公路隧道軟弱圍巖大變形處治對策

公路隧道軟弱圍巖大變形處治對策陳俊權【摘要】公路隧道圍巖大變形是工程中常見的工程地質問題，給工程建設帶來了極大的困擾.為了研究隧道圍巖大變形易造成開挖面失穩(wěn)坍塌、冒頂、侵界等工程問題，以某隧道在斷層破碎帶處發(fā)生大變形處治過程為案例，系統(tǒng)歸納總結了解決類似軟弱圍巖大變形的工作流程及處治措施.工作流程包括:原因分析處治措施效果評價;在施工過程中通過發(fā)揮信息化施工的作用、適當加大預留變形量、合理設置支護參數(shù)、臨時補強隧道襯砌、及時變更施工工法、設置超前預支護、增加長錨桿、加強防排水等綜合措施，可有效控制公路隧道軟弱圍巖大變形.【期刊名稱】《公路交通技術》【年(卷)，期】2018(034)005【總頁數(shù)】7頁(P106-112)【關鍵詞】公路隧道;初期支護;大變形;處治【作者】陳俊權【作者單位】廣東省南粵交通仁博高速公路新博管理處，廣東惠州516820【正文語種】中文【中圖分類】U459.2圍巖大變形是隧道工程建設中的常見工程地質問題，內(nèi)昆線曾家坪大跨隧道在導洞開挖過程中內(nèi)壁出現(xiàn)嚴重變形［1］；永寧高速石林隧道，地質條件復雜，構造應力偏高，富水，斷層褶皺發(fā)育，巖體軟弱破碎，隧道基底強度低，圍巖自穩(wěn)能力極差。當隧道開挖后，圍巖產(chǎn)生強烈變形、拱頂沉降大，累計沉降達1.2m；支護結構被嚴重破壞，噴射混凝土層出現(xiàn)開裂和剝落，工字鋼拱架被壓變形；仰拱出現(xiàn)上拱現(xiàn)象，并伴隨較大面積的裂縫出現(xiàn)；同一隧道段，二次襯砌還發(fā)生了嚴重的縱向和橫向開裂［2］。通省隧道隧址區(qū)主要穿越武當山群地層，巖性主要是以含云母為主要礦物成分的片巖。在施工過程中，隧道圍巖巖性與地質構造多變，初期支護劇烈變形并破壞，隧道凈空侵限，給施工帶來很大的困難，嚴重制約了工程進度［3］。當隧道施工遭遇到圍巖大變形時，如果處治不當，將導致圍巖持續(xù)變形，直至失穩(wěn)，發(fā)生坍塌、冒頂，或者造成初期支護嚴重侵限，壓縮二次襯砌的空間，造成二次襯砌儲備的強度不足。圍巖大變形對于隧道的危害不僅僅存在于施工期，前期處治不當會給運營養(yǎng)護造成很大后遺癥。二次襯砌是隧道施工的最后一道安全儲備，當遭遇到較大變形時，為了及早消除風險，往往要求在變形尚未穩(wěn)定時施作二次襯砌，致使二次襯砌受力過大導致二次襯砌發(fā)生開裂、仰拱出現(xiàn)底鼓，嚴重影響了運營安全。針對軟弱圍巖大變形處治措施，諸多工程技術人員進行了多種方法的嘗試。李斌等［4］依托新意法的基本概念，提出了錨桿加固密度、加固長度、加固范圍的確定方法；陳煒韜等［5］以廈門海底隧道陸域段為工程背景，通過模型試驗研究了注漿、小導管、正面錨桿及其組合措施對該段土質圍巖的未支護段破壞模式和掌子面破壞模式的加固效果，分別從圍巖破壞荷載、圍巖位移和初期支護安全性3個方面分析了預加固措施對隧道穩(wěn)定性的影響；鄧思遠等［6］結合湖北省境內(nèi)某隧道項目，采用三維建模模擬環(huán)形開挖預留核心土法在不同核心土長度、臺階長度、進尺深度、襯砌施作時間下圍巖變形情況，找出了環(huán)形開挖預留核心土法各因素對圍巖穩(wěn)定性的影響；李榮［7吩析了龍眼睛隧道初期支護大幅變形的原因，提出了初期支護大變形的整治的措施；李國良［8］通過研究烏鞘嶺隧道嶺脊地段復雜應力條件下的變形控制技術，選擇了合理的斷面形狀、預留合理變形量、多重支護、適當提高襯砌剛度的柔性結構設計，短臺階或超短臺階快開挖、快支護、快封閉和襯砌適時施作的施工技術，成功控制了隧道大變形；黃明琦等［9］研究了軟弱圍巖大斷面隧道施工中徑向注漿技術，為該類隧道設計施工提供依據(jù)。在分析隧道施工中不同注漿方式的基礎上，以控制廈門翔安隧道陸域段圍巖變形為例，對隧道徑向注漿作用機理進行分析，闡述了注漿設計方案及實施情況，用監(jiān)測結果說明變形的控制效果。在隧道初期支護背后進行徑向注漿，能增強與圍巖的密貼程度，提高圍巖的承載力和自穩(wěn)力，有效地控制隧道初期支護結構沉降和變形。以上學者針對每一種具體的工況研究了軟弱圍巖大變形的處治措施，本文將依托某隧道現(xiàn)場處治的方法，系統(tǒng)歸納和總結處治類似軟弱圍巖大變形的措施及工藝流程。1工程案例1案例隧道大變形情況某隧道設計為分離式隧道，隧道總長5480m，最大埋深235.5m，左右線長度分別為5450m和5510m,屬特長公路隧道。該隧址區(qū)屬構造侵蝕低山地貌，地形起伏較大。隧道范圍內(nèi)中線高程296.00m~563.50m，最大高差約267.50m。山體自然坡度15。~35。，局部較陡，植被茂密，以灌木林為主。進、出口均處于山前斜坡地帶，山坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)［10］。隧道穿越地層主要為花崗巖，圍巖穩(wěn)定性較好，節(jié)理裂隙較發(fā)育。隧道穿越F3斷層，F(xiàn)3斷層處巖體極破碎-破碎，巖性以碎裂巖、斷層泥為主，巖體呈碎裂或散體狀，圍巖穩(wěn)定性差，初步支護不及時易產(chǎn)生大坍塌，側壁易失穩(wěn)。施工過程有涌突水可能，圍巖級別為V級。2016年12月7日，隧道掌子面的里程為ZK384+945,F3斷層破碎處監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)左線ZK384+930處發(fā)生大變形，拱頂沉降累計值達到320mm，大變形處的工程地質縱斷面如圖1所示。在掌子面爆破后，并出現(xiàn)小型裂縫，發(fā)現(xiàn)情況后，在變形段設立了加密觀測點，4h觀測一次，截止2016年12月8日上午，24h變形量達68mm，累計值達到388mm。隧道現(xiàn)場變形情況及襯砌的破壞情況如圖2、圖3所示。1.2原因分析針對本工程案例，分析隧道產(chǎn)生大變形的原因如下：1）地質因素：隧道進入F3斷層破碎帶，圍巖軟弱，地下水發(fā)育。斷層破碎帶中圍巖軟弱，遇水易軟化，自穩(wěn)能力差，同時存在水壓力的作用，導致襯砌荷載增加。2）施工因素：隧道在斷層破碎帶采用臺階法施工，不利控制圍巖沉降變形。下臺階開挖時，對上臺階造成擾動，導致隧道發(fā)生持續(xù)沉降。3）設計因素：該段施工時未及時根據(jù)地質情況進行設計變更，支護參數(shù)偏弱。1.3現(xiàn)場的應急對策現(xiàn)場變形過大后，針對隧道的變形情況，立即采取了以下加強支護措施：1）對左側拱腳處加設長4m的注漿小導管，間距1mxlm,對拱架背后巖體進行注漿固結，增加巖體強度和圍巖的自穩(wěn)能力，控制變形。圖1大變形段工程地質縱斷面示意圖2隧道初期支護大變形圖3局部拱架失穩(wěn)及噴射混凝土破壞2）對變形段應力集中點進行臨時仰拱支撐，臨時支撐采用I18工字鋼，間距@90cm，使變形段拱架暫時封閉成環(huán)，分散巖體應力。現(xiàn)場作業(yè)如圖4所示。3）對初期支護變形段，找出水源集中點，進行鉆孔放水卸壓，減輕水壓力對圍巖的擠壓?，F(xiàn)場放水卸壓如圖5所示。圖4加設臨時仰拱圖5放水卸壓4）對掌子面前方進行超前預注漿，固結前方巖體。防止隧道在繼續(xù)施工過程中再次發(fā)生大變形，如圖6所示。圖6超前預注漿照片5）對后期施工的3級大變形圍巖段的支護參數(shù)進行調(diào)整。采用①42注漿導管超前支護，長度為4m，每環(huán)33根；全斷面采用I18型工字鋼封閉支護，間距為70cm;加長系統(tǒng)錨桿長度及數(shù)量，全斷面布設①25中空注漿錨桿，長6m,間距100cmxlOOcm,每環(huán)設置38根；每棉鋼拱架拱腳處增設4根①42鎖腳錨管。1.4處治效果的評估ZK384+930監(jiān)控量測時間位移曲線如圖7所示。隧道進入斷層破碎帶，由于圍巖地質情況突變，隧道逐漸產(chǎn)生較大的位移，其中拱頂沉降及周邊收斂速率已經(jīng)超標（規(guī)范規(guī)定速率超過4mm/d就應該預警）。2017年12月1日至6日，拱頂沉降平均速率為25mm/d，周邊收斂平均速率為15mm/d。2017年12月1日一7日，在進行下臺階開挖時，致使拱頂沉降及周邊收斂發(fā)生陡變，位移累計值分別達到320mm及130mm，隨后立即停止了施工作業(yè)，進行了大變形的處治措施。由于及時采用了鎖腳錨桿對邊墻加固及采用了橫向支撐措施，2017年12月17日后，周邊收斂值基本穩(wěn)定，達到148mm;拱頂沉降達到450mm，也暫趨于穩(wěn)定。說明支護措施基本控制住了圍巖的持續(xù)變形。圖7ZK384+930監(jiān)控量測位移-時間曲線2公路隧道大變形處治2.1處治方案原則1）選擇處治方案原則為〃安全為主、技術可靠、經(jīng)濟適用”，在確定處治方案時應進行結構驗算，并進行多方案比選。2）調(diào)坡方法技術簡單，經(jīng)濟性好，施工安全且快速，在隧道縱斷面線形滿足相關要求的前提下宜優(yōu)先采用。某高速公路郭家川2號隧道就是采用了此種方法處理了初支侵界［10］。3）通過降低路面設計高程還不能滿足隧道凈空及縱斷面線形要求的地段應采用換拱方案，也是目前采用較多的一種方案。4）初期支護已經(jīng)基本安全穩(wěn)定，洞內(nèi)初期支護變形較?。ㄇ终级我r砌空間小于15cm，且小于30%的二襯設計厚度）的區(qū)段可采用加強二襯支護方案，采用配筋混凝土、提高混凝土強度等級及已侵占二襯空間無法加厚，此種方案也多有采用。5）在滿足隧道凈空和縱斷面要求的前提下，可聯(lián)合應用調(diào)坡方案、換拱方案和增加二襯支護方案，降低工程處理造價，并保證施工及結構安全。2.2軟弱圍巖大變形處治流程公路隧道軟弱圍巖大變形處治流程如圖8所示。歸納起來處治流程分3步，即原因分析處治措施采取效果評價。首先通過監(jiān)控量測和洞內(nèi)外巡查發(fā)現(xiàn)異常情況，應從地質、設計、施工3個方面進行綜合分析，找出變形原因；隨后提出措施。目前，解決軟弱圍巖大變形問題的主要措施有：加固圍巖、改變施工工藝、增強支護參數(shù)、消除不利的外因等措施。最后通過監(jiān)控量測對處治的結果進行評價，同時還應做好掌子面前方超前地質預報工作，以確定后續(xù)段落的施工方法。2.3解決軟巖大變形的常見措施1）發(fā)揮信息化施工的作用〃超前地質預報+監(jiān)控量測”是隧道信息化施工的主要手段［11］。超前地質預報能夠〃超前的”反映前方圍巖的變化情況，從而提前做好圍巖變更的準備。以本工程案例為例，隧道經(jīng)歷斷層破碎帶，但是在斷層破碎帶之前圍巖掌子面都是非常好的，如果及時采取措施對圍巖預加固，隧道施工到斷層破碎帶時，能夠避免圍巖發(fā)生大變形。監(jiān)控量測能評價當前施工的安全狀況，監(jiān)控量測常常被稱為施工的〃眼睛和耳朵”。監(jiān)控量測的工作主要有2方面：（1）洞內(nèi)外觀察。主要用來觀察已支護段襯砌及掌子面圍巖的情況。（2）量測。通過實時監(jiān)測數(shù)據(jù)來反映圍巖的變形及應力變化情況。2）適當加大預留變形量設計階段對地質狀況進行科學、準確的判斷，施工階段需要細化圍巖的設計與實際開挖情況對比工作，加強監(jiān)控量測，對拱頂下沉、圍巖內(nèi)部位移、圍巖與初支接觸壓力及周邊收斂數(shù)據(jù)等及時分析，根據(jù)具體情況調(diào)整、修正、加大初期支護預留變形量，避免因侵限而造成初期支護的拆除。圖8軟弱圍巖大變形處治工作流程3）合理設置支護參數(shù)對于軟弱大變形圍巖地段，在進行隧道支護時宜〃以抗為主”，不宜〃先放后抗”，處治大變形時宜優(yōu)選強度高、剛度大的型鋼支護結構，可以在短期內(nèi)形成較高的承載力，抵御強大的圍巖應力；同時考慮多措并舉，對圍巖進行小導管和中空注漿錨桿注漿加固，淺埋隧道還可采用地表注漿加固，使得破碎圍巖固結成塊，改變圍巖物理力學性質，提高圍巖的自身強度、承載能力和穩(wěn)定性，充分發(fā)揮新奧法的基本思想，達到事半功倍的效果。新奧法的基本思想是充分發(fā)揮圍巖的自承載能力，即在隧道掌子面開挖后圍巖要通過應力釋放，發(fā)生一定的變形后重新達到平衡狀態(tài)，并在柔性支護下保持結構穩(wěn)定。而對于隧道處于淺埋或軟弱圍巖地段時，其圍巖自承載能力低下甚至沒有自承能力，因此在進行初期支護時應選強度高、剛度大的型鋼支護結構，加強拱頂和洞身環(huán)向錨桿及鎖腳錨桿的錨固，“以抗為主”，不要“先放后抗”，否則，一旦變形加大，將難以處理，同時坍塌風險也直線上升，得不償失。4）隧道襯砌臨時補強當已經(jīng)完成支護的段落產(chǎn)生了明顯的變形，導致襯砌開裂時，首要的問題是要保住當前已支護段落的穩(wěn)定性。根據(jù)隧道變形情況對拱部或者邊墻采取鋼支撐進行支護，防止坍塌，如圖9、圖10所示。圖9某隧道豎向位移過大的加固措施圖10某隧道水平位移過大的橫撐加固措施及時變更施工工法對于大多數(shù)特長隧道施工，洞口的圍巖較差，常采用分部開挖的CD法、CRD法或雙側壁導坑法進洞，一旦進洞，會經(jīng)歷很長一段圍巖地質較好的段落，施工方法采用全斷面法或者臺階法施工。全斷面法或者臺階法開挖能較為有利地進行施工組織，即使通過斷層破碎帶，施工單位也不愿意改變工法。但是出現(xiàn)大變形時，應及時改變施工工法，增設臨時仰拱，預留核心土，增強已開挖段落隧道的穩(wěn)定性。其中臨時仰拱主要有直型和弧型2種，其作用主要有2個方面：(1)使已經(jīng)開挖的結構閉合成環(huán)，改善已開挖斷面的受力。(2)形成橫向的支撐，防止側向失穩(wěn)。具體施工步序如圖11所示。(a)開挖上臺階(b)上臺階初期支護(c)施工臨時仰拱(d)開挖下臺階(e)下臺階初期支護(f)拆除臨時仰拱圖11臺階臨時仰拱施工順序對于隧道兩側變形大、水平應力較大、擠壓較為嚴重的軟巖隧道，可采用直型臨時仰拱；對于下沉和收斂都比較明顯的軟基隧道，可設置弧型臨時仰拱。目前隧道臨時仰拱一般采用型鋼制成，其兩端應與初期支護結構聯(lián)結牢固，為防止臨時仰拱受力時發(fā)生彎屈變形甚至失穩(wěn)破壞，應進行縱向頂緊，可采用型鋼或圓木，其間用洞渣充填，也可以直接用素混凝土充填形成整體。臨時仰拱型式簡單，施工快捷，可快速形成初期支護封閉圈，阻止初期支護變形惡化，是處治隧道初期支護大變形應用較廣也是較為有效的方法之一。除此之外，還可以采用增加核心土的辦法來保證隧道的穩(wěn)定性，其原理如圖12所示。(a)未預留核心土(b)預留核心土圖12核心土對于隧道穩(wěn)定性的作用原理在核心土未施工時，隧道前方軟弱圍巖將沿著滑動面BA形成潛在的滑動趨勢，增設核心土后，失穩(wěn)的滑動面變成了BAC，顯然，核心土的預留增加了隧道掌子面的抗滑能力，對隧道穩(wěn)定是有益的。6）設置超前預支護超前支護的基本原理，如圖13所示，它將超前支護的桿件一端植入未開挖的穩(wěn)定圍巖，另一端固定于已經(jīng)施工的穩(wěn)定的拱架（對于管棚放置在預設的套拱）上，超前支護的桿體就形成了兩端固定的“梁”，隧道沿著縱向開挖，在縱向上形成塌落拱，這個塌落拱的高度由開挖進尺及圍巖情況確定。如果圍巖條件較好，能形成拱效應，則不需要超前支護；當圍巖較差時，超前支護正好阻止了塌落拱坍塌，由于這部分支護措施先于荷載產(chǎn)生，因此成為超前預支護措施。超前預支護的種類有很多，根據(jù)超前支護桿體可分為超前錨桿、超前小導管、超前管棚，其效果由弱到強。圖13隧道超前預支護原理當初期支護變形很大、開裂，甚至出現(xiàn)局部凸出、混凝土破碎脫落的情形時，應及時施作套拱。套拱一般用型鋼制成，最好能與原拱架有效聯(lián)結，與原支護結構形成整體共同受力，支護承載能力成倍提高，可有效阻止初期支護繼續(xù)變形，隧道防坍塌的能力大大增強。套拱可能侵入二襯限界，在施工二襯時可不拆除套拱，套拱可與二襯形成復合混凝土二次襯砌。7）增加長錨桿在處理大變形時，應加密、加長施作環(huán)向錨桿，同時適當增加鎖腳錨桿的長度和數(shù)量。同時建議采用中空注漿錨桿，對圍巖進行注漿加固，提高圍巖自承載能力；也可采用預應力錨桿，主動加固圍巖，控制圍巖變形，以提高初期支護抗變形能力，有效減少圍巖開挖后的變形及侵界現(xiàn)象。8）加強防排水淺埋隧道常因雨水下滲，圍巖遇水軟化而導致初期支護大變形，因此，對于淺埋隧道，其洞頂部位防排水措施十分必要，采取防、排、堵、截等措施防止雨水下滲，根據(jù)洞頂實際情況設置截水溝、排水溝等排水措施，必要時可將隧道上方地表進行硬化或覆蓋遮雨篷布臨時防水措施，多措施并舉防止雨水下滲。深埋隧道中的水，一般都為圍巖中承壓水或節(jié)理裂隙水。主要措施是完善防、排水系統(tǒng)，防止由水引起的大變形。仁博項目的九連山隧道和竹山隧道中的水就是屬于此類型，圍巖中的裂隙水豐富，處理措施主要是以引排為主，在設計、施工階段，增加并加深、加大了中間位置的縱向、橫向排水盲溝，并采取相關措施預防日后結晶體堵塞排水盲溝。3結束語隧道穿越軟弱圍巖時出現(xiàn)圍巖大變形的情況，在出現(xiàn)該類病害時應根據(jù)具體隧道的特點和施工工法分析病害原因和制定相應處理措施。本文給出了隧道初期支護大變形和侵界的常