不良地质隧道初期支护变形特征及处理对策*

王文芳

(兰州石化职业技术学院 730060)

引言

随着我国交通基础设施的不断完善, 在复杂地质条件下修建隧道已经非常普遍, 然而在复杂地质环境中修建隧道常遇到突水突泥、 岩爆、 高温热害、 软岩大变形等灾害[1]。 这给隧道的正常施工带来极大的困难, 如兰渝铁路木寨岭、 胡麻岭和桃树坪隧道、 宜万铁路的野三关隧道、 大瑞铁路大柱山隧道等工程的地质灾害, 严重影响了隧道的正常建设[2-5]。 国内学者对不良地质隧道的建设有不同的观点, 部分学者认为加强勘察设计精度, 避开不良地质； 也有部分学者认为围岩灾害机理没搞清楚, 支护手段不够科学[6-8]。 但是目前的物探手段不能完全搞清楚复杂的地质状况, 工程建设过程中遇到不良地质隧道不可避免。 本文结合某隧道施工中出现的软岩变形问题, 简要介绍围岩的变形特征、 分析变形原因,制定了针对性的处理措施, 控制了初期支护变形, 顺利完成了施工。

1 工程及地质概况

某铁路隧道全长9585m, 为单管双线隧道,直线段线间距4.4m, 曲线段线间距4.6m, 最大毛洞开挖跨度14.5m, 开挖高度12.5m, 开挖面积142m2。 隧道所处的地质构造极其复杂, 经历了三期较明显的构造运动, 分别为前震旦纪、 中生代及新生代构造运动, 受多期构造运动叠加的影响, 隧道穿越3 条断层、 2 个褶皱带, 其中F1断层750m,X3向斜270m。 隧道岩体节理裂隙发育, 风化严重, 存在高地应力、 承压水、 断层破碎带地层, 施工难度较大。 隧道穿越X3向斜核部时, 发生初期支护变形、 混凝土掉块, 钢架扭曲和断裂, 初支侵限等施工灾害。

2 变形段特征及原因分析

2.1 变形特征

当隧道掘进至X3向斜核部时, DK27 +985 ～DK28 +035 段初期支护出现了变形, 在完成初期支护3 天后喷射混凝土开始掉皮、 鼓包, 大量的线状和股状水从掉皮处流出, 肉眼观察钢架和连接筋已近严重扭曲变形, 局部钢架已经扭断, 其中DK27 +985 ～998 段拱顶1.5m 范围内掉皮,DK27 +998 ～DK28 +035 拱顶至右侧拱墙底部掉皮严重, 钢架已经扭断。

统计初期支护变形趋于稳定时的最大变形量(图1), DK27 +985 ～ DK28 +000 段主要为拱部下沉； DK28 +000 ～DK28 +035 段主要为拱腰收敛, 已经严重侵限, 最大侵限33.9cm。 在钻爆掘进时, 右侧拱腰部位曾出现17cm/h 的收敛,爆破震动过程中围岩变形较快。 上半断面开挖支护24h 内, 右侧拱脚收敛2cm ～4cm, 拱顶下沉5cm ～7cm； 左侧拱脚收敛 2cm ～3.5cm, 停止钻爆掘进后, 流水部位支护变形趋于稳定。

图1 支护变形趋于稳定时的最大变形量散点图Fig.1 Maximum deflection scaller diagram of plateaued propping deformation

2.2 原因分析

受多期构造运动叠加的影响, 此段地层为断裂构造兼具压扭性推覆构造特征及张扭性断裂特征[9]。 开挖掌子面揭示地层呈水平层状结构, 硬质围岩间夹有软弱层, 泥状强风化软弱层与硬质破碎层交错出现, 夹层厚度、 产状变化频繁, 软弱夹层厚度1m ～4m, 岩层节理面中夹有0.2mm～3mm 泥状矿物, 岩石间的粘聚力、 摩擦力降低, 又因承压水的影响, 造成该段隧道施工期间多次发生涌水突泥灾害, 致使支护结构变形开裂而发生变形。

从支护方面考虑, 此段按Ⅲ级加强围岩支护参数设计, 采用锚网喷+ 型钢钢架联合支护,I16 钢架间距 1.5m,φ22 砂浆锚杆长 3.5m,φ8钢筋网片间距25cm ×25cm, C25 喷射混凝土厚25cm。 开挖后揭示的掌子面地层为Ⅴ级围岩, 设计的支护参数较低, 不能满足结构安全要求。

综合分析认为, 围岩强烈变形主要有以下三个原因: (1)受向斜构造影响, 岩体破碎, 糜棱岩化严重, 围岩的自稳能力差； (2)地层存在高水头承压水是主要原因, 隧道开挖后改变了水路通道, 大量的承压水流向支护面形成了较大的压力； (3)隧道围岩自稳性差, 采用光面爆破大进尺使围岩受扰动比较严重。

3 处理方案

分析了变形原因, 参照类似工程的技术[10-12], 制定以下四个方面的措施: (1) 对DK27 +985 ～DK28 +000 段初期支护变形段拱墙部位径向注浆加固, 提高围岩的自稳能力, 最大限度地控制变形； (2)对变形不严重、 侵入二衬限界小于1/4 的段落拱墙部位进行径向注浆加固, 二次衬砌加强设计, 全断面铺设防水板, 先墙后拱法施工； (3)变形较严重的DK28 +000 ～DK28 +020 段拱墙部位径向注浆加固, 右侧边墙底至拱顶部位更换拱架； (4)对 DK28 +020 ～DK28 +035 正在变形地段用长锚杆+大网片+高强微纤维混凝土进行补强加固。

3.1 径向注浆

径向注浆采用φ32 钢花管(图2), 长3.5m,环纵向间距均为1.0m, 在支护面上梅花形布置,施工过程中视变形情况调整间距。 将纵向5m 范围划为一个工作区段(图3), 依次施工。

图2 钢花管构造Fig.2 Steel piping structure

注浆材料为水泥+ 水玻璃双液浆, 水灰比0.7 ～0.9, 水泥: 水玻璃 =1∶0.5, 水玻璃模数3, 波美度35, 水泥强度等级 P.O42.5。 注浆压力控制在0.2MPa ～1.5MPa, 注浆遵循“先底层,后顶层, 先两边, 后中间”的步骤, 将水围堵至一点, 然后集中引出。

3.2 先墙后拱法施做二衬

先墙后拱法是指先施做二次衬砌拱墙混凝土, 然后施做仰拱。 在拱墙二衬的保护下开挖仰拱, 避免仰拱开挖对初期支护的影响； 此外先施做拱墙部位的二衬可以限制围岩变形, 为大里程段径向注浆和换拱作业提供安全通道。

图3 注浆孔布置示意Fig.3 Grouting hole arrangement schematic

施工前先将墙脚部位仰拱开挖成型, 铺设防水板, 立好模板, 做好此段仰拱钢筋和防水措施, 浇筑条形基础, 为衬砌台车提供通道(施工步骤见图4), 然后处理初支护基面, 铺设防水板, 架立仰拱横撑, 浇筑二次衬砌混凝土。

图4 先墙后拱法施工示意Fig.4 Wall first arch after construction schematic

3.3 换拱作业

换拱作业为全部处理过程最重要的环节, 稍有不慎就会出现安全事故, 安全风险极大。 换拱作业之前, 对拆换段断面初期支护进行临时的扇形木支撑和对口撑加固, 先径向注浆, 然后从拆换段的中心部位向小里程拆换, 拆除时以肢为单位, 逐肢更换, 更换完毕后将钢架与注浆用的钢花管尾部焊接, 施工时注意控制断面尺寸, 确保衬砌限界。 更换两肢钢架后挂φ12@20cm×20cm钢筋网片, 喷射C25 纤维混凝土, 重复上述工序, 直至所有钢架更换完毕。

整个变形处理过程耗时两个月, 严重影响了工期, 变形处理后, 量测数据显示, 二次衬砌拱顶下沉 1mm/t, 拱腰、 跨中、 拱脚最大收敛1mm/t, 仰拱浇筑后, 拱顶停止下沉, 拱腰、 拱脚、 跨中、 墙脚部位停止收敛, 满足验收标准[13,14], 证明变形整治措施是合理的, 整治处理成功。

4 调整正常段施工方法

在正常段施工中遵循“超前探、 小断面、 管超前、 短进尺、 强支护、 快闭合、 勤量测、 仰拱先行、 衬砌紧跟”的原则。 先做超前地质预报,摸清地质情况, 按照Ⅴ级加强支护参数施工: 用格栅钢架代替型钢钢架, 间距调整为0.6m ～0.8m, 并视围岩稳定情况调整进尺； 超前小导管长4.0m, 环向间距调整为22cm, 纵向搭接1.0m, 外插角 10° ～ 12°, 注水泥 + 水玻璃双液浆加固岩层； 用自进式锚杆代替普通砂浆锚杆；用φ12@20cm×20cm 钢筋网片代替φ8@25cm ×25cm 网片； 喷射 C25 纤维混凝土厚 25cm； 纵向连接筋双层内外交错布置, 环向间距80cm； 将三台阶开挖法变为七步作业法, 台阶长控制在5m ～7m, 仰拱距下台阶25m, 衬砌距仰拱25m；用弱震动控制爆破代替光面爆破, 将预留变形量调整为25cm, 视围岩情况适当调整。 支护完成后, 在支护面垂直钻5m 的深孔, 为承压水提供通道, 释放水压力。

调整施工方法后, 初期支护变形控制满足规范[13,14]的要求。

5 结语

针对隧道初期支护变形原因和特征, 提出了要充分发挥围岩的自承能力, 通过预留泄水孔、径向注浆、 换拱、 自进式锚杆+格栅钢架、 高强纤维混凝土等初期支护方法组合使用来控制变形是有效的。 在软弱围岩隧道初期支护变形、 坍塌等特殊的情况下, 采用先墙后拱法施做二次衬砌, 确保施工安全, 最大限度降低风险和损失。原设计的隧道围岩级别与开挖后揭示的围岩级别相差较大, 证明地勘资料欠准确, 建议对特殊构造区隧道进行勘测时要尽可能地搞清楚地质情况, 为设计和施工人员提供依据。