隧道大變形破壞成因及控制技術分析

隧道大變形破壞成因及控制技術分析陳鯨洋（中鐵十九局集團第二工程有限公司，遼寧遼陽111000）1工程概況某雙線隧道隧址區(qū)地質條件極差，具有高地應力、高地震烈度、高地質災害風險的特點，地形切割極為強烈、構造條件極為復雜活躍、巖性條件極為軟弱破碎。該隧道穿越地層巖性為三疊系上統(tǒng)新都橋組（T3x）炭質板巖夾板巖、砂巖，受斷裂帶影響，巖體破碎，次生小斷層及柔皺較發(fā)育，層理產狀變化較快，層間擠壓嚴重，受構造影響巖體破碎，砂巖、板巖等節(jié)理、裂隙發(fā)育，局部貫通性好，裂隙水發(fā)育。2地質概況隧道開挖揭示巖性主要為炭質板巖夾千枚巖，薄層狀，局部夾白色方解石巖脈，弱風化，巖質較軟，巖層走向與線路呈大角度斜交，傾向掌子面左側，傾角為50°?70°,局部層理扭曲，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖破碎，局部圍巖手可捏碎，掌子面局部滲水，炭質板巖、千枚巖遇水易軟化，掌子面及拱頂易掉塊、溜坍，圍巖整體穩(wěn)定性差。3變形破壞特征及成因1變形破壞特征該隧道圍巖較破碎，屬于散體結構軟巖隧道，開挖后圍巖穩(wěn)定性極差,變形方向不固定，掌子面極易發(fā)生失穩(wěn)情況。按原設計方案施工，初期支護體系出現(xiàn)了變形破壞，主要表現(xiàn)為：①初期支護變形速率大,最大可達到32mm/d,仰拱封閉成環(huán)后變形速率逐步減緩穩(wěn)定，累計變形最高可達45cm；②掌子面局部坍塌，拱部及邊墻初期支護混凝土開裂嚴重，有明顯裂縫，局部剝落、掉塊，局部段落邊墻侵限嚴重；③局部拱腰位置鋼架扭曲。3.2變形破壞原因結合隧址區(qū)區(qū)域地質條件、開挖揭示的圍巖條件和變形破壞特征等綜合分析、研究，發(fā)現(xiàn)導致該隧道大變形破壞的主要原因有：①受活動斷裂的影響，洞身巖體極為松散、軟弱、破碎，加之隧道開挖擾動使得洞身巖體的原始應力狀態(tài)被破壞，導致該洞周圍巖的強度應力比急劇下降，產生顯著的變形[1];②隧道開挖揭穿和擴大了地下水的排泄通道，地下水下滲、攜裹層間固體物質流失，造成結構面間的相互錯動，導致巖體沿結構面向洞內滑移變形，加劇了初期支護體系的破壞⑵。4大變形控制關鍵技術該隧道大變形段落施工，應在短時間內實現(xiàn)初期支護封閉成環(huán)，形成整體結構受力體系，并應以長短錨桿相結合形成錨桿群作用適應大變形變化，以達到控制大變形的目的。對于大變形控制關鍵技術如下:4.1超前地質預報采用地質分析法、超前水平鉆法和炮孔加深法、地質雷達法和隧道地震勘探法(TunnelSeismicPrediction,TSP)、地下水發(fā)育地段紅外探水法等多種手段相結合，探明掌子面前方地層巖性、地質構造、地下水發(fā)育等情況，提前判釋，及時調整工程措施和開挖方法［3］。微三臺階上部核心土法開挖技術（1）開挖范圍：以微三臺階上部核心土法開挖技術，實現(xiàn)初期支護“快挖、快支、快封閉、快成環(huán)”，在短時間內初期支護可封閉成環(huán)，形成良好的整體結構受力體系。通過不斷地優(yōu)化，兼顧開挖工序的施工組織和機械設備的布置空間，微三臺階上部核心土法開挖技術的臺階高度和步距控制的范圍為：上臺階高度控制在4m左右，中臺階高度2.9m左右，下臺階控制在3.1m左右，仰拱距下臺階不超過10m,二次襯砌拱墻離掌子面距離控制在70m以內。（2）開挖流程：①開挖1部，采用挖掘機將1部的土體扒出核心土范圍之外,上部核心土預留縱向長度控制在為3?5m,高度控制在2?3m,寬度一般控制在上臺階開挖寬度的2/3以上，上部核心士隨開挖掘進順次開挖、取消；②在上臺階初期支護穩(wěn)定的條件下，交錯開挖2、3部，2、3部開挖長度以能施作2幅鋼架為準，開挖后及時施作初期支護封閉；③挖掘機交錯開挖4、5部，開挖長度為2幅拱架，開挖后及時施作初期支護封閉；④隧底開挖，隧底開挖采用全幅施工，上面鋪設仰拱棧橋，開挖長度控制在每次不超過5根拱架，一般控制在3m左右，開挖后及時施作隧底初期支護封閉成環(huán)［4］。（3）開挖質量控制要點：①1部開挖時每次進尺一根鋼架間距，先采用挖掘機開挖，距開挖輪廓線處預留30?50cm巖、土體，人工采用風鎬沿輪廓線進行開挖預留土體，避免挖掘機開挖對已施作的初期支護造成破壞和對洞周遺留巖、土體產生大的擾動；②各部開挖時,拱腳處預留不少于30cm厚的巖、土體，采用人工開挖，嚴禁拱腳超挖，拱腳采用擴大拱腳墊槽鋼，防止因拱腳原狀土被破壞或承載力不足而造成支護下沉；③每循環(huán)開挖前，測量組在掌子面準確放出開挖輪廓線，開挖完成后要檢查開挖斷面，不得出現(xiàn)超欠挖［5］。開挖施工放樣時比設計開挖輪廓半徑應加大預留，施工預留變形量二施工誤差5cm+圍巖預留變形量(根據前期初期支護變形量動態(tài)調整)。由于分部開挖后各部分斷面較小，不能完全采用機械開挖，可以采用挖掘機挖出上部的主斷面，周邊輪廓采用人工使用風鎬修鑿，以達到符合設計開挖輪廓線為準。采用挖掘機配合裝載機出硅。長短錨桿相結合施工技術(1)短錨桿。采用長4隊022mm組合中空錨桿，在開挖后，初噴一層噴射混凝土后進行，初噴混凝土厚度不少于8cm,噴射面圓順，錨桿垂直于噴射面切線方向，墊板與初噴面密貼。錨桿注漿采用孔底返漿法，注漿順序按“分區(qū)分段輪注法”的原則多次注漿法，確保注漿孔及孔周巖體裂隙充填密實，使短錨桿與開挖揭示后的圍巖快速形成整體，共同受力，有效提高圍巖的自穩(wěn)能力［6］。(2)長錨桿。采用長8m、①38mm中空錨桿，長錨桿采用后打法，即初期支護噴射混凝土完成后，待初期支護體系有一定變形后進行，施作時機根據監(jiān)控量測數(shù)據而定。當出現(xiàn)以下情況應及時施作長錨桿:①監(jiān)控量測變形速率持續(xù)2d大于5nmi/d；②累計變形量大于10cm時，變形速率仍未降低；③初期支護出現(xiàn)開裂、鋼架出現(xiàn)扭曲變形和短錨桿墊板出現(xiàn)變形。長錨桿與短錨桿打設位置交錯布置，長錨桿注漿原則和方式同短錨桿，必須確保注漿質量；長錨桿鉆孔應穿越圍巖塑性區(qū)，錨入圍巖彈性區(qū)，使錨桿、初期支護和洞周巖體三者形成共同受力體系，協(xié)調應對大變形，達到控制大變形的作用。隧道洞內水處理技術該隧道圍巖主要為炭質板巖夾千枚巖，千枚巖遇水極易軟化甚至泥化,極易造成圍巖極限強度急劇下降，勢必對隧道整體穩(wěn)定性造成極大的影響，從而進一步加劇初期支護體系的變形，故應高度重視隧道的洞內水處理。（1）對于富水地段，一方面結合超前地質預報綜合判釋掌子面前方水體位置及水量大小，同時采用超前水平鉆孔和加深炮眼加深進行超前鉆孔釋水釋壓；另一方面對該區(qū)域采用超前周邊注漿進行“靶向注漿”，提前對該富水地段巖體進行注漿堵水、固結［7］。（2）開挖后及時對滲水按開挖部位分別設置集水坑進行匯集、引排，避免滲水散排，浸泡圍巖，同時惡化施工環(huán)境。（3）初期支護完成后，對明顯滲水部位，應采用不少于長4叭042mm鋼花管進行注漿堵水、固結。監(jiān)控量測施工過程中，必須加強監(jiān)控量測工作，安排專人負責，納入工序卡控管理，及時采集數(shù)據，對監(jiān)控量測數(shù)據及時進行整理、分析［8］：①根據監(jiān)控量測數(shù)據動態(tài)調整工程措施、施工預留變形量、工序施工進度；②根據監(jiān)控量測數(shù)據控制長錨桿和二次襯砌拱墻的施作時機。5大變形控制效果在該隧道某段區(qū)間先進行試驗段施工中，隧道施工安全、平穩(wěn)、有序，初期支護施作完成后，監(jiān)控量測數(shù)據顯示最大拱頂累計下沉量為11cm,凈空收斂最大累計量為16cm。初期支護無異常開裂及鋼架扭曲現(xiàn)象