炭質(zhì)泥巖隧道開挖變形控制技術(shù)研究

劉俊鋒,柏文軍,曾智勇,燕 新,張怡興

(1.廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司,廣州 510630；2.長安大學，西安 710064；3.新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，烏魯木齊 830006)

隨著我國隧道建設(shè)的高速發(fā)展，隧道建設(shè)中所遇難點也逐漸增多，高應(yīng)力下軟巖以及破碎巖綜合問題一直是隧道施工中的難點[1]，設(shè)計和施工措施不當不僅會造成重大經(jīng)濟損失，還可能產(chǎn)生生命安全問題。

由于不同圍巖的差異性，軟巖隧道出現(xiàn)的問題也呈現(xiàn)不同特點，國內(nèi)外學者針對不同軟巖隧道在變形特征和支護結(jié)構(gòu)方面進行了大量研究[2-3]，所研究的國外隧道如瑞士的辛普倫隧道、日本的惠那山隧道、意大利的都靈隧道等；國內(nèi)隧道如四川的鷓鴣山隧道、甘肅的木寨嶺隧道、陜西的杜家山隧道等。基于以上工程研究，我國學者提出了不同的支護方法和支護理念，李曉紅等[4]基于Poyting-Thomoson(鮑爾丁-湯姆遜)模型，對軟巖隧道圍巖進行了黏彈性分析，得到的初期支護在一定程度上抑制了隧道的變形速率，為確定二次襯砌的時機提供了理論依據(jù)；孫偉亮[5]、王水善[6]針對不同隧道進行了施工力學行為分析，制定了“超前支護、初期支護加強、合理變形、先放后抗、先柔后剛、剛?cè)岵?、及時封閉、底部加強、改善結(jié)構(gòu)、地質(zhì)預報”的快速施工原則和總體方案。

炭質(zhì)泥巖作為典型的軟弱破碎圍巖，其礦物成分復雜、種類繁多，大多具有強度低、遇水易軟化并且易崩解的特點。在炭質(zhì)泥巖中修建隧道時，圍巖變形量大、變形速度快、持續(xù)時間長且后期蠕變顯著。李育樞等[7]通過室內(nèi)外試驗對炭質(zhì)泥巖的物理力學性質(zhì)開展了大量研究；曾鈴等[8]對炭質(zhì)泥巖在路基工程力學方面開展了分析研究。但針對炭質(zhì)泥巖隧道大變形及變形控制問題，目前國內(nèi)還未見相關(guān)研究。本文以其古頂炭質(zhì)泥巖隧道為研究背景，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測和試驗，綜合分析炭質(zhì)泥巖隧道大變形的特征和影響因素，提出有效治理措施。

1 工程概況

其古頂隧道位于廣東省梅州市梅縣區(qū)，隧道穿過低緩丘陵、低山丘陵地貌區(qū)，地勢起伏大，地面標高為150～440 m，地面相對高差約為290 m。山體圍巖屬于二疊系龍?zhí)督M頁巖、二疊系文筆山組砂頁巖及炭質(zhì)泥頁巖等，巖石較破碎。根據(jù)調(diào)繪及勘探成果，局部見燕山晚期酸性巖侵入巖脈，褶皺、撓曲較常見，巖層產(chǎn)狀多變。隧址區(qū)地層巖性為第四系坡殘積粉質(zhì)黏土和碎石，基底為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)淺黃色砂巖及下統(tǒng)文筆山組(P1w)灰黑色炭質(zhì)泥巖、砂巖等，龍?zhí)督M地層上覆于文筆山組地層，厚度小且局部為破碎帶。圍巖主要為全-強風化炭質(zhì)泥巖，巖體是由巖粉、壓碎的巖石碎屑和碎片等組成，存在大量節(jié)理和順層摩擦面。隧址區(qū)位于低緩丘陵區(qū)，地表水不發(fā)育且主要來源為大氣降雨、沿山谷匯流，為季節(jié)性地表水。隧址區(qū)地下水類型為松散層孔隙水及基巖裂隙水，多賦存于殘坡積層和基巖巖層中，水位的變化受到季節(jié)影響，水量受基巖裂隙發(fā)育程度影響，局部裂隙帶可能存在富集現(xiàn)象。

2 圍巖破壞特性及原因分析

2.1 破壞特性

1)地表沉降大

在淺埋段進洞施工時，由于圍巖條件差致使支護結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變形，造成圍巖大面積變形沉降。對于地層表面而言，地表下沉會產(chǎn)生地裂縫：洞口右側(cè)邊坡至坡頂出現(xiàn)1條長約為60 m、寬為3～30 mm的貫穿裂縫，其周邊零星分布著長為3～10 m 的小裂縫，套拱拱頂左側(cè)也出現(xiàn)1條長為0.7 m、寬為3 cm的裂縫，洞口仰坡掛網(wǎng)噴混凝土處出現(xiàn)多處開裂，洞口段裂縫分布如圖1所示。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測的8個地表沉降點(從左至右為1-1～1-8)，YK11+493斷面地表下沉最大值為220.7 mm，右側(cè)地表沉降累計值小于左側(cè)沉降累計值，YK11+493斷面地表沉降關(guān)系如圖2所示。YK11+482斷面地表下沉最大值為72.5 mm，右側(cè)地表沉降累計值小于左側(cè)沉降累計值，監(jiān)測區(qū)域沉降量較大。在每次開挖擾動后圍巖會產(chǎn)生較大變形，對隧道內(nèi)部變形較大的區(qū)域監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，其中最大變形速率可達89 mm/d，最大沉降量可達218.3 mm，并且同一個斷面可能發(fā)生多次沉降。

圖1 洞口段裂縫分布

圖2 YK11+493斷面地表沉降關(guān)系

2)初支變形及沉降收斂大

全風化炭質(zhì)泥巖開挖后，圍巖強度急劇下降，產(chǎn)生范圍較大的松動圈，并作用于初期支護措施上。初期支護剛度設(shè)置無法抵御圍巖產(chǎn)生的變形，同時隧道剛進洞內(nèi)，掌子面以及附近有少量積水，炭質(zhì)泥巖遇水會產(chǎn)生膨脹變形，進一步加劇了初支產(chǎn)生的變形和圍巖的沉降。斷面沉降過大，同時斷面出現(xiàn)混凝土開裂，局部出現(xiàn)拱架鼓包外凸等情況。初期支護環(huán)向裂縫如圖3所示，YK11+465斷面變形累計值曲線如圖4所示，YK11+465斷面收斂曲線如圖5所示。

圖3 初期支護環(huán)向裂縫

圖4 YK11+465斷面變形累計值曲線

圖5 YK11+465斷面收斂曲線

3)易發(fā)生掉塊及塌方

開挖后掌子面揭露圍巖多為全-強風化炭質(zhì)泥巖，巖體層間結(jié)合較差且松散，節(jié)理裂隙發(fā)育，強度較低、自穩(wěn)能力較差，圍巖開挖后拱頂易發(fā)生掉塊和小范圍塌方。進洞以來，拱頂時常發(fā)生掉塊，多次發(fā)生塌方，塌腔前后段沉降較異常。

4)拱頂及拱腰沉降大

同一斷面圍巖存在較大差異，地質(zhì)偏壓現(xiàn)象明顯。設(shè)計Ⅴ級圍巖比例為55%，施工過程中沉降較大，出現(xiàn)不同程度的初期支護變形及開裂情況。

隧道施工期間單日最大沉降量達274 mm/d(發(fā)生于左洞K19+575斷面)，累積最大沉降量達1 100 mm(發(fā)生于右洞K11+474斷面)，在施工過程中多次發(fā)生侵限，其中出口右洞換拱率高達78.9%。

2.2 破壞原因分析

隧道支護出現(xiàn)大變形由多方面因素造成，其中包括地形、地質(zhì)和施工條件等方面，其古頂隧道的大變形原因分析如下。

1)隧道拱部形成的塌落拱荷載不均勻

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測，隧道地表左側(cè)沉降量大于右側(cè)沉降量，同時對不同部位的圍巖應(yīng)力、鋼拱架應(yīng)變以及混凝土應(yīng)變進行分析，可以得出斷面圍巖應(yīng)力、鋼拱架應(yīng)變以及混凝土應(yīng)變值分別存在不對稱性，呈現(xiàn)明顯差異性。斷面左側(cè)的壓力和應(yīng)變值大于斷面右側(cè)的壓力和應(yīng)變值，表明地質(zhì)偏壓對隧道穩(wěn)定性以及力學性質(zhì)有顯著影響。

2)圍巖自穩(wěn)能力差

炭質(zhì)泥巖主要特性為：強度很低，裂隙層理密集發(fā)育；由于巖粉與石屑存在，巖體抗剪強度較低，其以炭質(zhì)滑膜的形式存在于層理間，導致層理間摩擦系數(shù)很小，因此極易發(fā)生滑移現(xiàn)象；巖體易軟化，在水的浸潤下常為泥糊狀；易崩解，巖體碎后形狀為鱗片狀或粉末狀；由于巖體存在一定的膨脹性、各向異性和滑膜現(xiàn)象，在三者的綜合作用下，圍巖變形具有強烈的非對稱性；炭質(zhì)泥巖的塑性變形范圍較大，會使隧道周邊形成松散破碎區(qū)和塑性變形區(qū)。

3)預留變形量不合理

對于同一斷面，左右側(cè)圍巖不僅差異較大，而且拱頂和兩側(cè)也有較大的差異性，如拱頂為中風化炭質(zhì)泥巖，兩側(cè)又為全風化炭質(zhì)泥巖。斷面差異性較大導致沉降量差異較大，預留沉降量難以控制，如有些斷面預留50 cm沉降量，但局部累計沉降僅10 cm，遠小于預留量，使?jié)仓r混凝土超方嚴重。沉降量與預留量差異較大同時會導致局部產(chǎn)生不均勻沉降、滑塌和滲水現(xiàn)象，使圍巖軟化，初期支護發(fā)生侵限。

4)超前支護及圍巖加固不理想

局部區(qū)段的掌子面圍巖為全風化炭質(zhì)泥巖，圍巖整體較密實，巖體可注漿性較差，現(xiàn)場注漿效果很難達到預期的加固效果，因此在圍巖擾動后，隧道易發(fā)生塌落等現(xiàn)象。

5)上半斷面鋼拱架腳部出現(xiàn)穩(wěn)定問題

隧道上臺階鋼拱架的反力依靠拱腳和鎖腳錨桿，然而下臺階和仰拱的開挖會破壞上臺階鋼拱架的穩(wěn)定，且開挖后會出現(xiàn)懸空現(xiàn)象，從而導致隧道初期支護變形。

3 隧道變形控制措施

新奧法施工的基本原理是充分發(fā)揮圍巖的自承能力，即在掌子面開挖完成后，圍巖發(fā)生一定量的變形，在經(jīng)過一段時間后重新達到平衡狀態(tài)，并在柔性支護下保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。但是對于軟弱圍巖來說，其基本不具有自承能力，因此在支護過程中就要求“以抗為主”，不能“先放后抗”，防止變形加大。結(jié)合具體施工措施，主要從支護時間、支護剛度、施工工法以及預留變形量4個方面來控制圍巖能量合理釋放，保證圍巖穩(wěn)定性。

3.1 施作臨時仰拱

先行導洞上下臺階，每榀采用臨時仰拱進行封閉成環(huán)措施。對已完成全斷面但未進行仰拱施工的隧道段采用I20環(huán)形鋼拱架臨時支撐，鋼拱架內(nèi)設(shè)三角形內(nèi)撐，并施作臨時仰拱，每榀間距為0.6 m；對已施作仰拱的隧道段采用I20環(huán)形鋼拱架臨時支撐，鋼拱架內(nèi)設(shè)三角形內(nèi)撐，每榀間距為1.2 m。

3.2 設(shè)置合理支護時間和預留變形量

隧道在開挖擾動后圍巖應(yīng)力發(fā)生改變，圍巖也發(fā)生相應(yīng)變形。針對炭質(zhì)泥巖特殊的物理以及力學性質(zhì)，開挖后圍巖會產(chǎn)生大變形，因此合理支護時間以及預留變形量的設(shè)置是圍巖應(yīng)力合理釋放以及圍巖松動圈限制的重要前提。炭質(zhì)泥巖自身穩(wěn)定性差、應(yīng)力水平高、形變荷載大且變形速度快，若不及時采取支護措施，當圍巖自身應(yīng)力的調(diào)整大過圍巖自身強度時，圍巖立即進入塑性狀態(tài)，進而塑性范圍擴大以至產(chǎn)生坍塌。因此合理支護時間的設(shè)置是圍巖穩(wěn)定性和支護措施安全性的重要保障。

根據(jù)新奧法施工十八字方針中“強支護”的施工原則，炭質(zhì)泥巖在無約束情況下變形快，因此約束情況下對圍巖應(yīng)力釋放的控制就顯得格外重要。預留變形量不僅是保證圍巖約束后可以發(fā)揮變形量的一個重要措施，也是保證初期支護穩(wěn)定性的重要舉措。結(jié)合其古頂隧道施工過程中的大變形問題，將變形量從原設(shè)計的12 cm變更到42 cm，增加支護后圍巖的變形空間，使圍巖變形能量可以合理釋放，減少初期支護發(fā)生局部隆起和混凝土開裂的現(xiàn)象。

3.3 加強監(jiān)控量測

隧道監(jiān)控量測可及時掌握隧道圍巖的動態(tài)信息，該隧道通過圍巖壓力、鋼拱架應(yīng)變、拱頂下沉以及周邊收斂的數(shù)據(jù)分析，及時調(diào)整支護參數(shù)，控制步距。隧道由于變形較大且可能發(fā)生多次變形，監(jiān)控量測頻率應(yīng)保持每天至少2次，確保隧道施工過程安全。

3.4 控制合理支護剛度

圍巖變形能量需階段性釋放，保證圍巖的穩(wěn)定性。根據(jù)現(xiàn)場實際施工分析，各支護措施是按照一定順序進行安裝和固定，因此每個支護措施受力性質(zhì)以及受力大小均不同。針對每個支護措施的受力特點，其剛度應(yīng)合理設(shè)置，因此須對其古頂隧道初期支護措施進行變更，支護措施變更如表1所示。

表1 支護措施變更

3.5 選取開挖方法

其古頂隧道在CD工法(中隔壁法)的基礎(chǔ)上設(shè)置臨時仰拱，提出“步步成環(huán)”的施工概念，降低斷面發(fā)生整體大變形的概率，有效控制大跨度軟巖隧道變形，但增加了每個斷面整體的封閉時間；臺階工法在圍巖相對穩(wěn)定的情況下使用，不僅可以加快施工進度，也可保證開挖斷面的穩(wěn)定性。強風化炭質(zhì)泥巖采用CD工法施工，有效控制隧道發(fā)生大變形，中-弱風化炭質(zhì)泥巖采用臺階工法施工，保證了隧道的穩(wěn)定性。但CD工法轉(zhuǎn)變?yōu)榕_階工法施工時，加劇了隧道變形，因此在工法轉(zhuǎn)變過程中須提前做好預支護。其古頂隧道右線開挖區(qū)域工法分布如圖6所示；左線開挖區(qū)域工法分布如圖7所示。

圖6 其古頂隧道右線開挖區(qū)域工法分布

圖7 其古頂隧道左線開挖區(qū)域工法分布

根據(jù)現(xiàn)場對ZK10+350、ZK10+360和ZK10+370斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，鎖腳錨管控制了圍巖變形速率，降低了開挖過程中圍巖變形的波動性；從ZK10+350斷面和ZK10+360斷面對比可知，收斂值分別降低了約54.2%和45.3%。新型縱向連接系統(tǒng)在開挖擾動瞬間，降低了圍巖應(yīng)力的釋放，增加了圍巖產(chǎn)生的抗力，防止圍巖發(fā)生過大形變。分析現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，修改后的方案在各方面都有效控制了隧道的開挖變形。

4 結(jié)論

(1)其古頂隧道變形總體特征為變形量大、變形速率高、變形持續(xù)時間長。隧道圍巖主要是全-強風化炭質(zhì)泥巖，圍巖性質(zhì)差，因此在開挖過程中應(yīng)加強監(jiān)控量測和超前地質(zhì)預報等手段，及時掌握圍巖變形情況，調(diào)整支護參數(shù)，確保施工安全。

(2)采用新奧法對炭質(zhì)泥巖隧道施工，不能過分強調(diào)初期支護的柔性、充分發(fā)揮圍巖的自承能力，而應(yīng)盡快采用強支護結(jié)構(gòu)，使初期支護結(jié)構(gòu)在短時間內(nèi)閉合成環(huán)，并且盡快完成二次襯砌以承擔部分荷載，從而保證隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。對于炭質(zhì)泥巖隧道，上半斷面支護增加臨時仰拱可使上半斷面的鋼架支護及時閉合成環(huán)，形成閉合的受力體系，有效抑制圍巖過度變形。同時在施工過程中，應(yīng)對已完成段的隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進行綜合分析，預判未開挖段隧道預留變形量的多少和圍巖變形穩(wěn)定的時間，從而確定仰拱和二次襯砌施作時間，使整個工程安全、穩(wěn)定地運轉(zhuǎn)。

(3)主要從炭質(zhì)泥巖隧道的破壞特性及破壞原因進行分析，提出一系列處治措施，未能從炭質(zhì)泥巖的力學性能上綜合分析其變形機理，因此可進一步研究，深化結(jié)論。