组合拱控制破碎片岩隧道大变形技术的应用

郝尚斌

(中铁十一局集团第一工程有限公司,湖北 襄阳 441104)

0 引言

鄂西北地质条件复杂,隧道施工过程中选择合适的支护方式控制隧道变形破坏是施工难点,尤其是隧道片岩、断裂破碎带等地段受岩层变化、开挖、超前支护、初期支护等影响易导致隧道发生大变形、塌方等严重病害[1-2]。

某隧道地处富水弱胶结地层,施工中受突涌水出现土体流动,导致初期支护悬空,产生大变形。王怀正等提出隧道底部双导洞超前法,采用分部开挖、加强排水、回填注浆等措施,通过数值模拟与现场量测相结合的方法实现隧道变形控制[3]。王超等提出围岩压力与钢架内力存在先增后回弹、最后趋于平缓的规律[4]。张圣强等提出改变隧道曲面形式及隧道开挖方式、增强支护强度等措施,降低红层隧道软岩大变形[5-6]。高付才提出三台阶微台阶开挖、型钢与预应力锚杆联合支护、控制隧道大变形的措施[7]。张金龙等提出隧道变形呈非对称性,右边墙至拱顶范围内变形较大,右拱肩值最大[8]。李志军等提出隧道大变形机制为岩体在地应力影响下的力学响应机制,将大变形分为挤压、膨胀、松散三种类型[9-12]。

以某高铁隧道(以下简称A隧道)工程为例,结合工程现场,研究破碎片岩段大变形控制技术,对初支结构应力进行监测,总结出适合片岩破碎段隧道施工的支护方法,为类似工程施工提供技术参考。

1 工程概况

该隧道全长6495.7 m,共设进口、横洞、出口斜井三个工区,分4个掌子面进行施工,其中隧道横洞位于某村南侧,长334 m,与正洞85°相交,横洞工区负担任务与大里程段共计3016 m。全隧设计Ⅲ级围岩670 m、Ⅳ级围岩4460 m、V级围岩1365.7 m。其中,Ⅲ级围岩占比10.3%、Ⅳ级围岩占比为68.7%、V级围岩占比21%。

1.1 地质特点

A隧道施工中揭露围岩隧道洞身通过的地层主要为中元古界武当山群第一至第三岩组片岩、变粒岩,构造岩类主要为压碎岩、片岩,浅灰色为主,主要成分以石英、长石、云母、绿泥石为主,呈斑状变晶结构、片状构造、薄层状。

隧道范围内主要发育褶皱构造与节理构造。线路穿越一个次级背斜,受褶皱构造及断裂构造影响,区内岩层产状多变,岩体一般三组节理、裂隙发育,并在洞身发育有节理密集带。

1.2 水文情况

地表水特征。隧道通过水系区域属汉江水系,洞顶经过各沟谷经实地调查无常年流水,仅有季节性流水,经过区域内沟谷发育,地表植被覆盖好。

地下水特征。根据地层岩性的组合特征及含水介质特征,地下水类型主要为松散岩类孔隙水、基岩裂原水。松散岩类孔隙水主要赋存于第四系松散层中,分布于沟谷冲、洪积层及残坡积层中。基岩裂隙水含水岩组主要为中元古界武当山群第一至第三岩组片岩夹变粒岩。松撒岩类孔隙水与基岩裂隙水主要接受大气降水补给,动态随季节变化明显。

1.3 施工难点

该隧道施工存在以下施工难点:围岩抗压强度低,开挖后自稳性差。围岩遇空气风化快,遇水后软化。原有的隧道支护参数不能保证隧道初支稳定,出现支护变形。隧道现场大变形如图1、图2、图3、图4。

图1 核心土崩裂Fig.1 Core soil collapse

图2 边墙处初支开裂Fig.2 Initial support of the cracked side wall

图3 掌子面溜塌Fig.3 Palm has fallen

图4 拱顶初支剥落Fig.4 The first branch of the vault has fallen off

2 片岩破碎段隧道施工方法

2.1 原施工参数

A隧道Ⅳa原施工采取25 cm厚C25喷射混凝土,1.2 m间距格栅钢架,3.5 m长φ22 mm砂浆锚杆,预留沉降量10 cm,具体参数见表1。

表1 隧道片岩破碎段原支护参数Tab.1 Original supporting parameters of fractured schist section of tunnel

现场施工出现以下问题:上台阶初期支护完成后,收敛变形大于5 cm/d;初支混凝土开裂、掉块;锁脚锚管下沉变形,无法承受初支背部围岩压力;掌子面围岩揭露后,拱顶与边墙发生围岩溜塌,破碎体围岩自稳性差。

现场施工调整预留沉降量至50 cm,但破碎片岩段仍然存在初支侵限,导致初支换拱,隧道贯通节点时间滞后。

2.2 调整施工参数与方法

对于隧道破碎片岩段存在的开挖及支护问题,调整开挖工法,增强隧道支护参数。隧道由台阶法开挖工法调整为三台阶预留核心土开挖法,增强掌子面稳定性。初期支护由格栅钢架调整为I22a钢拱架,间距由1.2 m/榀调整为0.6 m/榀。根据监控量测结果预留沉降量扩大至50 cm,C25喷射混凝土厚度由25 cm调整为28 cm,45 cm厚二衬C30钢筋混凝土调整为60 cm。初支φ22 mm砂浆锚杆长度由3.5 m调整为4 m;锁脚锚管采用双排φ42 mm注浆小导管,重筑组合拱增强支护结构稳定性。钢拱架之间采用I16焊接,增加钢架整体稳定性。超前小导管环向间距40 cm,每循环施作46根,单根长度4.5 m,纵向间距3 m(6榀拱架),搭接1.5 m。

A隧道破碎片岩段支护困难,采用地质雷达与TSP等超前地质预报方法预判掌子面前方围岩状况,选择适宜的施工参数与施工方法。破碎片岩无水段注浆采用水泥净浆方式进行超前支护、缩脚锚杆加固,富水段改用水泥浆+水玻璃双液浆加固。

2.3 超前支护与注浆措施

根据破碎片岩松散体分布及围岩富水情况,采用悬挑式超前小导管技术、富水段水泥浆+水玻璃双液浆技术稳定开挖面。

悬挑式超前小导管。现场超前小导管施工中,在掌子面端头钢拱架腹板开设超前小导管孔,将超前小导管穿过腹板,超前前端搭接于围岩内。受片岩破碎体荷载作用,掌子面开挖后出现溜塌,钢拱架变形,超前支护失效。为防止下一榀拱架开挖时顶部松散堆积体溜塌,在第一榀钢架后方第二榀位置施作悬挑式超前小导管,更改超前小导管简支梁结构为悬臂结构,提升钢拱架结构完整性、稳定性。悬挑式φ42 mm超前小导管环向间距15 cm,长度4.5 m。

超前注浆固结。悬挑式超前小导管钻安完成后,利用超前小导管进行注浆加固片岩破碎体,富水段采用注水泥浆+水玻璃双液浆,将超前小导管锚固于破碎围岩体内,超前小导管周围破碎岩体黏结一体,初步形成支撑拱结构,避免了掌子面开挖后围岩坍塌。其中,水泥浆配合比为水泥∶水=1∶0.8,水玻璃∶水=1∶2,水泥浆与水玻璃体积比为水泥浆(0.8)∶水玻璃=1∶0.5(体积比),注浆压力为0.5～1 MPa。根据掌子面涌水状况动态调整水泥浆水灰比,涌水量较大地段水泥浆水灰比为0.5,涌水量较小地段水泥浆水灰比为0.8,富水段双液浆凝固时间控制在42 s。

2.4 隧道开挖与支护措施

隧道破碎片岩段原开挖方式为台阶法开挖,改进后采用三台阶预留核心土法,上台阶高度3 m,中下台阶高度2.5 m,其中中下台阶根据破碎体溜塌情况动态调整每次开挖台阶高度。上台阶核心土占上台阶掌子面面积50%,核心土为上台阶拱架安装提供平台,核心土的留存保证了掌子面稳定。

开挖方法。采用钻爆方法,爆破振动扰动掌子面围岩稳定,增加了掌子面围岩溜塌风险,采用机械方式开挖,利用破碎锤与挖机相配合的方式进行机械开挖,较好地控制了围岩超挖量,保证了掌子面稳定。

钢拱架长度动态调整。中下台阶开挖时,受初支背部松散破碎体的影响,中下台阶无法按照设计台阶高度成型,根据实际开挖台阶高度动态调整初支钢拱架长度,至钢拱架落底。

排水固结大锁脚补强。富水段初支钢架采用φ42 mm锁脚锚杆注水泥+水玻璃双液浆加固。在中台阶与下台阶拱架连接处增设长度6 m、φ89 mm热轧无缝钢管作为加强大锁脚。加强锁脚搭设完成后作为初支背部排水通道,待涌水量降低后,后期对锁脚注浆加固,增加锁脚强度。

注浆小导管重筑组合拱。原有砂浆锚杆钻孔在松散体内无法成孔,砂浆锚杆在松散体内无法形成锚固支撑结构。故破碎片岩段原有φ22 mm砂浆锚杆调整为φ42 mm注浆小导管,注浆小导管长度3.5 m,环向×纵向间距为0.8 m×1.0 m。富水段注水泥+水玻璃双液浆,双液浆参数与富水段超前注浆相同,无水段改用1∶1水泥净浆固结加固。环向注浆小导管注浆后将初支背部松散体固结呈环形拱状结构,注浆小导管锚固于固结体内,形成组合拱结构,降低初支结构受力,避免初支变形、破坏。

3 初期支护监测

隧道破碎片岩段初支钢架安装后紧贴围岩面安装土压力盒。喷射混凝土完成后布设沉降观测点,对破碎段进行监测。

3.1 沉降变形监测分析

在隧道拱顶、上下台阶位置对称布置沉降观测标,定期采集数据。绘制沉降观测数据变化曲线,见图5。

图5 监控量测数据Fig.5 Monitoring measurement data

根据测量数据曲线分析,拱顶沉降数据在第9 d趋于稳定,累计沉降变形数值约130 mm,中下台阶监测点位移在第10 d收敛,最终趋于稳定。初支结构采用调整后的施工参数与施工方法保证了稳定性,为衬砌封闭成环施工提供了安全保障。

3.2 初支受力监测分析

结合现场监控量测点位的布设位置,在钢支撑背部围岩面上布置土压力盒,在上中台阶缩脚位置各布置1处,拱顶布置1处,记录初始压力盒数值,初支混凝土喷射完成后定期测量土压力盒数据。土压力布置点及现场安装见图6。

图6 土压力盒点位布置(左)与设备安装(右)Fig.6 Earth pressure box location (left) and equipment installation (right)

根据数据监测结果绘制不同位置土压力盒数据变化曲线,见图7。

图7 不同位置土压力盒点监测数据曲线Fig.7 Monitoring data curves of earth pressure box points at different locations

根据土压力盒监测数据曲线变化规律可知,拱顶监测点压力最大,最后稳定时达到293 kPa,上台阶左右侧拱脚压力值最大190 kPa,而中台阶左侧拱脚压力值最大为89 kPa。土压力盒监测应力在第10 d后变化率降低,表明支护结构背部围岩变形趋于稳定。

3.3 监测数据分析

通过分析应力监测数据可知,中台阶压力小于上台阶压力,上台阶施工中径向注浆形成了组合拱,加上补强缩脚锚固作用,在中台阶开挖过程中,上台阶已形成稳定结构,故压力数值较小。压力监测数据变化与沉降变形观测数据变化规律相符,表明调整后支护结构能有效控制破碎片岩段大变形。

4 结论

在隧道软弱破碎段,围岩自稳性差,改变超前小导管受力状态,进行注浆加固破碎体,是保证掌子面安全开挖的有效措施。改进注浆小导管在松散破碎体中的受力状态,富水段采用水泥浆+水玻璃双液浆固结,形成组合拱结构,改善隧道拱部应力分布状态,可降低隧道初期支护结构变形量。动态控制破碎段台阶开挖高度,增设补强大锁脚,兼顾初支背部排水泄压,大锁脚注浆固结,进一步提升了上台阶初支结构及组合拱的稳定性,有效降低了隧道工程沉降变形。