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层状围岩施工变形控制施工技术研究

范文

于剑舟

摘要：根据营盘山隧道的工程实践，在分析强风化层状炭质板岩围岩变形机理的基础上，研究采用弱爆破、仰拱初支与下台阶同步施工快速封闭法、优化隧道初支结构等施工技术以达到控制围岩有害变形目的。分析表明，减小围岩有害变形主要有：采用弱爆破对周边围岩和初支段的扰动，围岩变形控制效果好;台阶法施工、仰拱初支与下台阶同步推进，缩短了初期支护封闭成环时间进而减小围岩变形持续发展。采用边墙长锚杆降低围岩变形速率。

Abstract： According to the engineering practice of Yingpanshan Tunnel， based on the analysis of the deformation mechanism of strong weathered layered carbonaceous slate surrounding rock， the study uses to construction techniques， such as the weak blasting， the initial arching of the initial arch and the lower step synchronous construction， and the optimization of the tunnel initial branch， and so on， to achieve the purpose of controlling the harmful deformation of surrounding rock. The analysis shows that the reduction of harmful deformation of surrounding rock mainly includes the use of weak blasting to disturb the surrounding surrounding rock and the initial branch， and the surrounding rock deformation control effect is good; the step method construction， the initial arch and the lower step synchronously advance shortens the closed looping time of initial stage support and further reduces the deformation of the surrounding rock. The side wall long anchor rod is used to reduce the deformation rate of the surrounding rock.

关键词：层状围岩;施工变形;控制

Key words： layered surrounding rock;construction deformation;control

中图分类号：U455 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号：1006-4311（2019）07-0142-03

0 ?引言

在隧道施工过程中，板岩、页岩等层状、互层状岩体是一种较为常见的易碎裂沉积岩，其成分复杂，但都具有薄页状或薄片层状的层理，用硬物击打易裂成碎片。围岩稳定性较差，变形剧烈，施工难度大，安全风险高。成昆铁路多条隧道在穿越页岩、砂岩等层状、互层状岩体时，围岩变形剧烈，初期支护钢架扭曲，混凝土开裂掉块，造成隧道施工困难，经济损失和工期风险巨大。

本文结合营盘山隧道工程实践，在分析层状围岩变形机理的基础上，研究爆破参数优化、台阶法仰拱快速封闭施工工法、改变隧道初支结构、增加锚杆等方法控制变形。

1 ?工程概况

营盘山隧道位于四川省攀枝花市仁和区啊啦乡旺牛村附近沟槽进洞，隧道穿越川滇省界过烂木桥村于云南省永仁县他的么村村附近出洞。采用双线分修形式，左线隧道长17891m，右线隧道长17934m，最大埋深约833m。隧区属构造剥蚀高中山地貌单元，地形起伏较大，地表覆盖第四系全新统坡残积粉质黏土及第四系更新统粉质黏土、细圆砾土、粗圆砾土、卵石土、漂石土，下伏基岩为三叠系上统大菁组下段页岩、砂岩夹砾岩及煤;中厚层板状构造，灰色-黑色，变余泥质、钙质结构，层间结合力差，节理裂隙发育，岩质较软，岩体较破碎，局部受构造压力影响较大，肉皱明显，岩层走向基本与隧道走向正交，倾角30～60，局部存在顺层偏压。

2 ?层状围岩变形机理分析

层状围岩一般为沉积岩，沉积岩经过风化、搬运、沉积固结的成岩过程，使得围岩中各岩层的弹性模量、抗壓强度、抗拉强度、粘性模量等力学参数差异性大。营盘山隧道2#斜井层状围岩主要由碳质薄层板岩和页岩组成，节理裂隙发育，稳定性较差，其强度和破坏特征随着层面的走向、倾角、层厚、层面间距等因素的变化，呈现出明显的差异性，对隧道变形部位影响也不同。由于围岩性质、地应力、地下水等因素的影响，使得层状岩体变形机理较为复杂。

2.1 围岩性质

隧道开挖会使围岩的稳定性发生改变，应力进行重新分布，致使原本稳定的结构面发生移动，围岩岩体进一步发生碎裂。营盘山隧道2#斜井左线大里程自DK623+400以后岩层走向、倾角、地应力均使隧道围岩稳定性处于极不利的状态，开挖后围岩变形非常强烈，裂隙发育明显，松散，自稳性差。层厚10～20cm，层间夹有煤层，极其松散。同时，围岩中的地下水沿裂隙渗流致使岩体发生软化，使围岩产生较大的收敛。

2.2 弯曲变形

层状板岩的破坏主要为弯曲变形，如顶板弯折、边墙弯曲等。营盘山隧道2#斜井层状岩体可简化为薄板力学模型分析。隧道开挖后，围岩由于卸荷向临空方向弯曲鼓出。隧道场区高地应力又加剧了围岩水平收敛变形，隧道呈现出典型的挤压型变形。

3 ?变形情况

营盘山隧道2#斜井2014年6月开工，2017年3月份进入正洞施工。正洞施工至DK623+400以后，岩层破碎程度变大，风化程度加强，裂隙发育明显，围岩稳定性处于极不利状态，变形强烈。初支大变形造成初期支护喷混凝土开裂、脱皮、掉块，边墙钢架发生扭曲、矬断，钢架接头突出，造成侵限，不得不进行换拱处理。变形处理严重制约了我部的施工工期，使项目工期滞后。

结合现场变形数据分析，营盘山隧道层状围岩变形主要有以下特征：

①早期变形速率大，近似于直线发展，最大达80mm/d，变形难以控制和处理;

②变形持续时间长，变形量大，墙身收敛数值尤其突出，最大达600mm;

③变形受开挖扰动影响大，上台阶开挖及接中下台阶时均有突变;

④变形破坏力强，喷射混凝土开裂掉块，I20工字钢扭曲，钢架接头突出。

4 ?采取的措施

隧道刚开始进入层状地层施工后，由于对工程地质等特性及复杂程度认识不够，无论从工法上还是支护措施上都出现了偏差，导致现场初支结构遭到严重破坏，喷射混凝土开裂掉块，拱架连接板突出，多次发生换拱。为保障现场施工质量及项目施工进度，我们必须采取强有力的措施，防止大变形的发生，以达到避免拆换拱架和防止隧道坍塌的目的。

4.1 掌子面采取弱爆破配合铣挖机开挖

当隧道施工至DK623+400以后，隧道围岩属于强风化炭质板岩，较为破碎，受到岩石节理、层理发育的影响，常规的爆破开挖超爆现象普遍，超挖严重，初期支护承受的荷载成倍增加，变形严重。

现场技术人员根据现场围岩情况对爆破设计进行了优化，爆破总体设计原则为“多打眼、少装药、弱爆破、少扰动”。周边眼布置半径在原来的位置缩小15cm，距调整为30cm，每个周边眼装药量调整为2卷，围岩破碎部位隔眼装药;辅助眼间距调整为50cm，每个炮眼装药量减少1/3，掏槽眼间距和装药量也根据现场围岩情况做动态调整。爆破开挖后再配合铣挖机进行轮廓修整，其低振动、精度高的特点不仅减小了对周边围岩和初支段的扰动，且极大的控制了隧道超挖，使得初期支护承受荷载大大减小，很好的控制了变形。

4.2 三台阶法改两台阶，仰拱初支与下台阶同步施作

营盘山隧道掌子面施工至DK623+400后，初支变形大，导致侵线，现场多次进行初支加固、拆换。通过现场围岩监控量测数据发现：围岩的变形集中发生在接中、下台阶、施工仰拱初支这段时间，这段时间多次爆破扰动、拱架多次悬空对变形影响很大，仰拱初支封闭成环后围岩变形趋于稳定。如何减少围岩扰动的次数、缩短仰拱初支成环的时间就成为控制变形的重要手段。现场施工中反复试验、研究，最后确定采用两台阶、仰拱初支与下台阶同步施工的施工工法，具体步骤如下：①上、下台阶同时开挖，进尺1.6m（两榀拱架），喷锚支护完成;②上台阶单工序进行开挖，进尺1.6m，喷锚支护完成;③下台阶开挖、仰拱同步开挖，下台阶开挖进尺1.6m，仰拱开挖进尺3.2m，仰拱与下台阶同时喷锚支护完成;④利用洞碴将仰拱初期支护回填，重复上述①、②、③步骤;⑤仰拱填充的施作;⑥拱墙二次衬砌施作。

营盘山隧道采用这种新的施工工法后减少了接中、下导、仰拱时的扰动次数，初支封闭成环时间大大缩短，对控制变形取得了很好的效果，施工进度也得到了提高，各项指标对比如表1。

4.3 优化初期支护参数，提高初期支护的强度和刚度

初期支护由喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢拱架等组成，各部分联合受力，保证隧道开挖后围岩的稳定。原设计支护参数为16工字钢，间距80cm，钢筋网为？准8钢筋焊接，网格间距20cm，喷射混凝土厚度23cm。根据现场复杂的地质特性，项目部经与监理、设计、业主沟通后，对支护参数进行优化，增强支护能力，提高初期支护的强度和刚度，通过初期支护来限制和抵抗变形。

①将钢拱架型号调整为22b，间距调整为80cm，钢架之间除采用？准22钢筋进行纵向连接外，增加型钢连接，增强整体的初支稳定性和刚度。（图3）

②原设计钢筋网为单层，优化后改为双层钢筋网，随受喷面的起伏铺设，并与锚杆连接牢固，增强初期支护的稳定性。

③喷射混凝土厚度调整为29cm，保证支护能力的发挥和支护效果的实现。

④根据现场变形特点，结合监控量测变形数据，适当加大预留变形量至40cm。

4.4 长锚杆施工增强围岩自身稳定，降低变形速率

锚杆支护对围岩的加固作用机理较为复杂，但是相对于钢架支撑、混凝土墙支护这些被动支护，它是一种主动的加固措施。其力学作用主要表现在加固作用、悬吊作用、组合梁作用。

①长锚杆深入岩层，与岩体结合在一起，形成一个整体，当围岩因外界力量破坏时，最大限度的调动岩土介质内的强度和黏结力，充分发挥围岩的承载能力，增强岩体抗变形能力。

②1952～1962年路易斯阿·帕內科（Louis A·Panek）等经过理论分析和实验室及现场测试，发表了悬吊理论，悬吊理论认为锚杆支护的作用是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳固的岩层上。对于我部的层状围岩来说，直接顶板均有弯曲下沉变形趋势，锚杆能及时将其挤压，并悬吊在老顶上，直接顶板就不会与老顶板离层乃至脱落，极大程度的保持了围岩自身的稳定性。

③组合梁理论认为巷道顶板中存在着若干分层的层状顶板，可看作是由巷道两端作为支点的一种梁，支承其上部的岩层载荷。锚杆将各层结合成一个整体的组合梁，对岩层的移动产生了一定的阻碍，增大了岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象。

原设计锚杆长4m，根据现场围岩实际情况，经四方沟通后，将锚杆长度调整为6m，梅花型布置，全环施作。通过锚固，使支护结构受力均匀，起到联合支护的作用，增强了围岩自身的稳定和抗变行能力，降低了变形速率。

4.5 优化隧道初期支护结构尺寸，使得隧道初期支护结构受力更合理

营盘山隧道为单线隧道，净空尺寸较小，原设计仰拱厚度较薄，抗收敛能力差。我们在施工过程中通过与设计单位的研究，把原来的隧道结构尺寸进行了调整，将中、下导宽度各增加20cm左右，仰拱深度增加60cm，具体如下图（虚线为原设计断面，实线部分为修改后的断面）。调整后的断面更似一个“鸡蛋”，当其承受压力时，将受力均匀的传给周围其余各部分，并且巧妙的相互进行“抵消”，从而减少作用效果，增加了隧道初期支护抗收敛能力，这种结构的隧道衬砌受力更加合理。

4.6 将监控量测纳入工序管理，对变形进行动态管理

监控量测是隧道施工管理的重要组成部分，它不仅能指导施工，预报险情，确保安全，而且通过现场监测获得围岩动态的信息，為修正和确定支护参数提供信息依据，为完善隧道工程设计与指导施工提供足够可靠的数据支撑。

首先，对目测观察予以足够的重视，随时注意围岩的岩性和分布情况变化，节理裂隙发育程度和方向，喷砼是否产生裂隙，钢架是否压弯，当围岩变形量无变缓趋势或喷砼产生较大的剪切状态时立即停止开挖，加强支护，保证安全。

其次，勤量测。开挖工作面观察在每次开挖完成后进行，每天进行一次;已完初期支护及时进行全断面监控量测，保证每天一次，随时掌握初期支护的状态，指导和确定二次衬砌施作时间。

将监控量测纳入工序管理，在施工中进行信息化动态管理，达到确保工程质量、施工安全和进度，合理控制投资的目的。

5 ?取得的成效

目前营盘山隧道已施工完毕，经过施工工法改变、参数优化，加强施工管理，经济效果显著，为隧道安全、经济、快速施工提供了保障，并为以后类似围岩隧道的施工提供了宝贵经验。

参考文献：

[1]李海涛.浅析隧道微台阶开挖施工工法[J].建筑工程技术与设计，2014（6）.

[2]武建广，刘晓翔，王新文.碳质板岩地层大断面隧道变形控制施工技术[J].现代隧道技术，2011（4）.

[3]赵少强，林安宁，闫小军.哈达铺隧道直立板岩大变形分析及控制施工技术[J].现代隧道技术，2011，48（2）：73-77.

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