiáng)度和剛度

初期支護(hù)由噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼拱架等組成，各部分聯(lián)合受力，保證隧道開(kāi)挖后圍巖的穩(wěn)定。原設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)為16工字鋼，間距80cm，鋼筋網(wǎng)為？準(zhǔn)8鋼筋焊接，網(wǎng)格間距20cm，噴射混凝土厚度23cm。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的地質(zhì)特性，項(xiàng)目部經(jīng)與監(jiān)理、設(shè)計(jì)、業(yè)主溝通后，對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，增強(qiáng)支護(hù)能力，提高初期支護(hù)的強(qiáng)度和剛度，通過(guò)初期支護(hù)來(lái)限制和抵抗變形。

①將鋼拱架型號(hào)調(diào)整為22b，間距調(diào)整為80cm，鋼架之間除采用？準(zhǔn)22鋼筋進(jìn)行縱向連接外，增加型鋼連接，增強(qiáng)整體的初支穩(wěn)定性和剛度。（圖3）

②原設(shè)計(jì)鋼筋網(wǎng)為單層，優(yōu)化后改為雙層鋼筋網(wǎng)，隨受?chē)娒娴钠鸱佋O(shè)，并與錨桿連接牢固，增強(qiáng)初期支護(hù)的穩(wěn)定性。

③噴射混凝土厚度調(diào)整為29cm，保證支護(hù)能力的發(fā)揮和支護(hù)效果的實(shí)現(xiàn)。

④根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)變形特點(diǎn)，結(jié)合監(jiān)控量測(cè)變形數(shù)據(jù)，適當(dāng)加大預(yù)留變形量至40cm。

4.4 長(zhǎng)錨桿施工增強(qiáng)圍巖自身穩(wěn)定，降低變形速率

錨桿支護(hù)對(duì)圍巖的加固作用機(jī)理較為復(fù)雜，但是相對(duì)于鋼架支撐、混凝土墻支護(hù)這些被動(dòng)支護(hù)，它是一種主動(dòng)的加固措施。其力學(xué)作用主要表現(xiàn)在加固作用、懸吊作用、組合梁作用。

①長(zhǎng)錨桿深入巖層，與巖體結(jié)合在一起，形成一個(gè)整體，當(dāng)圍巖因外界力量破壞時(shí)，最大限度的調(diào)動(dòng)巖土介質(zhì)內(nèi)的強(qiáng)度和黏結(jié)力，充分發(fā)揮圍巖的承載能力，增強(qiáng)巖體抗變形能力。

②1952～1962年路易斯 阿·帕內(nèi)科（Louis A·Panek）等經(jīng)過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，發(fā)表了懸吊理論，懸吊理論認(rèn)為錨桿支護(hù)的作用是將巷道頂板較軟弱巖層懸吊在上部穩(wěn)固的巖層上。對(duì)于我部的層狀圍巖來(lái)說(shuō)，直接頂板均有彎曲下沉變形趨勢(shì)，錨桿能及時(shí)將其擠壓，并懸吊在老頂上，直接頂板就不會(huì)與老頂板離層乃至脫落，極大程度的保持了圍巖自身的穩(wěn)定性。

③組合梁理論認(rèn)為巷道頂板中存在著若干分層的層狀頂板，可看作是由巷道兩端作為支點(diǎn)的一種梁，支承其上部的巖層載荷。錨桿將各層結(jié)合成一個(gè)整體的組合梁，對(duì)巖層的移動(dòng)產(chǎn)生了一定的阻礙，增大了巖層間的摩擦力，防止巖石沿層面滑動(dòng)，避免各巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象。

原設(shè)計(jì)錨桿長(zhǎng)4m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖實(shí)際情況，經(jīng)四方溝通后，將錨桿長(zhǎng)度調(diào)整為6m，梅花型布置，全環(huán)施作。通過(guò)錨固，使支護(hù)結(jié)構(gòu)受力均勻，起到聯(lián)合支護(hù)的作用，增強(qiáng)了圍巖自身的穩(wěn)定和抗變行能力，降低了變形速率。

4.5 優(yōu)化隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸，使得隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力更合理

營(yíng)盤(pán)山隧道為單線隧道，凈空尺寸較小，原設(shè)計(jì)仰拱厚度較薄，抗收斂能力差。我們?cè)谑┕み^(guò)程中通過(guò)與設(shè)計(jì)單位的研究，把原來(lái)的隧道結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了調(diào)整，將中、下導(dǎo)寬度各增加20cm左右，仰拱深度增加60cm，具體如下圖（虛線為原設(shè)計(jì)斷面，實(shí)線部分為修改后的斷面）。調(diào)整后的斷面更似一個(gè)“雞蛋”，當(dāng)其承受壓力時(shí)，將受力均勻的傳給周?chē)溆喔鞑糠?，并且巧妙的相互進(jìn)行“抵消”，從而減少作用效果，增加了隧道初期支護(hù)抗收斂能力，這種結(jié)構(gòu)的隧道襯砌受力更加合理。

4.6 將監(jiān)控量測(cè)納入工序管理，對(duì)變形進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理

監(jiān)控量測(cè)是隧道施工管理的重要組成部分，它不僅能指導(dǎo)施工，預(yù)報(bào)險(xiǎn)情，確保安全，而且通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)獲得圍巖動(dòng)態(tài)的信息，為修正和確定支護(hù)參數(shù)提供信息依據(jù)，為完善隧道工程設(shè)計(jì)與指導(dǎo)施工提供足夠可靠的數(shù)據(jù)支撐。

首先，對(duì)目測(cè)觀察予以足夠的重視，隨時(shí)注意圍巖的巖性和分布情況變化，節(jié)理裂隙發(fā)育程度和方向，噴砼是否產(chǎn)生裂隙，鋼架是否壓彎，當(dāng)圍巖變形量無(wú)變緩趨勢(shì)或噴砼產(chǎn)生較大的剪切狀態(tài)時(shí)立即停止開(kāi)挖，加強(qiáng)支護(hù)，保證安全。

其次，勤量測(cè)。開(kāi)挖工作面觀察在每次開(kāi)挖完成后進(jìn)行，每天進(jìn)行一次;已完初期支護(hù)及時(shí)進(jìn)行全斷面監(jiān)控量測(cè)，保證每天一次，隨時(shí)掌握初期支護(hù)的狀態(tài)，指導(dǎo)和確定二次襯砌施作時(shí)間。

將監(jiān)控量測(cè)納入工序管理，在施工中進(jìn)行信息化動(dòng)態(tài)管理，達(dá)到確保工程質(zhì)量、施工安全和進(jìn)度，合理控制投資的目的。

5 ?取得的成效

目前營(yíng)盤(pán)山隧道已施工完畢，經(jīng)過(guò)施工工法改變、參數(shù)優(yōu)化，加強(qiáng)施工管理，經(jīng)濟(jì)效果顯著，為隧道安全、經(jīng)濟(jì)、快速施工提供了保障，并為以后類(lèi)似圍巖隧道的施工提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

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