千枚岩软岩隧道施工技术研究

2017-05-18李笔全

四川建筑 2017年2期

关键词：石河千枚岩软岩

李笔全

(中铁十八局集团隧道工程有限公司，重庆 400707)

千枚岩软岩隧道施工技术研究

李笔全

(中铁十八局集团隧道工程有限公司，重庆 400707)

为探索适宜千枚岩软岩隧道的施工方法，文章以该地层的红石河隧道开挖为依托，采取数值模拟方法，研究了隧道在四种不同工法下的变形、围岩-初期支护压力的变化规律。研究表明：三台阶预留核心土法施工既可抑制围岩变形，减小作用至衬砌的形变压力，又可提供稳定的支护力，适合千枚岩地层软岩隧道施工。

千枚岩；软岩隧道；数值模拟；施工工法

软岩隧道在施工中可能遇到诸如断面缩小、衬砌裂损、拱架扭曲等变形破坏病害[1-2]，其中破碎千枚岩隧道的掘进更是软岩隧道施工的典型，该地层受岩体软弱破碎、遇水软化等特征的影响，隧道施工期间围岩及结构的稳定较差。本文以十天高速安康东段红石河千枚岩隧道四种施工工法为依托，采取数值模拟方法，探索了适宜千枚岩隧道的施工方法。根据红石河隧道的施工经验，总结了千枚岩软岩隧道施工规律。

1 工程概况

十天高速安康东段红石河隧道位于大坪乡宽坪村五组正西方向，穿越迎新村三组山梁，到达店子沟，为双洞分离式隧道。隧道呈曲线型展布，全长2.6 km，围岩以IV和V为主，深埋段则以千枚岩为主，并与云母片岩、板岩和石英岩脉共生，洞身穿越多条断层破碎带。

本隧道内开挖呈现的千枚岩为黑色至深灰色，千枚状构造，显微鳞片变晶结构，含水量大时呈团块状，含水量少时为鳞片状，片理面手感光滑，有丝绢光泽。隧道地下水位高于洞线，区内地下水为无色、透明、无臭、无味，地下水对混凝土无腐蚀性。隧址区地下水以基岩裂隙潜层水为主，主要由大气降水为主直接补给，以泉水或渗流方式排向河沟。隧道涌水量左线为5 619.5 m3/d、右线为6 202.7 m3/d。

2 富水千枚岩隧道常见灾害

隧道开挖使千枚岩原有受力平衡遭到破坏，含水量发生改变，岩石节理面错动挤压导致软化、泥化形成滑动面，造成失稳，失去自承能力，最终导致塌方、冒顶、涌泥涌砂等隧道地质灾害。

在富水隧道排水不畅特别是反坡情况下，千枚岩会迅速泥化并不断发展。在已经施做完初支的富水千枚岩隧道，裂隙水由初支外侧下落至拱脚，使拱脚处千枚岩含水量大大增加，千枚岩出现软化、泥化，进而使初支对围岩变形的约束大大消弱，甚至失效。

由于富水千枚岩隧道开挖面的不平整、千枚岩失水的时间、强度不均匀，使得千枚岩的塑性也具有不均匀性，产生挤入式变形，从而对初支拱架产生侧向应力，使拱架出现扭曲侧移，丧失部分支护能力，从而使千枚岩的变形和塑性区进一步扩大，直至破坏初支，出现各种病害。

3 富水千枚岩隧道施工方法优选

为探索适宜千枚岩红石河隧道的施工方法，采用 ANSYS 软件对隧道采用三台阶预留核心土法(工法一)、双侧壁导坑法(工法二)、三台阶临时仰拱法(工法三)、三台阶七步开挖法(工法四)共四种工法进行数值模拟[3-4]，通过各工况开挖后隧道变形、支护受力的详细比较，得出优选工法。

模型宽度方向由隧道中线向两侧各延伸50 m，高度方向取仰拱底部以下50 m，拱顶以上取实际埋深85 m、纵向取 70 m 作为数值计算范围。部分有限元模型如图1所示。

图1 三维数值计算模型

3.1 不同工法下隧道变形分析

不同工法下各特征点变形累计值如表1所示。各工法变形量最终其计算值表现为工法三>工法一>工法四>工法二，均满足位移控制要求。

表1 各特征点位移最终计算值 mm

拱顶下沉最不利状态均处于上台阶开挖阶段(工法二时为中间部位上台阶)。其中工法一与工法四拱顶沉降快速增长阶段均为上台阶开挖前3 m至开挖后4 m；工法二时为中间部分上台阶开挖前2 m至开挖后4 m；工法三时为上台阶开挖前4 m至开挖后6 m。

工法三对掌子面前方围岩扰动较大，加之开挖后变形收敛缓慢，掌子面稳定性弱于其余工法。相比之下，由于工法二采用刚性分隔，工法一与工法四留设有核心土，易保证掌子面稳定，开挖后围岩变形能很快收敛。因此，工法一、工法二、工法四对围岩变形的约束效果要优于工法三。

3.2 不同工法下初期支护受力分析

图2给出了四种工法下隧道贯通后初期支护最小主应力。从图中可以看出，各工法初期支护压应力最大值均位于拱脚附近，边墙至拱腰部次之，仰拱处最小。

图2 不同工法初期支护最小主应力云图(单位：MPa)

从数值上来看，工法二、工法三初期支护压力值约为工法一、工法四的2倍，前两种工法应力值分别为11.0 MPa、13.3 MPa，后两种工法分别为6.2 MPa、5.4 MPa。以C20混凝土轴心抗压强度标准值13.4 MPa作为评判标准可知，工法二、工法三的初期支护已经接近承载能力极限值，此时应提高初期支护的设计参数值，确保施工安全；工法一、工法四则因具有较大的安全储备。

上述现象的原因在于：工法二、工法三均在施工时预先施作强度及刚度大的临时支护体系，该临时支护作为重要承载结构在维护隧道稳定的同时势必承受较大的围岩应力，当拆除临时支护后，原来作用在临时支护上的荷载必将转移至隧道初期支护体系，从而使得衬砌所受应力增大。因此，工法二、工法三施工虽可有效抑制围岩位移，但其是以支护承受较大形变压力为代价，此时加强支护特别是临时支护，才是保证施工安全稳定的首要任务。而工法一、工法四首要考虑的是围岩自身的稳定，将围岩作为支护结构的组成部分，虽然隧道变形有所增大，但变形使得围岩应力得到有效释放，对于支护结构受力来说，衬砌更加安全。

4 工法优选探讨分析

工法一～工法四均可适用于千枚岩地层的隧道开挖，其中工法二、工法三采取临时支护措施，保障了开挖面的安全和稳定，但这两种工法施工难度大、工期长、造价高。工法一、工法四不仅能达到安全控制要求，且其施工难度较低、工期短、造价低，为优选工法。

软岩隧道施工时应尽量减少开挖对围岩的扰动次数，预留合适的作业空问，保证支护结构及早封闭成环。工法四在工法一基础上进一步细化开挖步骤，致使该法施工时围岩扰动次数增多，作业空间减小，同时在遇到破碎软岩需要及时封闭时，工法四因多次扰动拱脚致使初期支护不易满足及时封闭成环的要求，故该法不为最优。

相比而言，工法一在一个施工循环进尺内，累计扰动围岩4次，但其在上台阶弧形土体开挖完毕后就及时进行初期支护，初期支护施作时问的缩短在一定程度上抑制了围岩的变形发展。同时，因开挖临空面的大小适宜，每一步开挖后开挖轮廓面较易形成拱效应，当应力路径减短且围岩应力释放产生的二次应力传递至下方时，都有由未开挖岩体与支护结构组成的三维空间支护效应对隧道变形进行约束，从而保证隧道稳定，故工法一为最优。

5 软岩隧道施工工法规律

根据红石河隧道采用工法一施工的经验，千枚岩软岩隧道的施工可以总结如下：

(1)开挖前及时做好地质超前预报工作。

(2)对于每分步开挖采取弱爆破的方式进行，必要时应采用机械开挖的方式以减少对围岩的破坏扰动。

(3)隧道开挖与支护是相互配合的施工循环，保证开挖后支护体系及时跟进的同时，支护参数的选取及施作时机也至关重要。根据红石河隧道的掘进经验，软岩隧道开挖与支护的配合可表述为：①开挖前选取合理的加固手段进行超前预支护；②开挖时首先采用人工风镐并配合机械沿掌了面由上至下开挖上弧导坑并预留核心土，开挖完成后沿洞壁铺挂钢筋网并初喷5 cm厚混凝土以封闭作业面，待出渣完毕后按一定顺序完成上弧形导坑支护。③上、中、下导坑的开挖与上述相同，但要保证同一断面处暴露的开挖面位于相同一侧；拉槽长度(3～5 m)、马口平台宽度(2～3 m)应适宜；对每分步开挖的重要环节如接腿及落底等提出明确的要求。④根据红石河隧道开挖后洞室变形及结构受力稳定情况，二衬施作大约在初期支护完成后3星期较为合理。

(4)下台阶核心土挖除后，及时置入锁脚锚杆并施作仰拱混凝土，在保证初期支护及时封闭成环的同时，开挖中布设的监测点应按一定的频率及时量测。