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論隧道偏壓段的穩(wěn)定控制論文
摘 要：對目標隧道偏壓段出現(xiàn)的病害特點和原因作了具體分析，針對其出現(xiàn)病害的特點和原因對偏壓段的控制和支護方案作了優(yōu)化研究，提出支護方案，同時對在施工過程中由于地質條件的變化可能會出現(xiàn)的問題提出了應急預案和施工建議，此方案在后面的施工過程中對偏壓段的治理起到了很好的效果。
關鍵詞：隧道偏壓段；穩(wěn)定；病害；方案オ
1 目標隧道病害原因分析
1.1 目標隧道開挖揭示地質情況
�。�1）頁巖、粉砂質頁巖：深灰色、灰色，層理發(fā)育，薄一中厚層狀，泥質結構。頁巖微節(jié)理發(fā)育，隧道開挖棄渣暴露后，較短時間內發(fā)生碎裂，裂隙面一般平直、光滑。屬IV級圍巖。（2）隧道通過區(qū)域構造簡單，褶曲不發(fā)育，地層單斜，巖層走向與路線走向交角為5°～20°，主要節(jié)理有：110°～160°∠57°～72°， 90°∠90°，節(jié)理間距1～2m，多呈密閉或微張，延伸性一般。（3）地表橫坡大，地表徑流條件較好，下伏基巖以頁巖為主，透水性較差，故大氣降雨主要以地表徑流的形式向外排泄。地下水不發(fā)育，從隧道開挖情況來看，除在隧道進出口淺埋段基巖裂隙水相對較大外，僅局部見基巖裂隙水且水量較小。隧道設計為雙向六車道的分離式隧道，左、右洞之間凈距20m。
1.2 目標隧道開挖后病害特點
（1）隧道開挖時成形好，圍巖完整性較好，施工炮眼痕跡一般殘留70％以上；（2）隧道支護變形量較大，沿隧道右側拱部范圍內出現(xiàn)縱向開裂；（3）施工面不封閉時，幾小時后圍巖會沿微節(jié)理面及層理面產生松弛破裂，在拱頂、洞壁及掌子面會出現(xiàn)響聲，且有圍巖剝落掉塊，開挖輪廓逐漸呈不規(guī)則狀等現(xiàn)象，之后暴露面呈顯出破碎/較破碎狀態(tài)；（4）圍巖應力釋放緩慢，時間長，且具有突然大量釋放的特點。使得錨噴支護變形開始不明顯，繼而突然開裂，變形發(fā)展較快；（5）地應力在左、右洞之間，隧道進口段與出口段的表現(xiàn)不盡相同，具有不對稱性、非均勻性，使左右洞、進出口段處理措施效果差異明顯；（6）經松動圈測試結果表明，在隧道A側起拱線部位松動范圍相對較大。
1.3 目標隧道病害致因分析
�。�1）隧道開挖后隧道周邊形成的二次應力場使巖體發(fā)生局部破壞：隧道埋深較大時自重應力也較大，隧道開挖后在洞壁四周出現(xiàn)切向應力集中。隧道通過的巖性以致密塊狀的砂質頁巖為主，其強度介于硬質巖與軟質巖之間，因此其破壞現(xiàn)象表現(xiàn)為巖體的局部破壞，具有一定的松動性巖爆特征。巖體的局部破壞造成了錨噴支護的開裂、變形，洞壁和拱頂?shù)魤K，以及小規(guī)模的坍塌。當巖體的局部破壞進一步積累，松動范圍擴大，必將造成大面積的坍方冒頂。（2）順層地層偏壓：由于巖層走向與傾角不利，加之層理發(fā)育，形成順層偏壓。隧道開挖后在A側起拱線部位形成應力集中，造成巖體局部破壞，A側邊墻部位切層掉塊，B側邊墻部位順層坍滑，拱頂沿層面跨塌。從地應力測試成果也可以說明這一點，巖體中的最大主應力方向與巖層的傾向基本一致。圍巖接觸壓力測試亦顯示隧道兩側存在壓力差，有偏壓存在。（3）巖體微裂隙發(fā)育：單純從掌子面的巖體情況看，巖體完整性較好，但從坍下的巖塊看，巖塊較為規(guī)則，說明巖體內部的微裂隙較為發(fā)育，這就為巖體的破壞創(chuàng)造了必要的邊界條件，使上述兩種作用的效果更加明顯，病害的程度也更加嚴重。（4）隧道通過地層形成時代較早，受歷次地質構造影響，初始應力具有多期性，加之隨隧道埋深的逐漸變大，隧道的初始應力三維狀態(tài)會相應發(fā)生改變。（5）由于地應力的多變性，增加幅度過快，使得實驗段制定的支護措施很快就不能適應地應力的增長，施工表現(xiàn)為實驗段措施在開始段有效可行，但后續(xù)段卻發(fā)生病害；不得不一次次地增加錨噴支護的剛度。（6）根據(jù)監(jiān)測資料，錨桿軸力且B側受壓，A側受拉，說明隧道B側受到擠壓，錨桿在圍巖松動圈以外的錨固長度不足，不能有效地抑制圍巖變形。根據(jù)圍巖松動范圍測試結果也可以得以映證。（7）錨桿軸力普遍偏小，最小軸力處的圍巖接觸壓力、鋼架應力偏大，說明錨桿發(fā)揮的作用較小，使得圍巖壓力基本由鋼架承擔，在鋼架達到極限強度時，引起噴混凝土開裂、鋼架變形。
2 目標隧道偏壓段的穩(wěn)定支護方案設計
2.1 錨桿的設置
�。�1）按測試的地應力實測資料，采用2D-Sigma數(shù)值分析軟件進行數(shù)值模擬分析。（2）根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，在實驗段設置的4個圍巖接觸壓力測試斷面，根據(jù)監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)分析，大致可以看出一般拱腰位置的圍巖壓力較其它位置大。（3）根據(jù)監(jiān)控量測結果和現(xiàn)場實際情況，由于施工臺車的結構限制，無法按設計方向設置長錨桿，部分錨桿特別是拱頂附近以傾斜的角度打入地層，監(jiān)測的錨桿軸力出現(xiàn)壓應力或受力很小，故設計無法根據(jù)監(jiān)測資料準確了解錨桿的受力情況，僅能按監(jiān)測資料定性分析，并結合計算機數(shù)值分析了解錨桿的受力規(guī)律。
2.2 鋼架形式確定
由實驗段格柵鋼架支護效果可以看出，格柵可以較好的與初噴面密貼，整體受力均勻，但在隧道埋深達600m時，由于地應力較大，格柵的正截面剛度不足，使得格柵外側鋼筋外鼓變形。筆者設計選擇了正截面剛度較大的20號工字鋼，以解決正截面的承載力問題，但由于工字鋼縱向剛度不足，在地應力進一步增大的情況下，正截面還未達到承載極限時，以縱向失穩(wěn)，使得工字鋼扭曲變形。
2.3 鋼架間距確定
采用20號工字鋼鋼架縱向間距0.8m有一定的適應性，但縱向剛度不足，正截面的承載力略有不足，故選擇18型鋼，提高正截面剛度0.8倍，提高縱向剛度為3.3倍，縱向間距0.5～0.8m，環(huán)向成環(huán)，從實驗段的效果看，隧道的初支變形得到了很好的抑制，后續(xù)段施工可根據(jù)量測資料，對鋼架的間距進行優(yōu)化。
2.4 預留變形量的確定
根據(jù)監(jiān)測資料統(tǒng)計，目標實驗段中最大水平收斂為64.57mm，最大拱頂下沉值為48.7mm，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，后續(xù)施工段預留變形量取值10cm是合理可行的。
2.5 噴射混凝土
混凝土采用濕噴工藝施工，提高噴射混凝土質量；混凝土強度等級不低于C20，摻入鋼纖維，鋼纖維拉拉強度不低于308MPa，摻量為混合料質量的3%~6%。鋼筋網(wǎng)宜采用φ8鋼筋制作，鋼筋網(wǎng)隨受噴面起伏鋪設，并與鋼架、錨桿連接牢固。
混凝土原材料質量主要控制：砂采用潔凈的中砂或粗砂，細度模數(shù)宜大于2.5；碎石粒徑不大于15mm；水泥強度等級不小于42.5；速凝劑使用前做速效果試驗，初凝時間不超過5min，終凝時間不超過10min。
2.6 二次襯砌
二次襯砌的施作時間應控制在圍巖和錨桿支護變形基本穩(wěn)定后進行，應滿足以下要求：①各測試項目的位移速率收斂，圍巖基本穩(wěn)定；②已產生的各項位移預計總位移量80%~90%；③周邊位移速率小于0.1~0.2mm/d，或拱項下沉速率小于0.07~0.15mm/d。圍巖變形大或流變性明顯時，應采取加強噴錨支護并及時施作仰拱和二次襯砌。
2.7 監(jiān)測方案
�。�1）為了及時了解施工過程中圍巖及支護結構的受力狀態(tài)，確保施工的安全，為實驗段設計和調整支護參數(shù)提供參考依據(jù)，并與理論計算結果相比較，完善計算理論，為以后類似工程積累數(shù)據(jù)，結合前階段監(jiān)測成果，后續(xù)段采用以下監(jiān)測方案。（2）為查明隧道松動圈動態(tài)變化情況，應選取典型斷面設置多點位移計，測試從開挖開始至二襯完成時為止的圍巖松動圈變化情況，用以核實地質雷達的測試數(shù)據(jù)，相互映證。（3）為查明隧道錨桿軸力的動態(tài)變化情況，應選與多點位移計同一斷面，于拱頂、拱腰、邊墻中部及下部設置壓力盒，測試從初支設置開始至二襯完成時為止的圍巖壓力變化情況。 2.8 應急預案
�。�1）加大監(jiān)測頻率，監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析結果馬上反饋給施工隊，動態(tài)指導施工，一旦發(fā)現(xiàn)變形速率持續(xù)大于1.0mm/d，或總變形量大于預留變形量的2/3時，與設計單位共同研究實施加強措施；（2）掌子面停止開挖，噴混凝土臨時封閉；（3）對變形過大部位，施作8米長預應力長錨桿，預加約70～75KN預應力。錨桿尾部與鋼架聯(lián)接，縱向間距與鋼架相同，環(huán)向間距1米，以抑制初支過大變形；（4）對過大變形部位，實施初支背后及圍巖內部小導管注漿，小導管每根長3縱向間距與鋼架相同，環(huán)向間距1米，加固松弛的圍巖。
3 隧道偏壓段穩(wěn)定控制的方案建議
第一，根據(jù)量測資料，下臺階開挖對圍巖的二次擾動，會引起上臺階已施作的錨噴支護急劇變形，一般可達2～3mm/d，個別可達8mm/d，為控制下臺階開挖的影響，下臺階分左右兩側交錯開挖，側開挖長度控制在0.5~0.8m以內，開挖后及時施作錨噴支護，減少對上臺階的擾動，同時下臺階的鋼架基礎不得懸空，對于基礎超挖部分用與噴錨混凝土同等級的混凝土填充。
第二，控制爆破振動速度，按量測資料，左、右洞開挖爆破影響顯著，左洞開挖引起右洞變形迅速增大，口變形速率可達9.11mm/d。為減少開挖對隧道圍巖的擾動，抑制松動圈的擴大，提高圍巖的自承能力，應減少炮眼間距，減少一次裝藥量，并減少循環(huán)進尺，應控制爆破振動速度。
第三，采用光面爆破，多布置周邊眼，減少超挖量，使初噴混凝土與鋼架盡量密貼，使鋼架均勻受力減少鋼架的應力集中。
第四，對于左右洞施工的先后順序，不論先施工左洞還是右洞，最終兩洞的圍巖變形或是圍巖應力相差不大。調整左右洞施工順序，左洞超前右洞不小于50m，以減少兩洞間爆破振動的影響，改善右洞受力。
第五，針對隧道圍巖特點，隧道開挖后，如錨噴支護不及時施作，圍巖將會很快變形松動，使得圍巖松動圈快速變大，圍巖壓力急劇增加，圍巖自承能力顯著降低，此時再上錨噴支護，支護強度需很大才能抵抗圍巖的變形。為此，錨噴支護應在開挖后及時施作并封閉，防止圍巖過大變形而降低圍巖的強度及自承能力。
第六，改善施工工藝，施工臺車應以保證長錨桿的施作重新制作。提高錨桿施作質量，錨桿設置方向應盡量徑向，尾端加設墊板；鋼架應盡量與初噴面密貼，空隙處應用混泥土楔緊，鋼架背后不應有空洞。噴砼采用濕噴工藝。
第七，對于洞口段埋深較淺，隧道洞口存在偏壓情況，可采用抗滑樁的形式加固巖體，阻擋巖體產生滑動。
參考文獻
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