谈炭质片岩隧道变形原理及三台阶错位施工法

陈永建

炭质片岩是沪汉蓉通道武汉—安康增建第二线工程汉江峡谷段遇到的主要地质问题,而该类围岩隧道的开挖施工方法在目前国内外隧道施工中仍是一道难题。主要原因是该类围岩的稳定性差,在地下水作用下,炭质片岩易软化变形,导致围岩出现变形或坍塌。根据施工现场情况和围岩量测结果分析显示,该类围岩开挖后的变形具有不收敛性,特别是在开挖完成后15 d左右围岩易发生突变产生塌方。因此研究炭质片岩的围岩特性和变形规律,解决该类围岩的开挖施工方法势在必行。

1 围岩变形机理分析

1.1 围岩特征及分类

根据现场施工揭示的炭质片岩,按分布形态和岩性特征可分为透镜体或薄夹层状、互层状和呈厚层或带状分布等不同类型,当炭质片岩以透镜体、薄夹层状或互层状存在于石英云母片岩或云母石英片岩中时,一般情况下对围岩的整体稳定性影响不大,但在地下水的作用下,炭质片岩易软化变形,强度和稳定性降低,局部可能出现变形或坍塌。厚层或带状分布的炭质片岩,从工作面看围岩大部分或全部分为炭质片岩,连续出现长度数十米至数百米。受构造等因素的影响,岩体的抗剪强度低,岩体扭曲、褶皱现象明显,节理发育,岩体节理面光滑亮泽,多为曲面,往往夹杂有石英岩脉侵入体,并伴有地下水渗流,结构面之间结合差,易分离剥落,在地下水的作用下,围岩强度和稳定性进一步降低,容易出现初期支护的开裂变形和塌方。

1.2 围岩监控量测及分析

1.2.1 测点布置

根据实际情况,在隧道每个测量断面各布置一个拱顶下沉观测点D和三条净空水平收敛量测线C,B,A,共7个测点,布置见图1,测点选用、频次及要求参照相关规范执行。

1.2.2 监控量测结果分析

根据现场量测结果绘制分析图,见图2。

根据绘制的数据分析图,我们可以得出如下结论:

1)围岩变形量大,且在个别时段变形加剧:施工过程中工序转化时对围岩收敛变形影响较大,从图2我们可以看出在掌子面爆破、下台阶落底及仰拱开挖等施工时,由于施工的干扰,破坏了围岩的受力均衡性,从而加剧了围岩的变形。围岩最大变形量达到1 440 mm(水平收敛)。

2)变形持续时间长:围岩蠕变比较严重,持续时间较长,二衬施工之后依然存在变形。如DZK256+475～DZK256+505共30 m段二衬拱顶和拱腰均出现较大的裂纹,很多地方甚至出现混凝土块剥落,可见该类围岩的变形持续时间很长。

3)变形分布不均匀,主要表现在以下两方面:a.水平收敛明显大于拱顶下沉:水平收敛的速度和累计变形量均明显大于拱顶下沉,拱顶下沉一般累计变形在100 mm左右,水平收敛累计变形一般达到500 mm以上。局部段落最大变形量达到1 440 mm。b.隧道围岩变形主要分布在初期支护钢架的连接处、拱脚和墙角位置。初期支护完成后,由于受围岩变形作用力的影响,围岩应力继续重新分布,导致初期支护受力薄弱处或者围岩压力较大处开始开裂掉块,侵入二衬空间;严重部位会出现钢架扭曲变形,甚至被剪断。

2 三台阶错位施工法

由于施工掌子面围岩为炭质片岩,属软弱围岩,施工方法选用三台阶六部错位法进行掘进施工。台阶长度根据实际情况,留出施工平台,放置小台架即可,一般为3 m～5 m,仰拱与下台阶的距离以方便出碴即可,一般为10 m～15 m,二衬紧跟仰拱施作。在开挖过程中,三台阶同时起爆,其不同于其他施工方法处有:1)工作面多,循环作业时间短;2)支护及时、稳定;3)施工安全。

2.1 三台阶施工法布置形式

上台阶长度控制在4.5 m,根据高度必须满足矢跨比h/L＞0.3,因此上台阶高度按3.6 m控制;中台阶长度控制在6 m,高度为2.8 m;下台阶长度为5 m,高度为3.1 m;仰拱与下台阶的长度控制在10 m～14 m(保证浇筑完仰拱后距下台阶的长度在10 m),具体见图3。

2.2 施工工艺及流程

1)在上台阶按照设计要求设置φ42的超前支护(超前小导管),小导管长度 3.5 m,环向间距0.3 m,小导管的纵向搭接长度必须大于1.0 m,并按照要求在导管上设置注浆孔并及时注水泥浆,尾部与钢拱架焊接牢固。

2)在上、中、下三个台阶同时进行钻眼施工,根据Ⅴ级加强围岩(炭质片岩)确定每次爆破掘进进尺在0.5 m～1.0 m,开挖的轮廓线根据围岩量测分析资料预留变形量40 mm～50 mm(设计预留变形量为25 mm)。开挖后立即进行喷、锚、网系统支护,设立型钢钢架并复喷至设计厚度,形成较稳定的承载拱墙。施工中应在上台阶的左侧中部设置超前探孔(可在施工超前小导管时设置),深度为5 m,及时了解前方施工围岩情况和有无重大险情。

3)待所有钻孔全部施工完毕后,立即进行装药爆破,施工顺序如下:上台阶、中台阶和下台阶同时爆破(利用雷管的段数可以调整爆破时间和顺序)后,首先挖掘机开到下台阶,将中台阶第2,3部分的碴扒到下台阶;然后将挖掘机开到中台阶第2部分的位置(该部分宽度比第3部分宽,方便挖掘机作业),将上台阶碴扒下来;最后挖掘机下到下台阶,开始装碴,运出洞外。待碴基本出完后,立即同时对三个台阶进行初期支护。

3 取得成果

自2006年8月开始,沪汉蓉通道武汉—安康增建第二线工程杨河隧道西河湾横洞正洞施工遇到了大段落的炭质片岩段,由于起先对该类围岩的变形情况不了解,围岩发生多次变形及塌方,施工进度非常缓慢。根据现场施工统计,2006年8月～2007年4月的8个月时间内总掘进不到50 m,严重制约了襄渝二线总工期目标的实现。2007年5月16日,我局根据现场实际情况调整开挖施工方案,针对该类炭质片岩采用三台阶六部错位法施工后,每月掘进施工进度约40 m～50 m,确保了杨河隧道西河湾横洞于2008年12月30日顺利贯通,也为襄渝二线旬阳—蜀河段2009年“8.30”开通奠定了坚实的基础。