隧道工程軟弱圍巖大變形控制體系及應(yīng)用分析

馬友博

（中鐵十六局集團(tuán)第二工程有限公司，天津市 300162）

隧道工程軟弱圍巖大變形控制體系及應(yīng)用分析

馬友博

（中鐵十六局集團(tuán)第二工程有限公司，天津市 300162）

隧道項(xiàng)目施工時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)軟弱圍巖體，若處理不正確很容易產(chǎn)生圍巖大變形等隱患。為確保隧道項(xiàng)目的正常施工，要嚴(yán)格重視軟弱圍巖大變形的防御和把控。以實(shí)際工程為例，對(duì)軟弱圍巖大變形原因進(jìn)行了分析，然后從施工工藝和施工控制技術(shù)方面對(duì)圍巖大變形的控制措施進(jìn)行了探討，可供參考。

隧道工程；軟弱圍巖；大變形

1 工程概況

某隧道項(xiàng)目總長(zhǎng)8 970 m，隧道結(jié)構(gòu)采用帶仰拱曲墻復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，輔助以噴錨支護(hù)，以石英云母片巖夾炭質(zhì)片巖鋪筑隧道底層，薄層狀?yuàn)A中厚層，節(jié)理裂隙很豐富，且片理面相對(duì)很光滑，層間的結(jié)合較差，容易出現(xiàn)剝落掉塊等問(wèn)題，圍巖以Ⅴ級(jí)圍巖和Ⅳ級(jí)圍巖為主，多為炭質(zhì)片巖，結(jié)構(gòu)松散易破碎，左右側(cè)巖質(zhì)易發(fā)生塌方，均勻性很差，隧道高度為8.86 m，寬度為6.37 m，最大埋設(shè)深度為1 050 m。項(xiàng)目施工時(shí)，若發(fā)生軟弱圍巖大變形問(wèn)題（見(jiàn)圖1），需馬上采取措施處理。

圖1 軟弱圍巖大變形情況

2 圍巖大變形出現(xiàn)的原因和特點(diǎn)

通過(guò)施工情況跟蹤，得知軟弱圍巖大變形的主要特點(diǎn)：圍巖變形量很大，施工過(guò)程中，Ⅳ級(jí)炭質(zhì)片巖的水平收斂量可達(dá)到約300～400 mm/30 d，拱頂下沉量約150～200 mm，Ⅴ級(jí)炭質(zhì)片巖由于包含高量炭質(zhì)和豐富地下水，其變形量遠(yuǎn)超過(guò)正常值，局部水平變形量可到1 260 mm，見(jiàn)圖2；變形速度快且速率高，圍巖日均水平收斂量約為30～50 mm，隨著隧道的開(kāi)挖，圍巖大變形速度在提高，局部水平收斂量可達(dá)到920 mm/10 d，20 d可產(chǎn)生高于1 560 mm的累計(jì)變形量，約為2 250 mm；圍巖變形維持周期久，隧道開(kāi)挖成型后，圍巖變形可維持的周期非常長(zhǎng)，最長(zhǎng)可達(dá)幾個(gè)月，某些地段變形甚至可持續(xù)到二次襯砌施工；圍巖大變形布局結(jié)構(gòu)不一、形狀各異，常發(fā)生左右變形不勻稱的問(wèn)題，項(xiàng)目初期支護(hù)施工完成后，不同地段發(fā)生變形的兩側(cè)勻稱性也不一致；項(xiàng)目施工前期，水平收斂速度和累計(jì)變形量相比拱頂下沉速度和變形量要超出很多，一般拱頂下沉累計(jì)值可達(dá)到105 mm，水平累計(jì)收斂量超過(guò)500 mm，后期時(shí)，拱頂下沉顯著，下沉速率為20～30 mm/d，下沉量約為500～600 mm；蠕變和突變均有發(fā)生，初期支護(hù)封閉結(jié)束后，變形速率剛開(kāi)始很平緩，隨著施工的進(jìn)行，變形速率在增大，各類施工如爆破施工、仰拱開(kāi)挖施工、中下臺(tái)階落地施工等均會(huì)造成初期支護(hù)穩(wěn)定性降低，引發(fā)圍巖塌方；變形具有重復(fù)性，隧道變形處因變形使得圍巖傾斜，進(jìn)而要不斷拆換拱架，使得變形增大；由于圍巖遇水易軟化，這樣會(huì)使變形加劇，炭質(zhì)片巖遇水軟化性更強(qiáng)，在施工過(guò)程中常常處于泥漿狀態(tài)，具有很低的強(qiáng)度，地下水滲流的位置常會(huì)出現(xiàn)更大的變形[1]。

圖2 224+780中臺(tái)階的水平收斂量變化圖

引發(fā)隧道變形的原因：炭質(zhì)片巖屬于一種特殊的劣質(zhì)巖體，它可以沿片理面出現(xiàn)蠕滑、流變和結(jié)構(gòu)破損等現(xiàn)象，其強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度都很低，具有很長(zhǎng)的變形特性，具有很高的敏感性，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造容易誘發(fā)地層結(jié)構(gòu)變形,產(chǎn)生大量的致密接縫和順層摩擦鏡面,嚴(yán)重破壞巖體的完整性,同時(shí)也會(huì)摻入石英巖脈。巖體的參數(shù)值c和φ值均很低，其中c趨近于0，φ值約為100°，σ0=400 kPa，遇水軟化，常以泥漿狀形式存在于施工過(guò)程中，強(qiáng)度非常低，很容易引發(fā)塑性流動(dòng)，使得圍巖出現(xiàn)高收斂位移；炭質(zhì)片巖排布的不均勻，加上結(jié)構(gòu)本身的流變性，隧道開(kāi)挖時(shí)埋深量很高，引發(fā)圍巖順層偏壓、局部節(jié)理破損，進(jìn)而引起隧道變形。

3 施工控制方案

結(jié)合上述分析，給出以下施工控制方案：對(duì)于圍巖變形大的隧道地段，在施工過(guò)程中要嚴(yán)格遵循“超前管理、極速開(kāi)挖”的原則進(jìn)行，嚴(yán)格把控注漿、支護(hù)、封閉、襯砌、測(cè)量等施工工序；針對(duì)小范圍Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖炭質(zhì)片巖隧道施工時(shí)，采用超短三臺(tái)階法，并將二次襯砌距離掌子面的長(zhǎng)度嚴(yán)格控制在35 m內(nèi)；針對(duì)大范圍Ⅴ級(jí)圍巖炭質(zhì)片巖隧道施工時(shí)，采用三臺(tái)階法和臨時(shí)仰拱法搭配開(kāi)展，結(jié)合圍巖和資源的具體情況選取上臺(tái)階+臨時(shí)仰拱法，以及中臺(tái)階+臨時(shí)仰拱法進(jìn)行合理施工；增強(qiáng)封閉成環(huán)快、襯砌節(jié)奏緊湊的施工意識(shí)；結(jié)合實(shí)際施工合理調(diào)整施工方案。

4 施工要點(diǎn)

4.1 參數(shù)設(shè)計(jì)

本隧道項(xiàng)目中以Ⅴ級(jí)圍巖進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中超前支護(hù)選用30 cm間距、42超前小導(dǎo)管；在初期施工中，支護(hù)鋼架采用了2榀/m的I20型鋼，拱部錨桿選取了長(zhǎng)3.0 m的22砂漿錨桿，間距100 cm×100 cm，并布設(shè)6.5和8的鋼筋網(wǎng)，控制網(wǎng)孔間距為20 cm×20 cm；二次襯砌主筋是25鋼筋混凝土，控制襯砌厚度在50～77 cm內(nèi)。以三臺(tái)階法開(kāi)始隧道施工，對(duì)小導(dǎo)管超前支護(hù)(φ20 cm)采取加密施工處理，超前小導(dǎo)管平均每鋪設(shè)2榀，鋼架就要施作一次，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度控制在3.5 m，間距要在20 cm內(nèi)，外插角要在10°以內(nèi)，將小導(dǎo)管末端與鋼拱架焊接牢固。鋼架連接處，需布設(shè)大于4根的鎖腳錨桿，鎖腳錨桿規(guī)格為長(zhǎng)3.5 m，直徑Ф25。結(jié)合需求布設(shè)臨時(shí)仰拱，超挖時(shí)選用二次襯砌同級(jí)混凝土進(jìn)行回填施工，待仰拱成環(huán)后，結(jié)合變形測(cè)量值及時(shí)調(diào)整并進(jìn)行二次襯砌[2]。

4.2 把控要點(diǎn)

（1）保留更多的變形量，特別是水平收斂量。通常對(duì)于軟圍巖隧道，其預(yù)留的變形量為30 cm，結(jié)合圍巖實(shí)際變形情況對(duì)于地質(zhì)均勻的地段兩側(cè)預(yù)留變形量可增大至50 cm，而拱頂預(yù)留約30～50 cm，對(duì)于左右不均勻地段一側(cè)預(yù)留可增大至70 cm，另一側(cè)則不變。

（2）增強(qiáng)鋼拱架強(qiáng)度，嚴(yán)格把控開(kāi)挖深度。為有效把控變形量，初期支護(hù)鋼拱架可由I20型鋼調(diào)整為I22型鋼，I25型鋼，持續(xù)增加強(qiáng)度，降低變形量。Ⅴ級(jí)圍巖的爆破打眼深度嚴(yán)格控制在1.2 m，裝藥量嚴(yán)格控制在0.25 kg，為降低對(duì)圍巖的干擾，可選用松動(dòng)爆破技術(shù)，嚴(yán)格把控循環(huán)挖進(jìn)尺寸，約為1.0 m，并馬上采用噴射混凝土施工方式封閉掌子面。

（3）排水設(shè)計(jì)：洞內(nèi)上臺(tái)階選用初期支護(hù)背側(cè)鋪筑鋼管方式來(lái)實(shí)現(xiàn)引排，并借助壁后開(kāi)展注漿施工，以及預(yù)設(shè)小型集水坑。炭質(zhì)片巖巖體的強(qiáng)度很低，通常在施工過(guò)程中以粉末形式存在，在隧道會(huì)遇水軟化，使圍巖的粘結(jié)力下降，借助云母等滑動(dòng)結(jié)理面的影響，使圍巖的自持力下降，進(jìn)而增大初始支護(hù)圍巖壓力。

（4）拱腳措施：拱腳選用鎖腳小導(dǎo)管，由于炭質(zhì)片巖具有極低的強(qiáng)度，故需以25自進(jìn)式中空錨桿代替42小導(dǎo)管，此時(shí)鎖腳錨桿可全長(zhǎng)施作，且施作周期降低了20 min。隧道拱腳的炭質(zhì)片巖很容易塌方，其強(qiáng)度非常低，在進(jìn)行廢渣處理時(shí)極易出現(xiàn)二次失穩(wěn)的情況，故需選用砂袋及時(shí)堆穩(wěn)拱腳，并預(yù)留注漿孔，進(jìn)行掛網(wǎng)噴錨。為了減少圍巖松動(dòng)圈的出現(xiàn)，支護(hù)結(jié)束后要立刻開(kāi)始注漿固結(jié)施工[3]。要布設(shè)集水坑來(lái)防止隧道某些地段發(fā)生露水、滲水現(xiàn)象，此外還要在拱腳邊墻處搭設(shè)臨時(shí)支墩，支墩規(guī)格為高1.5 m、頂?shù)讓?.8 m和1.25 m、坡比1∶0.3，并在支墩底端布設(shè)8節(jié)碴鋼筋，以此來(lái)增大摩擦力。

（5）臨時(shí)仰拱：臨時(shí)仰拱材料為I25型鋼混凝土，間距50 cm，要與初期支護(hù)型鋼牢固焊接，型鋼下布設(shè)間隔20 cm×20 cm的8鋼筋網(wǎng)，以點(diǎn)焊方式和型鋼連接；縱向選用22螺絲鋼以55 cm間距進(jìn)行連接，為縮短循環(huán)周期，可灌注墊實(shí)臨時(shí)仰拱型鋼底端，于其上端鋪設(shè)厚20～30 cm的虛碴，以此來(lái)降低重車碾壓破壞力。

（6）監(jiān)控量測(cè)：一般二次襯砌施工常常在圍巖初期支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后進(jìn)行，但因本隧道項(xiàng)目中炭質(zhì)片巖結(jié)構(gòu)的特殊性，量測(cè)數(shù)據(jù)變形圖以直線狀形式出現(xiàn)，日變形量約11～24 mm，局部地段收斂量在一定時(shí)間會(huì)發(fā)生二次變形，硬巖在初期支護(hù)變形后很短時(shí)間內(nèi)就出現(xiàn)了塌方；在炭質(zhì)片巖初期支護(hù)變形后選用注漿方式進(jìn)行加固處理，可有效控制圍巖產(chǎn)生二次擾動(dòng)，有效控制塌方情況的發(fā)生。故而，常規(guī)數(shù)據(jù)分析無(wú)法符合炭質(zhì)片巖隧道施工，需加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)力度[4]。尤其是會(huì)對(duì)工序產(chǎn)生影響的施工，需增強(qiáng)對(duì)其的量測(cè)力度，以綜合量測(cè)結(jié)果來(lái)合理推算二次襯砌施工產(chǎn)生的變形總量，避免突變引起的塌方情況。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在隧道工程施工過(guò)程中，為了控制軟弱圍巖大變形，需要在開(kāi)挖隧道之前對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)查，并開(kāi)展地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，分析圍巖大變形出現(xiàn)的原因，并制定出相應(yīng)的開(kāi)挖支護(hù)措施。同時(shí)做好施工監(jiān)測(cè)工作，對(duì)模擬參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而使圍巖大變形得到有效的控制，保證隧道工程順利實(shí)施。

[1]趙勇.隧道軟弱圍巖變形機(jī)制與控制技術(shù)研究[D].北京:北京交通大學(xué),2012.

[2]張洋.隧道工程軟弱圍巖大變形控制體系研究[D].四川成都:西南交通大學(xué),2006.

[3]卿三惠,黃潤(rùn)秋.烏鞘嶺隧道軟巖大變形防治技術(shù)問(wèn)題探討[J].路基工程,2005(4):93-96.

[4]何荷.隧道工程中軟弱圍巖的施工技術(shù)探究[J].交通世界,2013(17):269-270.

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃“高速磁浮交通工程化集成系統(tǒng)研究”項(xiàng)目通過(guò)驗(yàn)收

近日，科技部高新司在上海組織召開(kāi)了“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃“高速磁浮交通工程化集成系統(tǒng)研究”項(xiàng)目驗(yàn)收會(huì)。與會(huì)專家乘坐了磁浮車輛,考察了磁浮試驗(yàn)線實(shí)物系統(tǒng)的研制情況，觀摩了半實(shí)物仿真系統(tǒng)的演示，參觀了“十二五”項(xiàng)目成果展示，審閱了項(xiàng)目驗(yàn)收技術(shù)資料，聽(tīng)取了項(xiàng)目組匯報(bào)，并進(jìn)行了質(zhì)詢和討論。

“高速磁浮交通工程化集成系統(tǒng)研究”項(xiàng)目組織部門為上海市科委，承擔(dān)單位為同濟(jì)大學(xué)。經(jīng)過(guò)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的科技攻關(guān)，研制的磁浮系統(tǒng)技術(shù)部件達(dá)到了產(chǎn)品級(jí)，核心部件通過(guò)了實(shí)車運(yùn)行試驗(yàn)考核，支持了上海磁浮示范線的安全穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)營(yíng)，提高了我國(guó)磁浮產(chǎn)品研發(fā)的核心技術(shù)能力。將一列兩節(jié)編組磁浮列車改造成永磁電磁混合懸浮列車，在1.5 km試驗(yàn)線上驗(yàn)證了在同等條件下，混合懸浮技術(shù)的連續(xù)靜浮能力提高到24 h，承載力提高25%以上，懸浮功耗降低20%以上。研發(fā)了高速磁浮交通半實(shí)物仿真平臺(tái)，形成了仿真環(huán)境下多車多分區(qū)、最高磁浮列車運(yùn)行速度500 km/h及復(fù)雜工況運(yùn)行的高速磁浮集成試驗(yàn)與測(cè)試環(huán)境，為系統(tǒng)工程化奠定了基礎(chǔ)。研制了懸浮、導(dǎo)向、渦流制動(dòng)系統(tǒng)控制器及傳感器測(cè)試臺(tái)等磁浮專用檢測(cè)檢驗(yàn)設(shè)備。

專家組認(rèn)為，該項(xiàng)目完成了項(xiàng)目批復(fù)規(guī)定的研究?jī)?nèi)容，達(dá)到了考核指標(biāo)的要求，同意項(xiàng)目通過(guò)驗(yàn)收。

U452.12

B

1009-7716（2017）12-0141-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.039

2017-08-02

馬友博（1983-），男，河北廊坊人，工程師，從事鐵路工程施工工作。