九绵高速层状变质软岩隧道大变形统计分析研究
2023-09-28钱鑫王飞彭撞杨朝栋曾楠
钱鑫,王飞,彭撞,杨朝栋,曾楠
(四川绵九高速公路有限责任公司,成都 610000)
1 引言
本文以九绵高速具有代表性的层状变质软岩隧道为工程依托, 通过对国内已有的软岩大变形隧道及洞口浅埋段隧道进行文献调研, 研究九绵高速层状变质软岩的灾变规律及致灾机理、隧道洞口浅埋段建设安全控制技术、大变形的预测分级与安全管控体系、 不同大变形等级下的适宜工法及支护体系、隧道长期结构安全性等内容,为后续提出软岩大变形隧道及洞口浅埋段隧道相适宜的工法、支护体系、超前支护等提供依据。
2 九绵高速项目概述
九绵高速公路全长244 km,全线共有隧道45 座,隧道长度不等,占线路全长的53%,路线主要跨越龙门山断裂带、塔藏断裂带与虎牙断裂等区域,该区域内断裂带构造规模大、破碎带宽、活动性较强,地震灾害频发。
隧址区软岩分布范围广、岩体条件差、互层现象突出,以千枚岩、板岩为代表的层状变质软岩(饱和抗压强度常常小于10 MPa),遇水易软化,具有明显的各向异性及流变性等特点。同时,根据勘察报告得出:本工程项目洞口处地形陡峻、狭窄、偏压、隧道埋深大、初始应力高,部分隧道的最大埋深高达千米,初始地应力值在20 MPa 以上,比如,以层状变质软岩为主的白马隧道, 最大埋深达1 092 m, 现场测得最大地应力为34.73 MPa。
3 层状变质软岩隧道大变形原因分析
3.1 围岩强度
断层带、砂砾岩以及泥土杂砂岩是本次隧道施工必须要穿越的区域,在这一过程中由于不同岩体的抗压强度不同,在一定程度上增加了岩体变形与破坏的概率。 同时,由于软弱围岩的抗压强度较低,掘进过程中比较容易发生流塑变形问题。 所以,围岩强度影响对层状变质软岩隧道大变形的一个重要因素。
3.2 初期支护
硬质围岩、薄煤层、破碎地带的抗风能力较差,一旦围岩被开挖后就很容易风化, 开挖面在封闭之后也比较容易出现松动圈,导致初期支护很难支撑松动圈的荷载,发生变形、开裂、导致混凝土脱落、掉皮等的现象。
3.3 施工方法对层状变质软岩隧道大变形的影响
施工方法也是导致层状变质软岩隧道大变形的一个重要因素。 此外,在隧道掘进过程中,由于工期较短,项目所在区域内地形地质条件复杂, 预防软弱围岩发生变形所采取的措施不具有针对性。 加之,二次衬砌无法及时跟进,上下台阶法和下台阶法差异较大等, 这些同样是导致层状变质软岩隧道大变形的一个重要因素。
4 软岩大变形隧道调研的统计分析
根据近些年来中铁西南科学研究院有限公司对隧道挤压性变形的研究, 提出一种挤压因子作为评判地应力状态的方法, 该方法的依据来源于施工现场点荷载强度的测试和岩体强度的估算[1-2]。 挤压因子Nc根据式(1)计算:
式(1)、式(2)中,σcm为岩体单轴抗压强度,kPa;p0为地应力,kPa;γ为岩体重度,kN/m3;H为隧道埋深,m;σci为原岩单轴抗压强度;mi为Hoek-Brown 常数,由室内三轴试验确定的试样摩擦特性定义;GSI 为地质强度指标,表述岩石与岩体的整体性指标。
通过综合考虑,提出以下挤压大变形分级值作为参考,如表1 所示。
表1 围岩挤压大变形等级划分
李国良,熊春庚,李宁[3]将施工过程中的变形加速率来评价围岩变形趋势,通过上台阶法连续开挖3~5 d,计算得出变形速率vp, 并根据该平均值对本工程项目围岩的变形趋势和支护体系进行评判。
式中,n为变形速率的天数;vi为第i天的变形速率,是指当日的总收敛值与前一日总收敛值的差值。
通过对上述围岩变形情况的统计, 按照变形速率将围岩划分为一般、 低速、 中速和高速4 个等级, 变形速率vp分别为≤10 mm/d、10~30 mm/d、30~50 mm/d 以及≥50 mm/d,变形潜势为正常、轻微、中等和强烈,如表2 所示。
表2 按围岩变形速率的等级划分
对不同大变形分级情况进行软岩隧道施工工法、 支护方式以及超前支护措施的统计分析, 最后采用工程类比的方法初步提出不同大变形等级施工工法、 支护方式以及超前支护措施的建议。
1)软岩隧道大变形分级标准
根据前期大量的文献调研以及现场调研资料, 结合现有的围岩挤压大变形等级划分及基于变形潜势的大变形等级划分[3]作为九绵高速层状变质软岩隧道初步的大变形等级划分标准, 而针对九绵高速的大变形划分及预测标准将在后续工作中进行研究[4]。
2)软岩隧道合理工法的统计分析及工法
软岩隧道在不同等级下施工工法类型: 轻微变形段多采用了上下台阶法、单侧壁导坑法的施工工法;中等变形段多采用上下台阶法、三台阶法的施工工法;强烈变形段多采用上下台阶法、三台阶法、三台阶七步法以及单侧壁导坑法。 而单侧壁导坑法在九绵高速五里坡隧道中实施效果较差, 变形量较大。 白马隧道调整工法为三台阶法(原为单侧壁导坑法)后,对周边收敛及拱顶沉降有较好的抑制作用, 后续研究中将以数值模拟的手段对不同工法隧道变形量的影响进行对比研究。
3)软岩隧道合理支护体系的统计分析
(1)对于轻微大变形段,采用“长锁脚锚杆+ 短锚杆”形式可以有效抑制围岩变形,但对于中等—强烈大变形段,需采用“长锁脚锚杆+ 长短锚杆”的形式;(2)对于强烈大变形段,若仅采用单层支护,很大可能面临停工处置,多次反复变更(例如,临时护拱,基本没有实质作用)后最终还得拆换,因此,建议采用双层支护,更能有效抑制大变形;(3)九绵高速现场施工中,拆换风险和频率高,导致成本大大提高,其本质上还是因为支护参数不合理,对于设计中等—强烈的大变形段落,应注重支护参数设计,增加预留变形量;(4)为减小变形必须及时进行仰拱闭合成环,降低初支侵限风险。
4)软岩隧道合理安全控制基准的统计分析及安全控制基准在监测期间内,隧道拱顶下沉和水平收敛不断增长,轻微大变形断面在缓慢变形阶段的平均变形速率也达到5 mm/d 以上,远大于现行JTG/T F60—2009《公路隧道施工技术细则》中规定的变形速率安全标准(0.2~1 mm/d),因此,该标准对于绝大多数软岩隧道而言并不适用, 针对九绵高速层状变质软岩隧道群,界定各等级大变形下安全控制基准如表3 所示。
表3 九绵高速软岩隧道大变形段安全控制基准
5 层状变质软岩隧道大变形防治技术措施
5.1 调整初期参数,控制变形
通过使用长锚杆、 水泥药卷以及φ42 mm 注浆小导管等的方法加固围岩, 并根据工程项目的实际情况调整围岩初期参数,避免隧道出现较大的变形问题。 其中,长锚杆是有效控制层状变质软岩产生变形常用的方法之一。 对于隧道中的碳质硬岩应当使用4 m 长的φ42 mm 的水泥药卷, 拱腰和边墙的位置使用6 m 长的D25 mm 注浆小导管。
5.2 采取先柔后刚支护,承受荷载
先柔后刚指的是先施作柔性初期支护体系, 再进行刚性二次支护,二次支护可以承受来自围岩的荷载。 先柔后刚支护以混凝土为主要材料, 通过长锚杆及支护可有效承受围岩的压力和变形。
5.3 通过封闭成环,增强荷载
及时进行仰拱,仰拱应当在拱墙施工完成后及时进行。 这样,仰拱可以及时封闭成环,进而增强结构的刚度和荷载。
5.4 注重监控量测
隧道施工过程中,特别是层状变质软岩隧道变形段,还应当注重监控量测, 通过监控量测可以及时了解围岩的变形与支护情况,然后根据监控量测获得的数据,调整支护方式,确保隧道施工的安全与稳定。
5.5 减少围岩扰动,加固围岩破碎
隧道施工过程中, 应尽可能地减少对层状变质软岩隧道大变形的不利影响,严格控制围岩变形,采取科学合理的爆破方式,减少和降低由于爆破技术选用不当对围岩造成的扰动。同时,还应当控制循环进尺,采取合理的支护方式,对层状变质软岩进行超前支护, 减少围岩破碎, 循环进尺控制在0.5~0.75 m。
5.6 应用短台阶法,立即封闭
具体的隧道施工过程中,还可以采用短台阶法,保证仰拱及时施作,降低围岩发生变形的概率,确保初期支护可以立即成环,进而能与围岩一并形成拱,合理控制层状变质软岩隧道出现大变形, 掌子面与仰拱之间的距离严格控制在20 m 之内,掌子面与二次衬砌的距离不超过50 m。
6 结语
层状变质软岩隧道大变形具有变形量大、 变形速率高等特点,如果处理不当则会给隧道施工的质量、进度带来不利影响。 本文通过对九绵高速公路项目的分析,得出该工程项目发生软岩隧道大变形的主要原因有围岩强度、 初期支护以及施工方法等,根据隧道大变形的特点,采取相应的技术防治措使得软岩隧道大变形得到了有效控制。