| 标题 | 变质片岩隧道大变形防治技术 |
| 范文 | 方凯 摘要： 在复杂地质条件下隧道施工中，围岩大变形已成为困扰地下工程界的一个重大问题，特别是变质片岩长大隧道，围岩破碎且遇水软化膨胀、变形破坏形式多样、累计变形量大、变形速率高、持续时间长、围岩破坏范围大引发的涌水突泥等诸多因素，隧道施工工艺更加复杂，难度更大。本文通过对湖北省十房高速公路通省隧道变形特点在施工过程中对变质片岩大变形施工防治技术进行小结，建立了一套变质岩区隧道从开挖到初期支护大变形防治的施工工艺，实现类似围岩的安全快速施工。 Abstract： In the tunnel construction under complex geological conditions， the large deformation of surrounding rock has become a major problem that plagues the underground engineering community， especially the metamorphic schist tunnel. Because the surrounding rock is broken and softened with water， the forms of deformation and destruction are various， the accumulated deformation is large， the deformation rate is high， and the duration is long， and the large destruction of surrounding rock cause the water inrush and mud outburst， the tunnel construction process is more complex and more difficult. This article summarizes the prevention and control technology of metamorphic schist large deformation during the construction process of the tunnel deformation characteristics of Hubei Provincial Shifang Expressway， to achieve safe and rapid construction similar to surrounding rock. 关键词： 变质片岩；隧道；防治技术 Key words： modified schist；tunnel；prevention and control technology 中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）18-0166-04 0 引言 随着经济的快速发展和我国基础建设步伐的加快，隧道工程的规模、数量及复杂程度均显著增加，围岩大变形已成为困扰地下工程界的一个重大问题。特别是变质片岩长大隧道，围岩破碎且遇水软化膨胀、变形破坏形式多样、累计变形量大、变形速率高、持续时间长、围岩破坏范围大引发的涌水突泥等地质灾害多。通省隧道是湖北省骨架公路網中迄今为止最长的变质片岩隧道，是十房高速公路“第一难隧道”。隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩占比高达99.6%，揭示围岩最大变形量高达1220mm，施工过程中多次发生拱顶坍塌、涌水突泥等地质灾害，该隧道历时6年修建完工。本文通过湖北省十房高速公路通省隧道变形特点在施工过程中对变质片岩大变形施工防治技术进行小结，结合传统施工方法特点及难点，对开挖方法和施工工艺做了相应的改进，在此基础上完成了对原设计支护参数的优化，制定与通省隧道变质片岩地质条件相适应的开挖与加固措施，建立了一套变质岩区隧道从开挖到初期支护大变形防治的施工工艺，为通省隧道后续施工提供了有益指导，通过对变质片岩大变形隧道施工防治的实践经验的总结和提炼，对今后类似隧道工程施工的技术水平控制、保障施工安全起到重要作用。 1 变质片岩隧道大变形开挖方法 1.1 开挖方法的对比 变质片岩隧道围岩变形存在明显的个性特征，且隧道围岩强度低、岩体破碎、自稳性差，隧道施工极易产生较大塑性变形，且变形速率非常快，变形长时间不能趋于稳定，最终导致初支破坏，二衬开裂，无法保证结构安全。 针对上述情况，通省隧道在施工过程中依次采用上下台阶预留核心土法、临时仰拱辅助工法、CRD法等方法，但效果仍不明显，究其原因主要在于：①上下台阶法施工虽然整体速度较快，能减小对围岩扰动次数，变形相对较小，但台阶开挖断面面积过大，掌子面围岩更容易失稳坍塌，施工安全性差。②临时仰拱辅助工法是在台阶法基础上增加临时仰拱，但由于该隧道围岩压力较大，临时仰拱在未达到拆除条件时，就已经发生隆起破坏。另外，临时仰拱的安装与拆除过程较慢，尤其是在增加纵向连接和喷射混凝土后耗时更长，不利于控制围岩变形。③CRD法在一般的软弱围岩隧道中较为常见，一方面有利于隧道稳定，另一方面施工相对安全，但施工临时支护较多，周期较长。因通省隧道围岩在兼有一般软弱围岩特性之外，围岩变形速率快且无法稳定是其突出问题，经监测，围岩下沉及收敛平均约30mm/d，且呈线性增长。在运用CRD法后，变形依旧严重，且由于工序转换较为复杂，数月没有进度。经综合分析和现场施做，项目总结出三台阶预留核心土临时横撑法施工，既保证了及时成环减缓变形的速率，也便于在后续施工中的拆除及重复利用次数，确保了二次衬砌的紧跟施工，解决了变形不能趋于稳定且时间过长的问题。 1.2 三台阶预留核心土临时横撑法 大变形地段施工应严格遵循“管超前、短进尺、弱爆破、强支护、快封闭、勤量测”的原则使用合理的施工方法，两台阶法施工过程中，由于通省隧道变质片岩自稳性极差，台阶高度过大且循环时间及台阶长度影响整体成环时间，对变形难以控制，较大地增加了坍塌及初期支护置换的可能性，经综合分析和现场施做，三台阶预留核心土临时横撑法施工，既保证了及时成环减缓了变形的速率，也便于中、下台阶及仰拱的施工过程中的快速拆除及重复利用次数。 三台阶预留核心土临时横撑法在施工上台阶过程中设置临时横向钢支撑，对上台阶初期支护临时成环减缓变形速率，有效地抑制变形。施工过程中严格控制上、中、下台阶的高度和台阶长度，同时要确保掌子面距离仰拱和二次衬砌的安全距离，仰拱施工通过自制钢栈桥过渡，有利于各工序作业时的衔接空间。根据围岩地质情况和规范要求，合理确定循环进尺。具体施工参数如图1、2所示。 2 变质片岩隧道大变形段初期支护参数优化 通省隧道在按原设计支护参数施工完成后出现环向和拱顶贯通的纵向裂缝，随后出现大面积的侵限，换拱之后变形仍持续增大。在这种情况下现行的两个常规做法是增大预留变形量和提前施做二次衬砌。鉴于施做二衬支护需要一定时间，在此段时间内换拱后的隧道仍有侵限的可能；即便换拱后支护结构未侵限，二衬能否承担相应的压力，后期安全储备是否充足仍未可知。 为有效地预防和限制围岩的大变形，以保证隧道安全稳定、加快施工进度。为此，项目通过实践对初期支护的施工参数进行了优化，采用强化钢支撑与喷射混凝土来增加支护刚度。具体方案如下： 2.1 喷射混凝土优化 2.1.1 适当增加喷射混凝土厚度 不同厚度的喷射混凝土支护下围岩位移变化差别明显，因此适当增加喷射混凝土厚度可以发挥喷射混凝土的功能：支撑作用、“卸载”作用、填平补强围岩、隔绝作用、传递分配外力、间接提高围岩中的环向力，提高初期支护组合拱的质量，增强组合拱的支撑能力。通省隧道在现场施工中针对变质片岩V级围岩地段喷射混凝土厚度原设计10cm优化至10cm、12cm、15cm三种厚度，有效地预防缓解了在变质片岩V级围岩地段变形速率有差异的三种情况，保证了隧道施工的安全。 2.1.2 改良喷射混凝土性能 在通省隧道施工中出现的初期支护大变形过程中变形范围出现环向、纵向裂缝，钢筋网片连接处拉断等现象，经过现场分析实践，对喷射混凝土的抗压、抗拉性能进行了加强，通过喷射聚丙烯网状纤维混凝土和原设计普通混凝土进行了试验对比（见表1），聚丙烯网状纤维混凝土改变了混凝土的抗拉伸性能，提高了混凝土的韧性及变形能力，在变形段应用过程中有效控制了混凝土裂縫发展，特别是边墙和拱部处纵向裂缝的产生，提高整体的支护能力，缓解了隧道初期支护的变形发展。 2.2 强化钢支撑 在软岩支护中，一般通过加大钢支撑的截面积、型钢拱架替代格栅拱架来提高初期支护的刚度和强度。在处理通省隧道软岩大变形施工时，往往还需要加大钢支撑的截面积、加密其间距来提高支护结构的强度。 通省隧道原设计中钢拱架的支护选择HW150型钢拱架、Φ25钢筋格栅拱架和Φ22钢筋格栅拱架三种类型。在现场使用过程中对V级围岩变形速率较大地段将原设计HW150型钢拱架优化HW175型钢拱架；IV级围岩变形速率较大地段将原设计Φ25钢筋格栅拱架和Φ22钢筋格栅拱优化为I16和I14工字钢。 通过现场实践，在同样情况下加大型号后的型钢拱架和替代的钢拱架支护位移量较原设计支护要小；在变形速率大及地质情况差的情况下使用都起到了良好的效果。 2.3 加强锁脚锚杆 在隧道辅助施工措施施工时，锁脚锚杆（管）不同的型号、长度、角度、数量、注浆工艺、注浆材料、施工时间均会影响围岩的变形速度。如何通过现场试验确定辅助施工措施的技术参数，最大限度地抑制隧道围岩变形是锁脚锚杆施工的难点和重点。 现场采用原设计和优化后的对比方案进行试验，将原设计的Ф22锁脚锚杆与优化后的Ф42锁脚导管以及长度、注浆材料、位置等因素对围岩变形的控制效果进行了对比，通过对比分析可以看出：①优化后Ф42锁脚导管对初支变形的抑制作用较为有效，可以使收敛速率减小一半以上，特别是对控制各台阶开挖时周边岩体坍塌效果明显；②通过对单液浆与双液浆注浆效果的对比，施工中应尽量选择水泥水玻璃双液浆，以减少浆液中水对围岩的软化作用；③软弱围岩条件下，施工角度应设置在20～25°之间为宜。 3 变质片岩隧道大变形不规则段抛物线形锚杆支护法 片岩隧道经常会出现岩层结构偏压，特别是片理面发育的薄层状片岩隧道经常会出现垂直于片理面的弯曲、张裂与折断，沿着片理面的滑移而产生偏压，而产生大变形。 通省隧道在施工中经常发生大变形破坏偏向隧道初期支护线路左侧的的情况。大变形时，垂直于片理面的锚杆被拉断，平行于片理面的锚杆随岩体一起沿着片理面滑出，可以看出锚杆垂直于片理面的作用比平行于片理面的作用大。项目根据隧道不同位置变形量不等的情况通过抛物线形设置锚杆的工法，针对性地局部增长锚杆、改变锚杆的方向，有效地抑制了变质片岩隧道经常出现的岩层结构偏压所产生的变形破坏。 3.1 抛物线锚杆法方案思路 变质片岩隧道大变形中的扰动损伤、持续变形劣化、水劣化，主要是对围岩塑性圈的围岩损伤劣化，使围岩弹性模量E、黏聚力c、内摩擦角？准等物理力学性能劣化降低，使围岩的自稳能力降低，进而产生大变形，其过程表现为：开挖→应力调整→变形、局部破坏，产生塑性圈、松动圈→围岩损伤劣化→再次调整→再次变形→较大范围破坏→大变形。从其过程表现认识到围岩的大变形破坏是渐进式逐次发展的，针对在施工中经常发生大变形破坏偏向隧道初期支护线路左侧的情况通过抛物线锚杆法调节下锚杆支护的布置方式。如图3所示，从而达到抑制产生变形破坏的松动圈继续发展，使围岩强度得到提高，自承能力得到发挥，从而达到控制隧道围岩变形的目的。 3.2 松动圈测试 3.2.1 测试设备 本次测试采用跨孔超声检测仪和超声波测试技术，也是围岩松动圈测试的最常用的一种方法，操作方便、快捷、经济。通过测出距施工围岩段落表面岩体不同深度的波速值，再结合地质资料共同分析，从而预判出隧道的围岩松动圈厚度。 3.2.2 测试方案 试验段落布置2个间距30m的观测断面；每个观测断面布置两组分别位于隧道两帮的测孔，测孔间距100-120cm，孔深600cm，孔径60mm，探头直径40mm，如图4所示。 3.2.3 测试结果分析 超声波测试结果如图5所示，现场对每组测孔进行了两次超声波测试，图示为每组测控两次超声波测试声波与深度变化曲线。 第一组测孔两次测试结果曲线整体走势一致，第一次测试中，在测控深度小于1.6时，声波速度从2123m/s逐渐下降到1767m/s，随后缓慢增大，直至测孔深度为3.6m，逐步趋于稳定，波速在2600m/s上下浮动，第二次测试中，声波波速变化幅度较第一次大，在2.3m左右波速降至最低，后突升至2290m/s，直至孔深为4m以后，在2600m/s上下浮动，可判断围岩在1.5～2.5m处围岩条件较差，围岩较破碎，松动圈半径在4m左右。第三组测孔与第一组测孔类似，声波波速变化幅度较大，第一次测试声波波速基本呈增长的趋势，从1522m/s增至2691m/s，在孔深4.5m以后声波波速浮动较小，稳定在2630m/s左右，第二次测试大致呈先减后增而后稳定的变化趋势，在孔深为2.4m时波速为最低，4.5m以后声速变化较小，基本呈稳定趋势，此组测孔测试结果显示松动圈半径在4.5m左右。 第二组与第四组变化规律相似，数据突变概率较小，第二组测孔测试结果显示在孔深大于4m时，声速变化较小，第四组数据则在3.5m以后趋于稳定，围岩受扰动较小。 对上述测试结果进行分析研究，可以认为通省隧道左线ZK116 + 885～ ZK116+915段围岩松动圈厚度大约为3.5～4.5m。 3.3 抛物线形锚杆布置取值确定 从松动圈试验中得出的结论可以拟通省隧道在施工过程中的松动圈范围为3.5～4.5m，在施工中经常发生大变形破坏偏向隧道初期支护线路左侧的情况，抛物线锚杆设置长度穿过松动圈拟采用最短锚杆为5m，针对现场量测变形速率破坏最大处即为抛物线顶点，拟采用最长锚杆为6m，V级围岩地段未受到变形破坏处设计锚杆长度为3m，由此3处长度、位置的确定可得出此破坏范围加强锚杆的抛物线形y=ax2+bx+c，具体布设形式如图6所示。 图6中隧道中心线和起拱线分别为抛物线形的X轴和Y轴，图中抛物线形上任意一点对应的锚杆长度L2计算方法如下：其中根据隧道设计断面尺寸可知L1、X1、Y1的数值，可计算出抛物线形中X2、Y2的关系为Y2=Y1*X2/X1，将Y2代入抛物线公式可求解出X2数值，反之可求解出Y2，然后根据勾股定理可求解出L的数值。 由此可算出L2=L-L1。 3.4 抛物线形锚杆施工参数 在现场实践过程中发现，隧道单侧变形破坏地段经常出现锚杆拉断、崩开等现象，课题组在抛物线形锚杆施工段采用Ф25中空注浆锚杆，相对于普通砂浆锚杆来说中空注浆锚杆的锚固质量更好、中空杆体有更好的刚度和抗剪强度、中空锚杆杆体大螺距螺纹结构增加了锚杆体与注浆材料的粘接面积从而提高了锚固力。注浆完成后使围岩整体强度提高，结合初期支护达到整体受力，达到了抑制变形破坏松动圈的继续发展。 4 变质片岩隧道大变形初期支护加强技术 4.1 适度加大开挖预留变形量 通过二次衬砌施工前初期支护变形的监控量测数据统计分析，适当加大在洞身开挖时拱部和边墙部位的预留变形量，预留出初期支护变形的空间，保证二衬施工时足够的厚度。预留量根据现场灵活掌握，拱部范围宜控制在40～60cm，边墙范围宜控制在20～40cm。 4.2 加大超前支护的纵向搭接长度 隧道常规的超前支护采用小导管和锚杆，施工过程中通过加长两环的搭接长度，使得超前支护的棚护受力提高，从而缓解围岩变形速率保证初期支护完成前的施工安全性，在通省隧道施工中效果明显。 4.3 加强初期支护拱架控制 钢拱架是初期支护的重要环节，钢拱架成环联接处是薄弱环节，通过增加锁脚的数量及长度，有效提高了钢拱架的整体支撑能力，同時控制锁脚打设角度，宜在20～30°；钢拱架节点受力处薄弱部位在施工中加大联接钢板的尺寸和厚度，增加联接处的刚度；加强刚拱架纵向连接，采用型钢、钢板等替代钢筋连接，提高拱架之间的抗弯、抗扭性能，提高初期支护刚拱架的整体受力，有效缓解变形速率。 4.4 初期支护及时成环 变质片岩隧道施工段落，初期支护变形尤为明显，初期支护及时成环是抑制变形的最有效手段，在多台阶施工工艺中，各台阶通过临时支撑形成临时仰拱及时成环加强初期支护的整体受力，加强开挖后围岩变形的稳定性。 5 结束语 通过对变质片岩隧道大变形特性的认识， 结合传统施工方法特点及难点，对开挖方法和施工工艺做了相应的改进，在此基础上完成了对原设计支护参数的优化，制定与变质片岩隧道地质条件相适应的开挖与加固措施，建立了一套变质岩区隧道从开挖到初期支护大变形防治的施工工艺，为通省隧道后续施工提供了有益指导，通过对变质片岩大变形隧道施工防治的实践经验的总结和提炼，对今后类似隧道工程施工的技术水平控制、保障施工安全起到重要作用。 参考文献： [1]陈乃明，刘宝琛.块体理论的发展[J].矿冶工程，1993（04）. [2]石根华.岩体稳定分析的几何方法[J].中国科学，1981（04）. [3]石根华.岩体稳定分析的赤平投影方法[J].中国科学，1977（03）. |
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