紅黏土隧道圍巖大變形機理分析與換拱技術(shù)研究

郭亮

（江西省交通建設工程質(zhì)量監(jiān)督管理局 江西南昌 330000）

隨著我國經(jīng)濟社會的迅速發(fā)展，高速鐵路網(wǎng)絡如雨后春筍般展開，而紅黏土的存在使得軟塑、膨脹和偏壓等導致圍巖侵限的典型土質(zhì)圍巖隧道難題接連出現(xiàn)。

目前，已有眾多學者對紅黏土圍巖隧道侵限機理及處置方法進行了研究分析。呂高基于淺埋軟土隧道圍巖，建立紅黏土的含水率和地質(zhì)雷達波速的關(guān)系，進而建立了含水率與介電常數(shù)的關(guān)系。劉聰在三臺階法的基礎上，采取增設管棚、大拱腳等改進措施，并通過數(shù)值模擬分析兩種不同工法下軟弱紅黏土隧道開挖后的力學特性，驗證了軟弱紅黏土隧道采用大拱腳三臺階法開挖的合理性。

從已有研究發(fā)現(xiàn)，對圍巖紅黏土含水率與變形規(guī)律已有豐富的研究成果，但對紅黏土圍巖隧道大變形機理及對侵限段處置換拱施工工藝研究較少。本文以萍蓮高速蓮花隧道為依托工程，通過現(xiàn)場實測隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)、現(xiàn)場實驗和室內(nèi)實驗，分析圍巖變形機理，并提出圍巖侵限換拱施工處理方案。可為同類型紅黏土圍巖隧道變形處治提供實驗數(shù)據(jù)和工程借鑒。

1 紅黏土段圍巖大變形概況

萍蓮高速蓮花隧道位于江西省萍鄉(xiāng)市蓮花縣境內(nèi)，為分離式隧道，Ⅴ級圍巖，隧道全長3200m，最大埋深330m（右洞），該隧道屬于公路特長隧道。隧區(qū)地貌屬剝蝕低山，穿越華夏板塊華南造山系之東南造山帶之武功山—會稽山前緣褶皺沖帶之武功山隆起。隧道穩(wěn)定性較差，裂隙破碎成洞性差，為類土質(zhì)圍巖，在隧道施工過程中易產(chǎn)生掉塊等不良現(xiàn)象。

隧區(qū)地表植被發(fā)育多為低矮的灌木、雜草、竹林及部分松樹等。全年降水集中在4～6月的梅雨季節(jié)，15年來平均降水量1673mm。隧區(qū)地表水主要分布于進出口及中部低洼地段的山間小溪中，常年有水，主要為大氣降水的補給，受季節(jié)性影響變化比較大。在ZK37+450/YK37+500 處有一人工魚塘水庫，容積約為6000m，匯水面積約1.4km，水深3～7m。

2 初期支護結(jié)構(gòu)沉陷開裂機理分析

2.1 沉陷開裂變形過程

蓮花隧道出口左洞施工至ZK38+135～ZK38+110紅黏土圍巖段時，遭遇強雨季降水，地下水已由拱頂和側(cè)墻裂隙滲出。紅黏土圍巖開裂，原設計的初支鋼拱架剛度不足以抵抗圍巖壓力，拱頂和側(cè)墻均出現(xiàn)裂隙，鋼拱架扭曲變形，并侵入限界已無施做二襯所需厚度，危及施工人員安全。

現(xiàn)場初期支護施工結(jié)束后，隧道拱頂和周邊收斂累積量迅速增大，進而導致拱部侵限，但未發(fā)生垮塌。如圖1隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)所示。

圖1 圍巖變形監(jiān)測曲線

（1）ZK38+120斷面作為監(jiān)測數(shù)據(jù)中拱頂沉降最大的斷面，最大單日沉降量達到204.40mm，總累計沉降量達到991.2mm。開挖后第15天沉降量達到總累計沉降值78.6%，說明隧道開挖后前期變形速率大。

（2）ZK38+125/115 斷面周邊收斂累積值分別達到54.00mm、53.10mm。

（3）各斷面拱頂沉降變形累積值都遠大于周邊收斂累積值，說明拱頂沉降需重點關(guān)注并對其進行處理。

2.2 原因與機理分析

隧道圍巖大變形一般由多種因素綜合引發(fā)，結(jié)合工程地質(zhì)報告及現(xiàn)場施工反饋，蓮花隧道圍巖大變形成因主要由塑性流變和雨季降水組合所致。

（1）塑性流變。新建蓮花隧道埋深近330m，穿越武功山—會稽山隆起及一系列發(fā)育斷裂組壓減性斜沖斷層，上述圍巖大變形段地表有一天然水庫，雨季自然蓄水增大自重，為產(chǎn)生高地應力提供了形成條件。同時，新建蓮花隧道施工過程中所暴露的圍巖條件較地質(zhì)勘探資料中更差，地下水含量更多，隧道涌水量大，直接導致初期支護結(jié)構(gòu)所受圍巖，圍巖塑性流變導致原設計鋼拱架不足以支撐圍巖，從而導致施工現(xiàn)場災害頻發(fā)。

（2）雨季降水。施工期出現(xiàn)日降雨量達到100mm的大暴雨天氣，連日陰雨，地表水下滲，對圍巖穩(wěn)定性造成影響，加劇變形發(fā)展。隧道內(nèi)多處裂隙涌水，變形量增大。為進一步準確掌握該段圍巖情況，進行了地質(zhì)補勘工作。資料表明，在隧道拱頂、右側(cè)側(cè)墻和隧道拱腳均有紅黏土分布，遭遇局部滲水，含水量達到23.6%，承載力較低，施工開挖后，發(fā)生塑性蠕變變形，自穩(wěn)性能差。

3 實驗測試及分析

3.1 現(xiàn)場實驗

蓮花隧道拱頂圍巖沉降較同類型隧道變形更大，考慮在紅黏土圍巖的物理性質(zhì)中地基承載力是一個重要的力學指標，故考慮對隧道地基承載力進行現(xiàn)場輕型觸探試驗。該實驗常用于潛部填土、砂土、粉土和粘性土。所用儀器為：質(zhì)量為10kg 的落錘；探桿直徑25mm，探桿最大落距50cm；探頭直徑40mm，探頭錐角60°。根據(jù)貫入30cm 的次數(shù)，承載力=24+4.5N 來判定原位地基承載力。

測點選取為掌子面前10m范圍內(nèi)9個點位。根據(jù)現(xiàn)場輕型動力觸探實驗，最大值為177.0kPa，最小值為141.0kPa，平均地基承載力約為157kPa。相較其他土質(zhì)圍巖隧道，紅黏土隧道地基承載力偏小。輕型動力觸探原位實驗記錄如表1所示。

表1 輕型動力觸探原位實驗記錄

在隧道基底承載力不足時，常用的解決對策如下。（1）設置仰拱。仰拱可使圍巖支護結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)，與圍巖變形相協(xié)調(diào)，避免整體沉降及不均勻沉降。（2）加強鎖腳錨管。隧道圍巖在垂直方向的沉降主要依靠兩側(cè)拱腳的控制，故加強鎖腳錨管強度可控制拱頂沉降量。（3）擴大拱腳。其中包括采用加肋鋼拱架和噴射混凝土拱腳補強，可以擴大支撐面積來降低基底壓強。

3.2 室內(nèi)直接剪切實驗

取自隧道洞內(nèi)的土樣經(jīng)過自然風干、除雜、碾碎、過0.5mm篩之后儲存?zhèn)溆?。將土制備成?.18×2cm的土樣，分別在100kPa、200kPa、300kPa和400kPa垂直壓力下沿固定的剪切面直接施加水平剪力，得其剪切破壞時的剪應力。以剪應力為縱坐標、垂直壓力為橫坐標，依據(jù)庫侖公式，可以計算出不同土樣的抗剪強度指標，即內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。本試驗按照規(guī)范選用應變控制式直剪儀對重塑土樣進行快剪試驗。

通過本次直剪實驗，根據(jù)摩爾庫侖公式，計算出該現(xiàn)場土樣的平均黏聚力為53.63kPa，平均內(nèi)摩擦角為21.57°。

3.3 建模分析

將該紅黏土隧道假設為半徑為、埋深為的圓形隧道，且初始地應力≠，在施工過程中，作用在支護結(jié)構(gòu)上的初始應力不均勻，圍巖縱向和水平向變形不均勻，這種綜合變形可以看作為這幾種基本模式的疊加，如圖2所示。

圖2 隧道變形機理分解

3.3.1 地層損失

最基礎的隧道開挖變形是在初始受到各向均勻同性（==）壓縮的無限深土層中開挖，無限長的半徑為的圓形隧道，隧道側(cè)壁受均勻壓力≤）。在二維彈塑性范圍內(nèi)，在隧道側(cè)壁處應力變化最大，因此，塑性區(qū)是隧道周圍半徑的同心環(huán)。在上述變形模式中，只有軸對稱圍巖收縮變形存在。

3.3.2 圍巖變形

隧道圍巖類橢圓變形發(fā)生在有限深度范圍內(nèi)的二維分析中，當初始應力不均勻或應力梯度隨深度變化的情況下，發(fā)生圍巖垂直方向的拱頂沉降和基底隆起，水平方向的側(cè)墻收斂，類似于橢圓形。對于淺埋隧道而言（/=3），彈性應變和塑性應變的變形趨勢相似。當垂直圍巖壓力遠大于水平圍巖壓力時，類橢圓變形失效，隨后隧道頂板失效。在此情況下，隧道的垂直變形總是大于橫向變形。

因此，隧道的類橢圓變形隨著圍巖強度的降低而增加。水平方向變形在深層隧道中占主導地位，但在淺埋隧道情況下，垂直方向拱頂沉降是主要變形。

3.3.3 整體沉降

當開挖隧道所處地層的地基承載力不足、無法抵抗圍巖變形所產(chǎn)生的應力時，隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生整體沉降。

綜上所述，紅黏土圍巖隧道整體總變形由上述地層損失、圍巖變形和整體沉降組合而成，與萍蓮高速紅黏土圍巖隧道現(xiàn)場變形規(guī)律相符合。拱頂沉降大于周邊收斂，施工過程中應重點處理圍巖垂直方向變形。

4 更換鋼拱架處置方案

4.1 換拱方案

對大變形已超限段，應及時施作仰拱，且換拱處置后，應保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和原設計凈空斷面尺寸，確保施工安全。在換拱時，應按照下述方案進行。

（1）臨時鋼支撐加固。對未施作仰拱段、已施工三臺階開挖中上臺階部分、已開挖三臺階上下臺階部分進行臨時支撐架設。已施工完成仰拱段下部收斂已穩(wěn)定，待前后二襯完成后，進行換拱處理。

（2）侵限段徑向注漿加固。在洞內(nèi)臨時鋼支撐架設完畢且變形穩(wěn)定后，進行徑向注漿加固，對初期支護背后圍巖進行加固處理。注漿材料采用1∶1普通水泥漿。注漿壓力一般以注漿處靜水壓力為基礎，加0.5～1.5MPa進行注漿。

（3）初期支護拆除。初期支護分單元進行拆除，從已施工二襯段向掌子面逐榀拆換，拆除采用液壓破碎炮機輔助風鎬進行。拆除順序一般采用從下向上、先墻后拱的順序進行拆換，拆除一段，支護一段。

（4）架設換拱鋼支撐。安裝前，清除拱腳虛碴，超挖部分用C30混凝土填充。鋼支撐在換拱作業(yè)面前人工組裝，各節(jié)鋼架用螺栓連接，連接板接縫三面滿焊。為減小拱頂下沉，鋼支撐落底必須落到實地，鎖腳錨管必須嚴格按照設計施工。

（5）拆換后，初支結(jié)構(gòu)按原設計，設置12cm預留變形量，保證初期支護凈空。

（6）拱架拆換完成后，及時噴混凝土支護。

（7）拆換長度達到1～2個襯砌臺車長度后，及時施做防水層和二次襯砌，保證二襯緊跟。

（8）加強監(jiān)控量測，保證每天不少于2 次，并重點觀察斷面變形情況。

4.2 換拱工藝流程圖

侵限處治控制重點在襯砌、換拱、落底、封閉成環(huán)4個方面，換拱工藝流程圖詳見圖3。

圖3 換拱工藝流程圖

5 結(jié)論

以萍蓮高速紅黏土隧道為依托工程，進行大變形紅黏土隧道圍巖變形特征研究，綜合分析，得到以下結(jié)論。

（1）紅黏土隧道施工遭遇雨季，對圍巖變形影響大，開挖后，圍巖變形速率大，拱頂沉降普遍大于周邊收斂。紅黏土圍巖黏聚力大，使得拱頂沉降較大且未發(fā)生垮塌。因此，對拱頂沉降侵限應重點關(guān)注，進行支護加強。隧道圍巖變形可分解為由“地層損失+圍巖變形+整體沉降”3種變形模型組合成的整體形變。

（2）侵限處治控制重點在襯砌、換拱、落底、封閉成環(huán)4個方面。換拱必須在臨時支撐全部架設完畢且注漿完成并達到設計效果后方可施工；換拱須逐榀拆換，嚴禁兩榀同時施作；侵限清除杜絕二次侵限；鎖腳錨桿打設牢固，加對拱架的鎖固作用。