关口垭隧道软岩稳定性分析及施工方法探讨

2011-02-28张艺

湖南交通科技 2011年2期

张艺

(湖南路桥建设集团公司,湖南长沙 410004)

1 工程概况

1.1 施工概况

关口垭隧道位于常德至张家界高速公路上,设计为上下行分离式隧道,左右两洞相距35～50m,长度为:左洞880m,右洞700 m;隧道净宽11.1 m,净高7.1m。隧道路面设计高程168.66～188.57 m,埋深大约在10～71 m。围岩类别划分为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类,采用台阶法施工,支护采用复合式衬砌。施工初期在右洞张家界洞口端施工出现了滑坡,故在左右洞口增加了长大管棚超前预支护;右洞在施工至Yk73+908掌子面时,已完成初支的后方Yk73+958～Yk73+908段发生大型塌方。针对施工中出现的问题,开展了围岩稳定性及施工方法研究。

1.2 隧道工程地质条件概况

隧道区域内岩性单一,为志留系下统龙马溪浅海相泥质页岩,一般出露地表,仅局部有不厚的第四系山麓堆积相覆盖。页岩呈深灰色,泥质结构,页理构造,局部含炭质,岩性较软,易风化,具明显的遇水软化、失水干裂性质,山坡表面大多风化严重,呈灰黄～黄灰色;隧道洞身段主要为弱风化页岩,两端洞口附近为强风化页岩。受构造挤压影响,岩体中次级褶皱发育,一般呈舒缓波状,揉皱和扰曲现象多见,低序次小断层也相当发育,岩层总体产状300°～25°∠10°～25°,局部呈现大的变化,倾角可达60°,节理发育～非常发育,其中主要节理产状为220°～240°∠65°～75°、120°～135°∠65°～80°、50°～60°∠70°～85°。

前两组节理面光滑平直,为共扼剪节理,间隔较密集;后一组为压扭性,产状时有变化。另外,顺岩层面中常见构造应力在岩层面集中形成的层间错动挤压夹泥带,厚度一般0.5～20 cm不等,断续分布,夹泥层性质软弱。从附近的风化强烈的页岩路堑边坡和自然边坡经常可以看见,小规模的滑坡比较普遍,由此可知,其强风化岩石边坡稳定性极差。

关口垭隧道均在泥质页岩岩体中掘进,隧道底高程高于附近较宽阔谷地,无较大地表水体向隧道处补给。隧道上方山上,因坡降一般较大,大气降水会在较短时间排至附近谷地溪沟中,故一般情况地下水补给不良,并且页岩总体透水和赋水性不好,水量较贫乏。但山坡上冲沟发育,浅埋隧道段因上部岩体风化强烈,层理和节理会有一定的卸荷张开,有利于地表水下渗,因其渗径短,可能在隧道中形成滴水。

隧道围岩物理力学指标为:岩石容重25.3～26.6 kN/m3,抗压强度9.7～18.45 MPa,弹性模量1.07～1.78 GPa,内摩擦角28.6°～34.6°,粘结力1.09～1.38MPa。

2 监控量测

2.1 监控量测项目

为了更好地认识泥质页岩在隧道开挖过程中应力重分布的变化特征以及对洞室稳定性的影响,弄清初期支护常出现开裂的原因,更好地运用量测数据指导设计及施工,在左洞k73+760～+840段及右洞塌方段进行了喷层应力、围岩与初期支护间应力、围岩内部位移、二次衬砌应力量测及爆破震动测试等项目的重点监测。

2.2 监控量测断面选择及测点布置

监控量测断面的选择充分考虑了围岩类别、隧道埋深、节埋裂隙发育程度、是否存在偏压、含水量大小等因素。根据现场实际施工位置,选择在Ⅱ、Ⅲ类围岩中进行布点,具体量测断面桩号见表1。

表1 量测内容及量测断面表

监测中一般将测点布在:拱顶、拱腰、拱脚、墙脚、仰拱中部、两腰。

3 围岩变形规律

3.1 围岩与初期支护间的接触压力分析

初期支护与围岩接触压力采用压力盒及喷层应力计进行量测,图1为k73+839.5(设计为Ⅲ类围岩,埋深为47m,属深埋)断面拱顶压力随时间变化曲线,最大值为0.197 MPa,从图可看出,接触压力在开挖后半个月内变化较大,然后变化趋缓。根据深埋隧道围岩松动压力的计算方法可得:

式中:s为围岩类别;γ为围岩容重,kN/m3;ω为宽度影响系数。

图1 围岩与格栅拱架间压力随时间变化曲线(拱顶)

3.2 初期支护钢拱架受力分析

初期支护中格栅拱架或工字钢拱架所受力均较大,一般格栅受力为90～200 MPa,所测格栅最大应力点也在k73+839.5断面,如图2所示,由图可以看出,前期格栅所受应力一直在增大,8月20～28日处在应力调整期,然后应力又继续增大,9月7日应力达到260.1 MPa时,要求施工中对此段二衬应加强,同时应密切注意喷射混凝土表面变化,如有变化应果断采取措施,9月9日格栅拱架所受应力达到267.7 MPa,在9月10日早上出现初期支护格栅变形,喷射混凝土开裂掉块,于是采取了工字钢临时支撑,然后在初期支护外贴壁套上工字钢,间距为1m,与此同时加长锚杆,通过以上措施,防止了塌方事故的发生。因开裂应力得到一定程度的释放,随后几天应力慢慢减小,二衬施工完后,该点应力基本处于稳定,说明后期增加的围岩压力已由外贴工字钢及二衬共同承受。由图1、图2可以看出,格栅应力的变化与此断面初期支护接触应力大致同步,说明监控数据基本能真实反映围岩的压力大小,同时也为后段施工对支护系统稳定性提供了判别依据,以便安全地组织施工。

为与实测结果进行比较,还运用数值法对格栅轴力进行计算分析,其结果如图3所示,图中拱腰处格栅的轴力为362 kN,则格栅所受应力:

σ=p/s=362 000N/(4×490)mm2=184.7 MPa

式中:P为格栅断面所受轴力,N;s为格栅总截面积,mm2;单根φ25钢筋截面积为490mm2。

以上计算结果与实测结果存在差距,再次说明此段围岩类别划分偏高。根据现场施工变形情况,软岩现场实测值对围岩类别准确判定及指导施工具有重要的指导意义。

3.3 围岩变形分析

图2 格栅拱架压力随时间变化曲线(左拱腰)

图3 数值计算格栅轴力图(单位:MN)

围岩变形量测采用多点位移计及收敛计进行。总体规律是拱部围岩内部位移大于边墙,在左洞k73+740～+840段,拱部最大位移为7.63 cm,拱脚处最大位移值为5.86 cm,用收敛仪测得拱脚最大收敛为14.61 cm。两者基本吻合。一般下台阶开挖对收敛的影响为2～4 cm。根据施工实际,软岩地段没有较明显的拱效应,应按照“强支护”的理念,采用加强型初期支护。

3.4 二次衬砌受力分析

因监测断面二次衬砌量测时间均不到两个月,所测二衬应力均不大,扣除前期的收缩应力,一般为1～2MPa,由此说明初期支护达到了预期效果,二衬主要作为安全储备。

4 施工措施

为了控制围岩变形,确保施工质量及施工安全,针对关口垭泥质页岩特点,采取了动态设计、动态施工、动态管理的方法,具体措施如下:

1)合理安排施工工序,确定最佳施工参数,优化施工组织,最大限度地减少因施工造成的变形量。

2)保证上下台阶的距离不大于50m,仰拱距离下台阶不大于20m,二次衬砌距离下台阶不大于40m;施工中严格控制爆破循环进尺,及时进行初期支护。

3)下台阶开挖后及时施做仰拱,做到早封闭、早成环。

4)加强初期支护参数的收集分析和提高支护质量,做到及时反馈,对症下药;对围岩节理发育段采取注浆措施,对变形大地段增加锚杆数量及锚杆长度,并进行注浆,确保围岩的二次稳定。系统锚杆的设置,尤其是长锚杆对围岩变形的抑制是有效的,在拱肩、钢支撑接头、仰拱与曲墙交接处等关键部位应设锁扣锚杆或锚管,确保初期支护结构的强度、刚度和稳定性。

5)采用TSP203超前地质预报手段,及时掌握掌子面前方的岩性变化情况;正确划分围岩类别,使支护参数更为合理。

6)对变形大地段,尽管变形速率还未达到规范要求值,为保证施工安全,仍需及时进行二次衬砌,并对二衬钢筋进行加强,同时提高混凝土标号,以保证结构永久安全。

7)实行有效的光面爆破,根据现场爆破震动测试,原同段雷管装药的炮孔最大装药量为13 kg,掌子面最大震速为3～4 cm/s,对掌子面10m范围内的初期支护均存在一定影响,因此施工中要求严格控制同段雷管炮孔的装药量不大于6 kg,减少爆破震动对初期支护及围岩的影响。

8)加强量测和数据整理分析工作,发现情况或预测预报出可能发生的异常情况,及早上报,以便作出决策。