建全村隧道軟弱圍巖大變形的處治分析

摘要：文章依托建全村隧道工程實(shí)例，對(duì)其施工中遇到的軟巖大變形問(wèn)題進(jìn)行研究，分析了隧道襯砌變形開裂的特征及成因，建立針對(duì)不同隧道襯砌大變形破壞類型的施工處治方案，通過(guò)仰拱處理、二襯拆換、套襯施工、鋼帶加固及裂縫處治等處治措施有效控制了建全村隧道圍巖變形。

關(guān)鍵詞：軟巖大變形；大變形特征；處治措施

中圖分類號(hào)：U457+.2

0 引言

隨著我國(guó)交通需求量的提升，加之我國(guó)地形條件復(fù)雜，隧道工程是在進(jìn)行穿山越嶺的修建中不可或缺的一部分［1］。當(dāng)隧道穿越軟弱圍巖時(shí)，由于軟弱圍巖往往具有較低的抗壓強(qiáng)度和較高的可變形性，易受地下水侵蝕和巖層斷裂的影響，常由于地質(zhì)構(gòu)造、巖層性質(zhì)和地下水等因素的影響使隧道產(chǎn)生軟弱圍巖大變形的問(wèn)題［2］。大變形會(huì)給隧道工程帶來(lái)多方面的影響，隧道的穩(wěn)定性受到嚴(yán)重威脅，可能引發(fā)圍巖塌方、支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞等事故；大變形還會(huì)導(dǎo)致隧道斷面變形和尺寸擴(kuò)大，從而使隧道的設(shè)計(jì)凈高和凈寬出現(xiàn)超限，降低通行能力。此外，大變形還會(huì)導(dǎo)致隧道透水性增大，加劇地下水涌入，增加排水難度和工程風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)隧道軟弱圍巖大變形問(wèn)題，許多研究及工程實(shí)例已經(jīng)取得了一定的成果。于景飛等［3］通過(guò)對(duì)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間效應(yīng)及空間效應(yīng)的兩個(gè)方面分析隧道軟弱圍巖的變形特征，并提出治理措施。林之恒等［4］提出“讓防結(jié)合，剛?cè)岵?jì)，柔讓適度，剛度足夠，共同承載”的控制理念，為實(shí)際工程提供參考。孫啟博等［5］研究了在理論分析與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法下，雙層支護(hù)結(jié)構(gòu)在謝家坡隧道軟弱圍巖大變形段的應(yīng)用效果。但目前對(duì)于套襯施工、鋼帶加固等施工工藝技術(shù)對(duì)于軟弱圍巖大變形的處治效果仍有研究空間。本文將從施工工藝出發(fā)，分析軟弱圍巖大變形，并提出處治措施及方案。

1 工程概況

建全村隧道位于峨漢高速公路2標(biāo)段14分部，設(shè)計(jì)為雙向分離式越嶺隧道，全長(zhǎng)1 451 m，最大埋深196 m，位于雅安市漢源縣富泉鄉(xiāng)建設(shè)村。隧道進(jìn)口位于西溝右岸斜坡中下部，斜坡整體坡度36°，坡向南東，坡體順直，其上基巖局部有出露，隧道進(jìn)口段圍巖主要由崩坡積層及粉砂質(zhì)泥巖構(gòu)造，崩坡積層以散體結(jié)構(gòu)為主，圍巖穩(wěn)定性差，容易引發(fā)坡表土體失穩(wěn)滑動(dòng)。隧道出口位于黑石河左岸斜坡中下部，斜坡整體坡度27°左右，洞口處為崩坡積堆積層，隧道出口段為第四系崩坡積松散層，呈散體結(jié)構(gòu)，圍巖穩(wěn)定性差。

漢源位于Y字形構(gòu)造帶核部附近，屬于四川省區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)最強(qiáng)烈地區(qū)之一。隧址區(qū)多條斷層相互切割，分期配套復(fù)雜，斷層既有壓扭性特征、又有逆沖走滑性質(zhì)。根據(jù)地面調(diào)查，隧址區(qū)除了發(fā)育金坪斷裂外，另外存在至少三條斷層，如圖1所示，其中1號(hào)和2號(hào)斷裂已經(jīng)查明，根據(jù)地層所處的關(guān)系，推測(cè)3號(hào)斷裂從隧址區(qū)通過(guò)，其走向大概率與隧道小角度相交，并隱伏在地下，深度不明。

2 軟弱圍巖大變形特征及成因

2.1 變形特征

（1）初期支護(hù)變形滯后性強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、量值大。

隧道開挖后，工作面巖體特征與設(shè)計(jì)基本相符，但隨著時(shí)間推移，受殘余地應(yīng)力釋放、地下水滲流軟化、爆破振動(dòng)松動(dòng)圈等影響，初支開始發(fā)生變形，且變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，變形程度隨著時(shí)間的推移而加劇。具體表現(xiàn)為：初支施作完成后通常一個(gè)星期開始出現(xiàn)變形，同時(shí)在仰拱開挖后進(jìn)一步加劇，變形在二襯施工前持續(xù)發(fā)展。另外，施工過(guò)程中，左洞最大周邊收斂值高達(dá)0.87 m，初支拱部下沉＞1 m。

（2）變形以擠壓破壞為主，局部區(qū)域存在拉裂破壞。

（3）二襯裂縫分布廣，且不具有連續(xù)性。

（4）左右洞雙線之間變形破壞更為嚴(yán)重，且主要出現(xiàn)在先行導(dǎo)洞。

（5）地下水作用顯著，二襯邊墻出現(xiàn)嚴(yán)重滲水現(xiàn)象。

（6）極高地應(yīng)力引起洞內(nèi)結(jié)構(gòu)變形嚴(yán)重且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

2.2 變形成因

（1）隧址區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境：建全村隧道所處地漢源位于四川區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)最為強(qiáng)烈的Y字構(gòu)造帶核部附近，且發(fā)育多條次生斷裂。隧道開挖后的巖層走向與隧道走向基本平行，產(chǎn)狀陡傾，構(gòu)造強(qiáng)烈，圍巖主應(yīng)力方向垂直于隧道，使圍巖極易向東內(nèi)變形。在建全村隧道開挖過(guò)程中，受汛期降雨影響，地下水滲流加劇，有效應(yīng)力不斷降低，在圍巖應(yīng)力重分布過(guò)程中，巖體抗剪強(qiáng)度不斷調(diào)整，引起巖體變形，而巖體變形又為滲流提供了幾何空間，加劇了孔隙水壓力的調(diào)整。

（2）極高地應(yīng)力：由“流變應(yīng)力恢復(fù)法”地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果可知，隧址區(qū)δx＞δz＞δy，即最大主應(yīng)力為水平地應(yīng)力，其數(shù)值為8.88 MPa，方向?yàn)榻鼥|西方向；中風(fēng)化砂巖和粉砂質(zhì)泥巖的強(qiáng)度應(yīng)力比分別為2.0和0.96，屬于極高應(yīng)力區(qū)。

（3）軟巖小凈距隧道開挖：隧道穿越在進(jìn)口段為侏羅系紅色-棕紅色粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖與泥巖不等厚互層，屬極軟巖-軟巖，出口段為上三疊系須家河組灰色至黑灰色砂巖、泥質(zhì)砂巖、泥巖夾炭質(zhì)頁(yè)巖，兩者間為次級(jí)分支斷層接觸，也屬于極軟巖-軟巖。對(duì)于陡傾軟巖中的小凈距隧道，在隧道先行洞開挖后進(jìn)行應(yīng)力釋放，達(dá)到新的平衡，隧道后行洞開挖再次打破平衡、擾動(dòng)圍巖，兩洞松動(dòng)圈具有疊加放大效應(yīng)，導(dǎo)致先行洞破壞嚴(yán)重，同時(shí)地下水的不斷滲入，軟化圍巖且加大中巖墻自重荷載，造成中巖墻應(yīng)力集中顯著，造成兩線間變形更嚴(yán)重以及仰拱單側(cè)隆起現(xiàn)象。

3 處治措施

3.1 處治思路

隧道所處的地質(zhì)環(huán)境極為復(fù)雜，所發(fā)生的病害也是多種多樣，處治的主要思路包括主動(dòng)型圍巖加固、被動(dòng)型結(jié)構(gòu)加固及隧道長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，其中主動(dòng)型圍巖加固的措施有拱部圍巖加固及仰拱基底加固；被動(dòng)型結(jié)構(gòu)加固的措施有襯砌拆換、模筑套襯、鋼帶加固、仰拱加深、裂縫修補(bǔ)等，如圖2所示。

根據(jù)隧道病害的類型及嚴(yán)重程度，有針對(duì)性地選擇多種措施的有機(jī)組合。處治措施及段落由業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工及監(jiān)理四方根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件動(dòng)態(tài)確認(rèn)調(diào)整。

3.2 隧道各區(qū)域病害特點(diǎn)及處治方案

根據(jù)隧道病害的實(shí)際情況，對(duì)隧道各段落進(jìn)行區(qū)域劃分。劃分原則主要根據(jù)段落病害程度進(jìn)行。A區(qū)域?qū)?yīng)二襯破損、脫落段落；B區(qū)域?qū)?yīng)二襯出現(xiàn)網(wǎng)狀裂縫、縱向裂縫段落；C區(qū)域?qū)?yīng)洞身出現(xiàn)＞0.5 mm的環(huán)向及斜向裂縫的段落；D區(qū)域?qū)?yīng)仰拱回填嚴(yán)重隆起、破損、縱向開裂、錯(cuò)臺(tái)的段落；E區(qū)域?qū)?yīng)仰拱回填輕微隆起、開裂段落，F(xiàn)、G、H區(qū)域?qū)儆谙鄬?duì)弱變形區(qū)，裂縫寬度＜0.5 mm。具體處治措施見(jiàn)表1。

具體施作方法如下：

圍巖加固（CZJ型）：采用6 m長(zhǎng)42 mm注漿小導(dǎo)管及12 m長(zhǎng)32 mm自進(jìn)式錨桿交錯(cuò)布置注漿加固圍巖，縱向間距60 cm，環(huán)向間距120 cm。42 mm注漿小導(dǎo)管全斷面布置，32 mm自進(jìn)式錨桿拱部90°范圍不布置。

二襯重建（CZH型）：原襯砌拆除時(shí)保留拱腳處的原有鋼筋，新舊襯砌鋼筋之間形成可靠連接。無(wú)法連接的鋼筋，采取植筋等措施與原襯砌加強(qiáng)銜接，保證二襯結(jié)構(gòu)整體受力性能。重建二襯鋼筋接長(zhǎng)采用焊接，采用HRB400鋼筋，箍筋按30 cm（沿外側(cè)環(huán)筋）等間距布置，必須同時(shí)箍住環(huán)向主筋和縱向鋼筋，環(huán)向主筋凈保護(hù)層厚度為5 cm。

套襯（CZE型）：套襯采用厚度25 cm的C50鋼筋混凝土，套襯底部增設(shè)長(zhǎng)4.5 m25 mm藥卷錨桿鎖腳，錨桿頭部采用L形，長(zhǎng)度為25 cm，間距40 cm，并與結(jié)構(gòu)主筋一起焊接。

鋼帶加固（CZG型）：在二次襯砌臨空面粘貼整環(huán)熱軋鍍鋅鋼帶，鋼帶厚8 mm、寬40 cm、間距100 cm；鋼帶與隧道二次襯砌砌模筑混凝土之間采用改性環(huán)氧樹脂膠粘劑進(jìn)行粘接，并用膠粘-模擴(kuò)底錨栓錨固，采用4 m長(zhǎng)32 mm砂漿錨桿進(jìn)行鎖腳。適用于二襯變形開裂中＞0.5 mm的環(huán)向、斜向裂縫區(qū)域。

仰拱拆除重建（CZYS型）：仰拱嚴(yán)重隆起時(shí)，需進(jìn)行仰拱拆除，除基底群樁加固以外，采用仰拱加深、140 mm×6 mm鋼管樁鎖腳等措施。

仰拱加固（CZYY型）：仰拱隆起段落采用4 m長(zhǎng)250 mm鋼筋混凝土樁+8 m長(zhǎng)140 mm×6 mm鋼管樁進(jìn)行加固，樁間間距為150 cm×150 cm（環(huán)向×縱向），交錯(cuò)布置。

邊墻底部鋼管樁加固（CZGZ型）：鋼管樁長(zhǎng)4 m，縱距1 m，豎向夾角取15°和45°，鉆孔直徑220 mm，內(nèi)置140 mm×6 mm熱軋無(wú)縫鋼管和鋼筋籠。

注漿回填（CZHT型）：采用注漿管注漿改善仰拱脫空和二襯背后空洞的情況。

裂縫修補(bǔ)（CZL型）：無(wú)明水的點(diǎn)滲和面滲采用防水材料封閉，裂縫寬度＜0.2 mm時(shí)采用防水材料封閉，裂縫寬度＞0.2 mm時(shí)采用注漿管注漿修補(bǔ)加固。

各處治措施示意圖如圖3所示。

3.3 隧道監(jiān)控量測(cè)

在對(duì)建全村隧道相應(yīng)病害區(qū)域采取處治措施后，對(duì)其二襯、仰拱進(jìn)行了監(jiān)控量測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2和表3。

由于軟弱圍巖大變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，需要在洞內(nèi)與地表設(shè)置監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，以保證其不會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)帶來(lái)更多影響與破壞［6］。

對(duì)比處治前隧道拱頂沉降最大值達(dá)到14.6 mm/d，周邊收斂速度最大值達(dá)到12.3 mm/d，隧道左右拱腰沉降、拱頂沉降等均得到了有效控制。根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/TF60-2009）對(duì)變形速率的定義結(jié)合高地應(yīng)力的地質(zhì)情況，處治前隧道處于變形急劇增長(zhǎng)階段，處治后隧道處于基本穩(wěn)定階段與變形緩慢增長(zhǎng)階段。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著隧道工程的不斷發(fā)展，軟弱圍巖大變形問(wèn)題逐漸成為工程建設(shè)中的重要挑戰(zhàn)。本文針對(duì)軟弱圍巖大變形對(duì)建全村隧道的影響，以及如何有效處治這一問(wèn)題進(jìn)行了研究。在研究中，通過(guò)調(diào)查和分析，確認(rèn)了軟弱圍巖大變形對(duì)建全村隧道安全穩(wěn)定性造成的影響，根據(jù)變形特征和成因，采取了一系列處治方案，包括圍巖加固、二襯重建、套襯施工、鋼帶加固、仰拱拆除重建、仰拱加固、邊墻底部鋼管樁加固、注漿回填以及裂縫修補(bǔ)。通過(guò)實(shí)際工程的實(shí)施與應(yīng)用，驗(yàn)證了這些處治方案的有效性和可行性。

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收稿日期：2024-03-06

作者簡(jiǎn)介：金 濤（1985—），高級(jí)工程師，主要從事公路工程施工管理工作。