軟巖地質(zhì)條件下洞身一次支護(hù)變形處理技術(shù)的應(yīng)用

黃永平

(江西省水利水電建設(shè)集團(tuán)有限公司，南昌 330200)

0 引 言

洞身圍巖支護(hù)變形是隧洞工程施工中比較嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害問題，對隧洞工程施工質(zhì)量、進(jìn)度、成本、安全等方面都有很大影響。雖然目前很多專家學(xué)者都在研究軟巖地質(zhì)條件下洞身支護(hù)變形相關(guān)內(nèi)容，但多研究的是某一類的大變形，研究方向比較大，很少有人研究軟巖地質(zhì)條件下洞身支護(hù)變形的特點(diǎn)、成因、一次支護(hù)變形處理技術(shù)。在隧洞洞身支護(hù)變形測量中，需要綜合考慮很多方面的內(nèi)容，如：工程所在區(qū)域的地質(zhì)條件、圍巖巖性、力學(xué)原理、約束條件等，并根據(jù)變形的程度，采取有針對性的處理技術(shù)?；诖?，文章就結(jié)合實(shí)際工程，對軟巖地質(zhì)條件下洞身一次支護(hù)變形處理技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行分析，具體分析內(nèi)容如下。

1 工程概述

甘肅省引洮供水二期工程2#隧洞進(jìn)口樁號5+025-5+150段圍巖為K1hk砂巖、含礫砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，以泥質(zhì)膠結(jié)為主，屬軟巖，層面結(jié)合較差，裂隙較發(fā)育，巖體完整性差，圍巖中地下水活動微弱，隧洞開挖時洞壁多有滴滲水現(xiàn)象。5+025-5+055支護(hù)完成段已出現(xiàn)明顯的噴混凝土面開裂，邊墻發(fā)生鼓脹變形，最大橫向位移幅度約30cm,若不及時加以處理，不僅該段有垮塌危險，而且將威脅到開挖掌子面的施工安全。

2 軟巖地質(zhì)條件下洞身支護(hù)變形特點(diǎn)

軟巖地質(zhì)條件下洞身支護(hù)變形特點(diǎn)比較明顯，主要包括集中性、階段性、持續(xù)性等。其中集中性指的軟巖地質(zhì)條件下洞身支護(hù)變形多出現(xiàn)在拱頂、拱腳、拱線位置，而且變形的形式左右不對稱，通常表現(xiàn)為水平位移大于拱頂下沉；階段性指的是軟巖地質(zhì)條件下洞身支護(hù)變形可細(xì)分為3個階段，包括：變形征兆階段、勻速變形階段、加速變形階段。隧洞洞身開挖15-20d之后變形最為明顯；持續(xù)性指的是軟巖地質(zhì)條件下洞身支護(hù)變形，會在洞身開挖后持續(xù)進(jìn)行，不具有收斂性。就案例工程而言，軟巖地質(zhì)條件下洞身支護(hù)變形情況圖1所示。

圖1 軟巖地質(zhì)條件下洞身支護(hù)變形圖

本工程從5月13日開始，變形速率就開始持續(xù)增大，在5月20日遇到了連續(xù)降雨天氣，軟巖地質(zhì)條件下洞身支護(hù)變形速率進(jìn)一步增大，單天周邊收縮量就達(dá)到153.68mm，拱頂下沉量也達(dá)到157.71mm，到23日初次襯砌支護(hù)就進(jìn)入二次襯砌245mm，使得初期支護(hù)出現(xiàn)明顯開裂情況，拱架發(fā)生了明顯的扭曲變形，受到軟巖地質(zhì)條件下洞身支護(hù)變形的影響，案例工程洞身頂部出現(xiàn)了多條不規(guī)則裂縫，最大裂縫寬度達(dá)到210mm，部分截水溝也會受到了不同程度的破壞。

3 軟巖地質(zhì)條件下洞身支護(hù)變形成因

3.1 地質(zhì)原因

本工程施工段穿越了富水地段，圍巖類別為為粉砂質(zhì)泥巖，屬軟巖，巖石膠結(jié)差，隧洞底板受地下水影響，泥化嚴(yán)重，強(qiáng)度不足，且底腳邊墻噴錨面脫落，導(dǎo)致圍巖軟化、膨脹，從而造成洞身變形。在此種地質(zhì)條件下開挖隧洞具有變形量大、變形速率高、難以收斂、支護(hù)難度大的特點(diǎn)，采用相同的支護(hù)參數(shù)和指標(biāo)，此套圍巖的變形量要大于相同圍巖級別的硬巖隧道[1]。而且本工程施工中需要穿越節(jié)理裂隙發(fā)育地帶，巖體受到結(jié)構(gòu)面切割，圍巖缺乏完整性，都是引起軟巖地質(zhì)條件下洞身支護(hù)變形的主要原因。

3.2 地形原因

就案例工程而言，進(jìn)口仰坡地形呈現(xiàn)出左右薄厚不一的問題，存在較為嚴(yán)重的地形偏壓，在洞身開挖時會對周圍的土體造成較大的擾動，致使仰坡上方土體發(fā)生了不同程度的縱向開裂，形成滑動面，向地形比較薄的一側(cè)滑動，較薄一側(cè)受土體的擠壓作用，會形成附加應(yīng)力σ1和σ3，相互之間的關(guān)系可用如下公式表示：

σ3=K·σ1

(1)

K=μ/(1-μ)

(2)

上述兩個公式中K指的是土體的側(cè)壓力系數(shù)，由于軟巖地質(zhì)條件具有一定的塑性特征，塑性系數(shù)μ也就比較大，所以K和σ3的數(shù)值也都比較大，使得土層較薄的一側(cè)就需要承受較大的縱向張拉應(yīng)力，降低了坡體的安全系數(shù)，具體情況如圖2所示。

圖2 軟巖地質(zhì)條件下洞身仰坡變形開裂示意圖

從圖2中可以看出，洞身右側(cè)土體較薄的的一側(cè)位移量比較大，縱向坡體下滑對隧道右洞仰坡穩(wěn)定性造成的影響比較大，仰坡下滑形成的牽引力和沖擊作用，也是引起軟巖地質(zhì)條件下洞身支護(hù)變形的主要原因之一。

3.3 施工原因

施工也是引起軟巖地質(zhì)條件下洞身支護(hù)變形的主要原因之一，比如：在本工程施工中一些地段采用了鉆爆開挖方法，由于洞身圍巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鉆爆時難以開展爆破的振動作用，對圍巖的自身承載力造成了較大影響。此外，多次爆破也會對巖體造成較大損傷，使得巖體內(nèi)部裂隙擴(kuò)大，甚至形成貫通裂隙，降低圍巖的彈性模量和強(qiáng)度，增加了透水性[2]。

3.4 整體效應(yīng)

引起軟巖地質(zhì)條件下洞身支護(hù)變形的因素比較多，各因素之間存在相互聯(lián)系，在原地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，隨著開挖深度的增加，對邊坡造成擾動也就越大。而圍巖破壞和仰坡的滑移，既相互影響，又相互促進(jìn)，同時也為水體的滲入提供良好的條件。在隧洞開挖的初期，圍巖比較干燥，隨著開挖深度的增加，襯砌支護(hù)的混凝土上出現(xiàn)了濕斑，此后演變?yōu)闈B水，在降雨時甚至?xí)霈F(xiàn)滴水現(xiàn)象，影響開挖質(zhì)量和安全性[3]。水的滲入使得圍巖進(jìn)一步劣化，形成一個惡性循環(huán)。影響因素的整體效應(yīng)會導(dǎo)致軟巖地質(zhì)條件下洞身支護(hù)變形速率加快，尤其是降雨之后，變形速率更快。軟巖地質(zhì)條件下洞身支護(hù)變形破壞模式如圖3所示。

圖3 軟巖地質(zhì)條件下洞身支護(hù)變形破壞模式

4 洞身一次支護(hù)變形處理技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)

在案例工程施工中，為避免隧洞支護(hù)變形引起塌方問題，保證施工的安全性，對樁號5+025-5+055變形段進(jìn)行分段處理，由外至里逐米進(jìn)行處理。具體處理方案如下：

4.1 安裝變形防護(hù)支架

在進(jìn)行洞身一次支護(hù)變形處理之前，為保證后期處理工作能夠高效、安全、有序的開展，需要在適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b上臨時防護(hù)支撐，以保證圍巖支撐的牢固性。本工程臨時防護(hù)支撐材料選擇了I12工字鋼，通過焊接的方法形成一個整體，安全防護(hù)支架和圍巖必然存在空隙，為保證支架的穩(wěn)定性，空隙要用鋼楔楔緊，以保證鋼支撐能夠和圍巖緊密貼合[3]。但洞身一次支護(hù)變形處理之后，一些原有的拱架需要拆除，因此，防護(hù)支撐的支撐點(diǎn)要盡量布置在兩榀拱架之間，在具體施工中，可按照現(xiàn)場實(shí)際情況，適當(dāng)加密支撐點(diǎn)，以保證洞身一次支護(hù)變形處理效果和處理人員的安全。

4.2 超前管棚施工和固結(jié)灌漿

在原來的結(jié)構(gòu)物拆除之前，要提前做好超前管棚支護(hù)施工作業(yè)，以免在拆除時發(fā)生洞頂坍塌問題，在超前管棚施工中，必須嚴(yán)格設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行施工，以提升其處理效果。

在洞身一次支護(hù)變形處理中固結(jié)灌漿非常重要的環(huán)節(jié)，為避免泥石流從破開的工作面上大量崩落，在進(jìn)行拆除之前，需要對圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿處理。本工程固結(jié)灌漿施工中，選擇手持風(fēng)鉆進(jìn)行鉆孔，鉆孔直徑控制在32mm左右，鉆孔后及時跟進(jìn)清孔，清孔結(jié)束后插入鋼管，再進(jìn)行灌漿，灌漿時要遵循從下到上的原則[4]。

4.3 拆除原來構(gòu)筑物

洞身一次支護(hù)變形處理中需要拆除原來的一些構(gòu)筑物，先不拆除原拱架，逐米拆除原來的其他結(jié)構(gòu)物，再安裝上新的拱架，形成一個穩(wěn)定的整體噴錨之后，再拆除超過邊界的原拱架和其他部件。具體的拆除內(nèi)容如下：

1)需要拆除噴錨混凝土，可采用風(fēng)鎬進(jìn)行拆除，拆除順序?yàn)閺纳系较隆?/p>

2)需要拆除管片、拱架、鋼筋網(wǎng)片。已經(jīng)發(fā)生變形的拱架、鋼筋網(wǎng)片可采用氣割的方法拆除，拆除后人工裝車運(yùn)往洞外。

3)是擴(kuò)挖，對那些已經(jīng)侵占了混凝土面的巖體可采用人工風(fēng)鎬進(jìn)行修整，清除底板基面上浮渣和虛渣，廢棄的渣料要及時運(yùn)輸?shù)綏壴鼒黾刑幚韀5]。

4.3 安裝新的拱架

新拱架安裝的順序?yàn)椋合葘r面進(jìn)行全面有效的清理，然后進(jìn)行鎖腳錨桿施工，接著進(jìn)行鋼支撐架安裝，最后用鋼楔緊固，通過焊接的方法連接成一個整體，新裝拱架之間的間距要盡量控制在50cm左右，采用全封閉安裝的方法，完成拱架安裝。

5 洞身一次支護(hù)變形處理的注意事項(xiàng)

在軟巖地質(zhì)條件下洞身一次支護(hù)變形處理技術(shù)中，需注意以下事項(xiàng)：

1)為提升洞身一次支護(hù)變形處理效果，鋼支撐和圍巖之間要通過鋼楔楔緊，保證鋼支撐和圍巖能夠緊貼到一起。鋼支撐和鋼楔焊接時，必須保證每條焊縫都焊接牢固。焊接完后，拱架之間采用φ22的鋼筋進(jìn)行連接，連接筋與工字鋼必須焊接牢固，每榀鋼支撐間用連接鋼筋焊接形成整體。

2)底部加設(shè)工字鋼對拉支撐。鋼筋網(wǎng)片安裝，鋼筋網(wǎng)片在場外加工焊接好，鋼筋網(wǎng)格間距為200mm×200mm，鋼筋直徑φ6.5，鋼筋網(wǎng)片頂拱180°安裝[6]。

3)噴錨混凝土，拱架安裝后盡快進(jìn)行噴混凝土作業(yè)，并全部覆蓋，噴射混凝土?xí)r先從拱腳或墻處往上部噴射，以防止上部噴射料虛掩拱腳(墻腳)不密實(shí)，造成強(qiáng)度不夠，拱腳(墻腳)失穩(wěn)。噴射混凝土強(qiáng)度等級為C20，厚10cm。

6 結(jié) 語

綜上所述，軟巖地質(zhì)條件下洞身支護(hù)變形是一種比較嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，如果處理不當(dāng)，不但會增加工程預(yù)算，不利于保證施工質(zhì)量和安全性，而且會引起嚴(yán)重的安全事故，如果情況嚴(yán)重，甚至?xí)鹚矶垂こ淌┕な?。所以在具體施工中必須采用科學(xué)合理的處理技術(shù)。洞身一次支護(hù)變形處理技術(shù)可由外至里逐米處理變形段，從根本上解決變形問題，保證隧洞工程的質(zhì)量和安全性，值得大范圍推廣應(yīng)用。