隧道大變形破壞成因及控制技術(shù)分析

陳鯨洋

（中鐵十九局集團(tuán)第二工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

1 工程概況

某雙線隧道隧址區(qū)地質(zhì)條件極差，具有高地應(yīng)力、高地震烈度、高地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)，地形切割極為強(qiáng)烈、構(gòu)造條件極為復(fù)雜活躍、巖性條件極為軟弱破碎。該隧道穿越地層巖性為三疊系上統(tǒng)新都橋組（T3x）炭質(zhì)板巖夾板巖、砂巖，受斷裂帶影響，巖體破碎，次生小斷層及柔皺較發(fā)育，層理產(chǎn)狀變化較快，層間擠壓嚴(yán)重，受構(gòu)造影響巖體破碎，砂巖、板巖等節(jié)理、裂隙發(fā)育，局部貫通性好，裂隙水發(fā)育。

2 地質(zhì)概況

隧道開挖揭示巖性主要為炭質(zhì)板巖夾千枚巖，薄層狀，局部夾白色方解石巖脈，弱風(fēng)化，巖質(zhì)較軟，巖層走向與線路呈大角度斜交，傾向掌子面左側(cè)，傾角為50°～70°，局部層理扭曲，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖破碎，局部圍巖手可捏碎，掌子面局部滲水，炭質(zhì)板巖、千枚巖遇水易軟化，掌子面及拱頂易掉塊、溜坍，圍巖整體穩(wěn)定性差。

3 變形破壞特征及成因

3.1 變形破壞特征

該隧道圍巖較破碎，屬于散體結(jié)構(gòu)軟巖隧道，開挖后圍巖穩(wěn)定性極差，變形方向不固定，掌子面極易發(fā)生失穩(wěn)情況。按原設(shè)計(jì)方案施工，初期支護(hù)體系出現(xiàn)了變形破壞，主要表現(xiàn)為：①初期支護(hù)變形速率大，最大可達(dá)到32 mm/d，仰拱封閉成環(huán)后變形速率逐步減緩穩(wěn)定，累計(jì)變形最高可達(dá)45 cm；②掌子面局部坍塌，拱部及邊墻初期支護(hù)混凝土開裂嚴(yán)重，有明顯裂縫，局部剝落、掉塊，局部段落邊墻侵限嚴(yán)重；③局部拱腰位置鋼架扭曲。

3.2 變形破壞原因

結(jié)合隧址區(qū)區(qū)域地質(zhì)條件、開挖揭示的圍巖條件和變形破壞特征等綜合分析、研究，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致該隧道大變形破壞的主要原因有：①受活動(dòng)斷裂的影響，洞身巖體極為松散、軟弱、破碎，加之隧道開挖擾動(dòng)使得洞身巖體的原始應(yīng)力狀態(tài)被破壞，導(dǎo)致該洞周圍巖的強(qiáng)度應(yīng)力比急劇下降，產(chǎn)生顯著的變形[1]；②隧道開挖揭穿和擴(kuò)大了地下水的排泄通道，地下水下滲、攜裹層間固體物質(zhì)流失，造成結(jié)構(gòu)面間的相互錯(cuò)動(dòng)，導(dǎo)致巖體沿結(jié)構(gòu)面向洞內(nèi)滑移變形，加劇了初期支護(hù)體系的破壞[2]。

4 大變形控制關(guān)鍵技術(shù)

該隧道大變形段落施工，應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)初期支護(hù)封閉成環(huán)，形成整體結(jié)構(gòu)受力體系，并應(yīng)以長短錨桿相結(jié)合形成錨桿群作用適應(yīng)大變形變化，以達(dá)到控制大變形的目的。對(duì)于大變形控制關(guān)鍵技術(shù)如下：

4.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

采用地質(zhì)分析法、超前水平鉆法和炮孔加深法、地質(zhì)雷達(dá)法和隧道地震勘探法（Tunnel Seismic Prediction，TSP）、地下水發(fā)育地段紅外探水法等多種手段相結(jié)合，探明掌子面前方地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水發(fā)育等情況，提前判釋，及時(shí)調(diào)整工程措施和開挖方法[3]。

4.2 微三臺(tái)階上部核心土法開挖技術(shù)

（1）開挖范圍：以微三臺(tái)階上部核心土法開挖技術(shù)，實(shí)現(xiàn)初期支護(hù)“快挖、快支、快封閉、快成環(huán)”，在短時(shí)間內(nèi)初期支護(hù)可封閉成環(huán)，形成良好的整體結(jié)構(gòu)受力體系。通過不斷地優(yōu)化，兼顧開挖工序的施工組織和機(jī)械設(shè)備的布置空間，微三臺(tái)階上部核心土法開挖技術(shù)的臺(tái)階高度和步距控制的范圍為：上臺(tái)階高度控制在4 m 左右，中臺(tái)階高度2.9 m 左右，下臺(tái)階控制在3.1 m左右，仰拱距下臺(tái)階不超過10 m，二次襯砌拱墻離掌子面距離控制在70 m 以內(nèi)。

（2）開挖流程：①開挖1 部，采用挖掘機(jī)將1 部的土體扒出核心土范圍之外，上部核心土預(yù)留縱向長度控制在為3～5 m，高度控制在2～3 m，寬度一般控制在上臺(tái)階開挖寬度的2/3 以上，上部核心土隨開挖掘進(jìn)順次開挖、取消；②在上臺(tái)階初期支護(hù)穩(wěn)定的條件下，交錯(cuò)開挖2、3 部，2、3 部開挖長度以能施作2 榀鋼架為準(zhǔn)，開挖后及時(shí)施作初期支護(hù)封閉；③挖掘機(jī)交錯(cuò)開挖4、5部，開挖長度為2 榀拱架，開挖后及時(shí)施作初期支護(hù)封閉；④隧底開挖，隧底開挖采用全幅施工，上面鋪設(shè)仰拱棧橋，開挖長度控制在每次不超過5 榀拱架，一般控制在3 m 左右，開挖后及時(shí)施作隧底初期支護(hù)封閉成環(huán)[4]。

（3）開挖質(zhì)量控制要點(diǎn)：①1 部開挖時(shí)每次進(jìn)尺一榀鋼架間距，先采用挖掘機(jī)開挖，距開挖輪廓線處預(yù)留30～50 cm 巖、土體，人工采用風(fēng)鎬沿輪廓線進(jìn)行開挖預(yù)留土體，避免挖掘機(jī)開挖對(duì)已施作的初期支護(hù)造成破壞和對(duì)洞周遺留巖、土體產(chǎn)生大的擾動(dòng)；②各部開挖時(shí)，拱腳處預(yù)留不少于30 cm 厚的巖、土體，采用人工開挖，嚴(yán)禁拱腳超挖，拱腳采用擴(kuò)大拱腳墊槽鋼，防止因拱腳原狀土被破壞或承載力不足而造成支護(hù)下沉；③每循環(huán)開挖前，測(cè)量組在掌子面準(zhǔn)確放出開挖輪廓線，開挖完成后要檢查開挖斷面，不得出現(xiàn)超欠挖[5]。開挖施工放樣時(shí)比設(shè)計(jì)開挖輪廓半徑應(yīng)加大預(yù)留，施工預(yù)留變形量=施工誤差5 cm+圍巖預(yù)留變形量（根據(jù)前期初期支護(hù)變形量動(dòng)態(tài)調(diào)整）。由于分部開挖后各部分?jǐn)嗝孑^小，不能完全采用機(jī)械開挖，可以采用挖掘機(jī)挖出上部的主斷面，周邊輪廓采用人工使用風(fēng)鎬修鑿，以達(dá)到符合設(shè)計(jì)開挖輪廓線為準(zhǔn)。采用挖掘機(jī)配合裝載機(jī)出碴。

4.3 長短錨桿相結(jié)合施工技術(shù)

（1）短錨桿。采用長4 m、Φ22 mm 組合中空錨桿，在開挖后，初噴一層噴射混凝土后進(jìn)行，初噴混凝土厚度不少于8 cm，噴射面圓順，錨桿垂直于噴射面切線方向，墊板與初噴面密貼。錨桿注漿采用孔底返漿法，注漿順序按“分區(qū)分段輪注法”的原則多次注漿法，確保注漿孔及孔周巖體裂隙充填密實(shí)，使短錨桿與開挖揭示后的圍巖快速形成整體，共同受力，有效提高圍巖的自穩(wěn)能力[6]。

（2）長錨桿。采用長8 m、Φ38 mm 中空錨桿，長錨桿采用后打法，即初期支護(hù)噴射混凝土完成后，待初期支護(hù)體系有一定變形后進(jìn)行，施作時(shí)機(jī)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)而定。當(dāng)出現(xiàn)以下情況應(yīng)及時(shí)施作長錨桿：①監(jiān)控量測(cè)變形速率持續(xù)2 d 大于5 mm/d；②累計(jì)變形量大于10 cm 時(shí)，變形速率仍未降低；③初期支護(hù)出現(xiàn)開裂、鋼架出現(xiàn)扭曲變形和短錨桿墊板出現(xiàn)變形。長錨桿與短錨桿打設(shè)位置交錯(cuò)布置，長錨桿注漿原則和方式同短錨桿，必須確保注漿質(zhì)量；長錨桿鉆孔應(yīng)穿越圍巖塑性區(qū)，錨入圍巖彈性區(qū)，使錨桿、初期支護(hù)和洞周巖體三者形成共同受力體系，協(xié)調(diào)應(yīng)對(duì)大變形，達(dá)到控制大變形的作用。

4.4 隧道洞內(nèi)水處理技術(shù)

該隧道圍巖主要為炭質(zhì)板巖夾千枚巖，千枚巖遇水極易軟化甚至泥化，極易造成圍巖極限強(qiáng)度急劇下降，勢(shì)必對(duì)隧道整體穩(wěn)定性造成極大的影響，從而進(jìn)一步加劇初期支護(hù)體系的變形，故應(yīng)高度重視隧道的洞內(nèi)水處理。

（1）對(duì)于富水地段，一方面結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合判釋掌子面前方水體位置及水量大小，同時(shí)采用超前水平鉆孔和加深炮眼加深進(jìn)行超前鉆孔釋水釋壓；另一方面對(duì)該區(qū)域采用超前周邊注漿進(jìn)行“靶向注漿”，提前對(duì)該富水地段巖體進(jìn)行注漿堵水、固結(jié)[7]。

（2）開挖后及時(shí)對(duì)滲水按開挖部位分別設(shè)置集水坑進(jìn)行匯集、引排，避免滲水散排，浸泡圍巖，同時(shí)惡化施工環(huán)境。

（3）初期支護(hù)完成后，對(duì)明顯滲水部位，應(yīng)采用不少于長4 m、Φ42 mm 鋼花管進(jìn)行注漿堵水、固結(jié)。

4.5 監(jiān)控量測(cè)

施工過程中，必須加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)工作，安排專人負(fù)責(zé)，納入工序卡控管理，及時(shí)采集數(shù)據(jù)，對(duì)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行整理、分析[8]：①根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整工程措施、施工預(yù)留變形量、工序施工進(jìn)度；②根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)控制長錨桿和二次襯砌拱墻的施作時(shí)機(jī)。

5 大變形控制效果

在該隧道某段區(qū)間先進(jìn)行試驗(yàn)段施工中，隧道施工安全、平穩(wěn)、有序，初期支護(hù)施作完成后，監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示最大拱頂累計(jì)下沉量為11 cm，凈空收斂最大累計(jì)量為16 cm。初期支護(hù)無異常開裂及鋼架扭曲現(xiàn)象，且初期支護(hù)穩(wěn)定后無侵入二次襯砌拱墻的現(xiàn)象。

6 結(jié)束語

通過該隧道施工實(shí)踐，采用了一系列控制大變形施工關(guān)鍵技術(shù)，洞內(nèi)初期支護(hù)穩(wěn)定，拱頂下沉和洞周收斂均在允許范圍之內(nèi)，仰拱面無任何變化，現(xiàn)場工序銜接合理，管理有序，安全可控，從現(xiàn)場施工情況可以判定目前選擇的掘進(jìn)技術(shù)是科學(xué)、合理的，能夠保證隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和隧道掘進(jìn)安全。