高地应力软弱围岩隧道大变形初期主动控制关键技术

周红祖

(中国水利水电第七工程局有限公司,成都 610213)

高地应力软弱围岩隧道大变形控制一直是隧道施工中的一大难题,目前暂无有效的控制措施。根据相关文献资料检索显示,我国大变形典型隧道有:兰新二线乌鞘岭隧道[1]、兰渝铁路木寨岭隧道[2]、宜万铁路堡镇隧道[3]、滇藏铁路哈巴雪山隧道[4]、广成山隧道[5]等等。其中滇藏铁路哈巴雪山隧道长9 523 m,历时9 a时间方贯通,工期翻倍;兰渝铁路中木寨岭隧道长约19 km,历时近9 a方贯通。由于地质条件复杂多样性,高地应力软弱围岩隧道大变形带来突泥涌水、溜塌掉块、隧道坍塌等诸多灾害。本文以某铁路隧道高地应力软弱围岩隧道出现初期大变形为案例,分析总结大变形机理和发展规律,找出变形原因,针对性地采取应对措施,尽可能抑制变形量,以达到减少拱架拆换的目的,确保安全高效施工。

1 工程概况

某铁路隧道全长17.786 km,IV围岩长度4 360 m,占比24.51 %;Ⅴ级围岩长度13 016 m,占比73.18 %;Ⅵ级围岩长度410 m,占比2.31 %。根据地勘资料显示,隧址区地质构造十分强烈,岩性以含炭质板岩为主,岩体强度低,隧道埋深较大,极易发生大变形,隧道主要穿越含炭质板岩、灰岩、砂砾岩,隧道共穿4条断层、10条解译断层、1条背斜褶皱。隧道设计软弱围岩大变形段长11 065 m,占隧道全长的62 %;其中一级大变形长度4 29 5m,占隧道全长的24.17 %;二级大变形长度5 135 m,占隧道全长的28.90 %;三级大变形长度1 295 m,占隧道全长的7.29 %;四级大变形长度340 m,占隧道全长的1.91 %。

该隧道属构造剥蚀、侵蚀中高山峡谷地貌,隧址区长段穿越三叠系下统党恩组,洞身主要穿越三叠系下统党恩组(T/1 d)含炭质板岩、绢云母板岩;二叠系上统冈达概组三段(P/3g3)中厚层状灰岩、千枚岩夹板岩;第三系热鲁组(E/2-3r)砂砾岩地层。

2 软弱围岩隧道大变形机理、表现特征及发展规律

2.1 变形机理

高地应力、低强度、强流变的挤压性围岩开挖后表现出显著的掌子面挤出、先行位移和后方径向位移的时空演化过程;随岩体流变粘性时效发展,变形持续增大,围岩逐渐进入粘塑性时效屈服状态。

(1)软弱围岩的塑流:开挖导致围岩应力调整,应力调整引起的扩容使岩体中原本闭合的结构面张开滑移,以及围岩岩体进一步碎裂化,在改变岩体应力状态和强度的同时,围岩中地下水沿张开裂隙渗流和软化作用导致围岩塑性流动,使围岩产生较大的收敛位移[6]。

(2)碎裂结构变形:围岩层间存在着软弱夹层,开挖卸载后,由于裂隙发育不均匀造成局部应力集中,原本在高地应力和自重应力作用下闭合的节理张开、扩张,部分围岩切割为碎裂状,开挖时易坍塌掉块和顺层滑移;但仍有部分较完整围岩沿层状弯曲破坏,此时隧道破坏表现为弯曲、顺层滑移、坍塌等组合形式[7]。

(3)散体压密结构:围岩较为破碎、松散,埋深较大时,受围岩压力及高地应力作用,围岩成压密状,由于隧道开挖后应力释放和重分布,导致原本压实闭合的结构面张开滑移,以及围岩岩体进一步碎裂化,围岩即刻呈松散状,围岩的变形破坏表现为松动圈累进性扩展特点。但随着主应力方向及侧压力系数的不同,塑性区可出现在洞周不同的部位,从而引起这些部位围岩及支护结构破坏,将导致大变形发生[8]。

2.2 变形初期表现特征及发展规律

2.2.1 变形初期表现特征

大变形初期表现特征主要为监控量测变形数据大、底板隆起、初支开裂、喷混凝土剥落掉块、钢拱架扭曲、切断、锁脚U型筋切断等。根据监控量测数据统计分析,边墙单侧最大变形量为364 mm,累计变形最大值为511.4 mm,日最大变形速率达82.5 mm/d,以收敛变形为主,拱顶沉降变形相对较小,初期变形分布不均匀不对称,收敛变形持续时间长。

2.2.2 初期变形发展规律

初支开裂、喷混凝土剥落掉块及拱架扭曲主要发生在上下台阶拱架连接板位置处,根据监控量测数据分析,上台阶开挖支护后变形量并不大,但变形量持续小数量增长,在下台阶开挖后,仰拱初支钢架闭环之前,该期间变形速率最大(82.5 mm/d),期间变形量占开挖至稳定阶段总变形量的70 %～90 %。仰拱初支钢架成环后每天仍有3～5 mm的变形量,仰拱填充混凝土浇筑完成后10d左右每天仍有1～2 mm的变形,然后趋于稳定(变形速率<1 mm/d),初期变形前后持续时间超过30d,初期变形发展规律见图1。

图1 初期变形发展规律

3 高地应力软弱围岩隧道变形原因分析

3.1 地质原因

为了了解高地应力软弱围岩隧道变形原因,对该隧道分段落开展软弱围岩大变形试验,先后对岩石成分、强度等进行测试,具体情况如下。

3.1.1 岩石成分测试分析

该隧道从掌子面处取得新鲜炭质板岩,分为5部分,分别为新鲜炭质板岩和浸泡时间为1、3、5、7 d的炭质板岩。对试样进行X-射线衍射全岩分析,测试组成炭质板岩的成分和含量及浸泡时间对炭质板岩成分和含量的影响,结果如图2所示。通过X-射线衍射可以得出,该隧道的炭质板岩主要由黏土矿物和石英组成,伴有少量的钾长石、斜长石、方解石、白云石、菱铁矿、硬石膏、铁白云石和石盐等矿物,其中黏土矿物的含量占比达到50 %,其对炭质板岩的宏观性质起到了重要的作用。黏土矿物具有较强的亲水性,大部分的黏土矿物具有吸水膨胀性。

新鲜炭质板岩 浸泡时间为1 d 浸泡时间为3 d 浸泡时间为5 d 浸泡时间为7 d

3.1.2 岩石强度测试

该隧道连续10个月开展点荷载试验,由于岩性极为软弱、难成块,获得的试样数量较少,排除4组受爆破影响的试样,其他由点荷载获得的岩石单轴抗压强度最大值为10.83 MPa,最小值为0.09 MPa,数据标准差为2.74,平均强度为4.72 MPa,属于极软弱围岩。

3.1.3 室内三轴岩石蠕变试验

利用软弱围岩真三轴实验仪器模拟现场地应力环境,通过探究不同围岩角度开展隧道围岩的时效蠕变试验,探究不同岩层角度导致的围岩时效变形的各向异性。初步得出结论,该隧道薄层状板岩在一定范围内,随着岩层角度的增大,围岩变形量会增加且破坏速率更快。

3.1.4 炭质板岩叠加不良地质

发生大变形地段为炭质板岩或板岩,层状中-薄层或压碎岩及断层影响带受构造影响明显,节理裂隙发育,岩体破碎或褶皱明显,自稳性差,岩层走向与隧道轴线夹角较小,伴随地下水。且岩层走向与隧道轴线夹角越小,变形越大。岩层层厚越薄,变形值越大,褶皱越明显,变形值越大[9]。

3.2 设计原因

(1)拱架支护参数偏弱。设计图纸明确的软弱围岩变形段支护采用I18和I20b拱架,Ⅴ级围岩间距0.8 m,不足以抵抗软弱围岩大变形。

(2)锁脚锚管及系统锚杆加固强度不足。锁脚锚管采用3.5 m长,直径42 mm的无缝钢管;系统锚杆采用长度3 m,间排距1.2 m×1.2 m的低预应力锚杆。但该隧道经试验测得松动圈超过5m,锚杆长度不足,对控制围岩松弛变形不利。

(3)隧道断面结构不利于受力。隧道断面结构属于类椭圆形而非圆形,高跨比较大,初期支护一旦出现内鼓现象,支护抗力急剧减小,变形持续增大,支护结构难以抵抗地应力[9]。

3.3 施工原因

现场施工扰动及现场施工工艺控制不严是产生大变形的直接原因。现场爆破施工、施工超前支护、系统锚杆等钻孔过程中经常出现岩层扰动掉块,现场支护施工不及时,封闭时间偏长等因素对软弱围岩松动圈影响较大,造成变形控制效果差,错失变形控制时机导致变形扩大。

4 高地应力软弱围岩隧道大变形初期主动控制关键技术

结合该隧道初期变形的实际情况,现场出现大变形后,基本都采用增加横撑、斜撑或套拱进行临时加固,同时增加锁脚锚管组数、增加系统锚杆长度及调整锚杆间排距、加大初期支护钢架型号、调整钢架间距、浅层注浆等专项措施进行处理,变形基本可以得到控制,但对工程进度、工程安全及工程成本有较大的影响[9]。结合现场的试验结果、监控量测数据及上述加强措施,针对该隧道的施工现状,确定的变形控制总原则为:“快挖快支早封闭,主动控制,初期支护宁强勿弱一次到位,以稳为主,减少套拱,杜绝换拱,二衬适时施作,达到安全、经济、高效的变形控制目的”[9]。通过该隧道大变形初期控制工程实践,大变形初期主动控制技术归纳如下。

4.1 加强预加固措施,减少围岩扰动

施工过程中尽可能减少引起围岩变形的不利因素,积极主动采取保护围岩的施工理念,以控制围岩大变形[9],具体从以下几个方面考虑。

(1)遵循先加固后开挖原则,采用超前支护对隧道掌子面围岩进行主动加固,该隧道设计给的超前支护为隧道顶拱120 °范围内采用长度9 m,直径60 mm,纵向间距5.6 m,环向间距40 cm的中管棚,因对软弱破碎围岩超前支护效果不佳,现场实际采用隧道顶拱120 °(部分洞段150 °)范围内采用长度4m,直径42 mm,纵向间距2.5m,环向间距20 cm(部分破碎围岩按10 cm控制)的小导管代替中管棚,短小导管外插角度较中管棚更易控制,支护效果更好,工效更高且更经济。

(2)严格控制软弱围岩大变形段落一次性开挖进尺和爆破单响药量,做到短进尺、快循环、弱爆破,一方面减少围岩暴露时间,另一方面减少对围岩的扰动,对大变形有较好的抑制作用。

(3)针对软弱围岩大变形段落尽可能采用铣挖机、旋挖机、鹰钩机、破碎锤、振动锤、反铲等非爆破方式开挖,既可以有效控制超挖又可以减小对围岩的扰动,但该方式工效偏低,需要进一步调研。

4.2 规范工法,仰拱初支尽早闭环

针对软弱围岩大变形段落,短台阶开挖工法较长台阶更有利于控制大变形。短台阶开挖工法主要有微台阶(两台阶)及三台阶法,微台阶工法的台阶长度3～5m,三台阶法的台阶长度5～8 m。因台阶长度较短,仰拱初支可控制在20 m范围内跟进掌子面同步施作,尽快让上部拱架、中部拱架及底拱拱架形成闭环,与围岩一起形成拱效应,有效减缓围岩大变形速率,实现快挖快支早封闭的目的。

4.3 根据地质特点实时调整支护参数

通过分析软弱围岩大变形段落围岩岩性、产状、地下水等,据实调整围岩级别,遵循主动控制,宁强勿弱的初期支护原则,实时调整加强支护参数,确保施工安全。因大变形段落,围岩变化频繁,且受围岩级别、岩性、产状及地下水等因素叠加影响,支护参数不能根据单一指标一概而论。该隧道结合监控量测数据,考虑围岩级别、岩性、产状等,通过分段试验确定不同组合下的支护参数,为后续大变形提供依据。例如,在一级大变形Ⅴ级围岩缓倾角段落,设计给的I18@80 cm拱架、两组3.5m长直径42 mm的锁脚锚管、3 m长间排距1.2 m×1.2 m的低预应力系统锚杆等支护参数足以抵抗围岩挤压力;但在一级大变形Ⅴ级围岩片状薄层陡倾角,略有渗水段落,全环采用I22b@60 cm拱架、四组5m长直径60 mm的锁脚锚管、5m长间排距1.2 m×0.6 m的低预应力系统锚杆等支护参数,仍无法抑制大变形,现场出现变形量持续增加,拱架扭曲等大变形典型特征。最终将I22b拱架换成HW175型拱架,其他参数不变的情况下,该段落变形才得到抑制。

4.4 预留合理变形量,及时加强支护,减少换拱

针对大变形段落,预留变形量非常有必要,但预留多少变形量很难把握,预留多了变形量未达到则增加成本,预留少了变形量超标则要换拱,既影响进度、增加成本又带来安全隐患。预留变形量可参考的依据唯有监控量测数据,结合围岩情况,通过连续大量监控量测数据分析,找出变形趋势进行预判,但在施工过程中,需实时关注监控量测数据,一旦数据异常则加强措施进行控制。如:该隧道预留变形量建立预警机制,当预留变形量小于10 cm时及时预警,立即采取锚杆、锁脚、注浆、套拱等加强措施,确保初支不侵限,不换拱,并及时调整后续支护措施。

4.5 适时施作二衬是控制软弱围岩大变形的关键

软弱围岩大变形持续时间长,二衬浇筑不宜过早,过早会造成二衬提前受力,承受过大荷载则易出现二衬开裂;也不宜太晚,太晚会造成围岩出现二次变形,支护结构变形过大,造成坍塌。很多情况下围岩的变形速率还达不到小于1 mm/d(单线隧道)的要求,但预留变形量不能满足变形要求或安全步距(<70 m)不能满足要求时,如果再持续变形将会侵限换拱或不浇筑二衬安全步距将会超标逼停掌子面。在以上情况出现时,需及时进行四方现场会勘,采取施工缓冲层等支护措施,提高支护体系抗变形能力,提前施作二衬确保变形稳定、安全步距等满足要求。

上述措施在软弱围岩大变形段落得以应用并行之有效,但还需要规范施工,在有地下水段要及时引排,防止含炭质板岩浸泡软化,造成承载力下降等,确保每项措施落实到位,这也是保证大变形初期主动控制的重要因素[9]。

5 结语

我们初期对高地应力软弱围岩隧道大变形初期主动控制认识不足,但通过大变形原因分析和工程实践,发现该隧道大变形不可避免但可采取措施进行控制。该隧道经国内多名院士、专家问诊把脉后,大多偏向“主动控制”理念,随着工程进度,隧道埋深增大,变形量持续积累,隧道变形控制难度越来越大,我们秉承“主动控制”理念,后续继续从调整隧道断面形式、增设双层拱架、深层锚索支护、变形段径向浅层预固结注浆等方面入手,继续探究高地应力软弱围岩隧道大变形主动控制关键技术。