白马隧道支护结构变形机理与支护技术及实践

2021-04-27蔡涛

铁道建筑技术 2021年2期

蔡涛

（铁正检测科技有限公司山东济南 250014）

1 工程地质概况

白马隧道龙门山断裂带所围成的楔形地块上，最大埋深1 092 m，共穿越5条断层：甲午池－文县沟断裂北支、甲午池－文县沟断裂南支、F9断层、甲午池－文县沟断裂分支F8断层、甲午池－文县沟断裂分支F7断层。F9断层与白马隧道送风斜井及右线平行延伸1 870 m，与线路最近相距30 m，隧道右线绝大部分位于F9断层影响带范围内，对隧道施工影响巨大。隧道左、右线间距35 m，开挖断面约100 m2，斜井与隧道左右线交叉口多且为上跨下穿［1－2］。

2 地应力测试分析

为掌握工程区域的地应力场分布特征，现场采用水压致裂法对白马隧道进行地应力测试。根据钻探岩芯完整度，在该钻孔的中部及下部成功进行水压致裂法地应力测量7个点，孔深分别为151.4 m、181.7 m、228.4 m、248.5 m、262.4 m、271.5 m、289.7 m。应力方向测量3个点，分别在孔深151.4 m、228.4 m、248.5 m位置。

（1）三向主应力值的关系总体为：孔深0～250 m内，SH＞Sh＞Sγ；孔深250～315 m 内，SH＞Sh＞Sγ。

（2）根据测量所得数据，全孔深水平最大主应力在7.0～10.5 MPa之间，全孔深最小水平主应力在5.5～7.3 MPa之间，用岩层容重（约为2.65 g/cm3）估算的垂直主应力为3.93～7.52 MPa。

（3）根据该孔洞身附近的最大水平主应力优势方向北西西向（即 N11°W～N21°W），其优势方向约为N16°W，与隧道走向的夹角约为32°，呈中小角度相交。最小水平应力为3.9～9.5 MPa，垂直应力为3.3～9.7 MPa。总体以垂直应力控制，σH＞σV＞σh，最大水平主应力方向一般为 N8°W～N20°W，即NNW向。

3 支护结构变形特性与机理分析

3.1 支护结构变形规律

（1）白马隧道初支拱架连接位置受剪切和挤压较为明显，见图1。边墙大面积高频率剥落，隧道掘进施工过程中掌子面坍塌，围岩主要为板岩、炭质板岩，有时夹少量砂岩，围岩破碎～极破碎（或呈松散结构），节理发育，无自稳性。开工至今共发生大小坍塌100余次。掌子面渗水较大时（股状水），大部分在掌子面爆破后坍塌；掌子面渗水较小时（线状水），在挖掘机清理断面（清除松动围岩）时坍塌；掌子面无水时（湿润或无水），在立钢拱架过程中或喷初支砼过程中坍塌［3－6］。

图1 软岩大变形现场

（2）初期支护施工完毕后，隧道在正常掘进过程中，已施工完毕的初期支护发生变形，变形范围主要为：

①掌子面后方5 m范围内的初支产生位移：上台阶施工，间隔时间较短，在1～2 d内。

②距掌子面15～30 m范围内初支变形：上台阶施工，间隔时间较短，在7 d内。

③距离掌子面30 m外范围初支变形：中下台阶施工，间隔时间较长，在7 d后。

④仰拱施工后初支开始变形：段落相对较少，间隔时间较长，在15 d后。

（3）软岩大变形显现，变形速度量值普遍较大，具有较强的持续性，流变特性较为显著。

（4）初期支护变形主要体现为喷层开裂掉块、钢拱架扭曲、钢拱架折断、钢拱架剪断、初期支护侵限。

3.2 变形机理分析

（1）隧道开挖相当于卸荷过程，使得岩体中储存的应变能快速释放。当岩体强度较高时易发生岩爆，当岩体强度较低时则容易受到挤压，发生变形。软岩本身的低强度和节理发育特性，导致其在高地应力状态下易发生显著粘塑性大变形。

（2）互层岩体整体性较差，岩层厚度及强度不均，层理裂隙等弱化结构的发育削弱了岩体的力学性能，降低其承载能力。特别是在岩体产状与隧道线路一致时，由于受到更大的开挖扰动，岩体的破坏变形将加剧。

（3）隧道所处的软弱围岩，在水的渗流和侵蚀作用下进一步弱化，尤其在高应力区，随着孔隙水路径数量的改变，等同于增加了软岩的孔隙比和含水率，降低了密实度，使得围岩体的力学性能指标进一步降低，进而承载力大幅下降，直接导致围岩位移量的增加。

（4）挤压性软岩结构破碎，自身变形具有流变性。当隧道支护结构刚度过大，完全限制了围岩的变形，围岩无法通过自身变形来达到应力场平衡，过大的支护阻力将导致支护结构承受极大荷载乃至破坏；当支护结构刚度过小，将导致支护结构无法承受围岩的形变荷载而发生大变形破坏甚至隧道塌方［1］。

4 不同工序下施工方案对比

（1）掌子面塌方整治

掌子面塌方整治措施见表1。

表1 掌子面塌方不同塌腔规模整治措施

（2）软弱围岩开挖方式调整

掌子面开挖方法对比见表2，现场见图2。

表2 掌子面开挖方法对比

图2 现场开挖工法

（3）初期支护变形整治措施（见表3）

表3 初期支护变形整治措施对比

以上几种整治措施，成功处理了初期支护变形问题，特别是φ51自进式长锚杆后注浆对固结围岩效果特别明显，对抑制拱脚收敛效果明显（见图3）。

图3 8 m长φ51自进式锚杆施工

5 现场初支大变形整治案例—隧道主洞右线（YK39+305～YK39+333）初支变形拆换

5.1 设计概况

YK39＋305～YK39＋333里程段为中～微风化带，开挖后拱部无支护时，围岩易坍塌，侧壁有时出现小坍塌。

设计衬砌类型：Z4b。支护参数：16型钢钢架间距100 cm/榀；系统 φ22药卷锚杆；φ6.5钢筋网间距20×20 cm；预留变形量8 cm；φ22超前锚杆。

5.2 实际情况及变更调整情况

YK39＋305～YK39＋315段于6月20日至6月25日按设计Z4b型衬砌类型施作；YK39＋315～YK39＋331段（施工时间为2018年6月25至2018年8月4日）变更为Z5d型衬砌类型（18@80 cm，预留变形10 cm，系统φ22锚杆），超前支护为C型；YK39＋331～YK39＋332段变更为Dc型衬砌类型（20@60 cm，预留变形量30 cm，系统φ22锚杆），超前支护为B型。

5.3 后续变形状况

随着掌子面不断掘进，YK39＋306～YK39＋325段先后不同程度出现钢架扭曲折断、初支开裂、起皮、掉块现象。当斜井右线掌子面施工至YK39＋331时，受构造作用强烈，裂隙发育，岩体极破碎，受F9断层影响强烈。YK39＋297.2～YK39＋325段先后不同程度出现钢架扭曲折断、初支开裂、起皮、掉块现象。据监控量测显示，支护效果甚微，日最大变形速率达到52.3 mm/d。

5.4 初步整治措施及效果

对YK39＋306～YK39＋325采用 18型钢进行临时支撑，补打锁脚，增设纵向连接筋，临时护拱已扭曲变形、连接筋脱落。掌子面围岩无自稳能力，YK39＋331～YK39＋333按Dc（超前为B型双层小导管）型衬砌类型施工，拱部仍掉块严重，形成较大空腔，采用 20b型钢按0.5 m/榀施工直至开挖面，采用φ42双层小导管支护作为超前支护措施，辅以C20泵送砼回填密实。

处理完成空腔后，已施工的临时护拱YK39＋306～YK39＋325段15榀（后又增加YK39＋325～YK39＋330段5榀）产生严重变形，及时对内部护拱进行了C25喷射砼再次支护加强，效果依然不佳。如图4所示，监控量测发现变形依然持续，此时只能停工回填，保证安全［8］。

图4 掌子面围岩极破碎伴随拱顶围岩坍塌

5.5 二次返修措施与整治效果

对YK39＋305～YK39＋325采用 18型钢进行临时支撑，补打锁脚，增设纵向连接筋。发生大变形后，掌子面停工，约15 d后，YK39＋325～YK39＋333段随后也出现了严重的开裂、掉块、拱架扭曲折断。立即对该段采用 18型钢作为临时支撑，并在此基础上施打锁脚锚管，用纵向连接筋增加整体刚度。

经过研究分析，2018年8月15日先对该段进行洞渣反压回填，进行长锚杆施作，采用8 m长φ51自进式锚杆，环向间距0.8～1.2 m，纵向间距0.8～1.0 m。施工完成后加强监控量测，数据稳定后，继续向前加固整治，隧道长锚杆施作于2018年10月底完成。

因变形时间久（4个月），YK39＋305～YK39＋333段大部分初期支护变形侵限严重，后经研究决定，先开挖后进行周边注浆，随后对YK39＋305～YK39＋333段钢架进行逐榀拆换，采用 22b型钢钢架间距0.5 m；C25喷射砼28 cm，预留变形量20 cm。超前支护采用双层φ51自进式锚杆，C30钢筋砼拱墙厚60 cm。

2018年12月初，现场注浆加固已完成YK39＋286～YK39＋318段（32 m），需对 YK39＋305～YK39＋333变形侵限段进行钢架拆换，于2018年12月5日至2018年12月28日拆换完成。

拆换后的监控数据稳定，无异常，如图5所示。