共和隧道特殊围岩段初期支护大变形处理技术 司贤超 ( 中国中铁隧道股份有限公司, 郑州 4 5 0 0 0 3 ) 摘要:结合共和隧道工程施工实例, 介绍在高地应力和顺层偏压等综合作用下, 围岩初期支护大变形特点, 分析这种特殊地质病害 的原因, 并通过各种施工方案的对比, 提出合理的处理措施及后续施工对策.同时, 简要阐述初期支护大变形段的处理技术措施, 为今后同类型地质病害的隧道制定施工方案提供一定的借鉴. 关键词:隧道;高地应力;初期支护大变形;处理技术 中图分类号:U4 5 5 . 7 文献标志码:B 文章编号: 1 6 7 2- 7 4 1 X ( 2 0 1 0 ) 增刊 1- 0 4 0 0- 0 6 T r e a t me n t o f H u g eD e f o r ma t i o no f P r i ma r yR e i n f o r c e me n t S t r u c t u r eo f G o n g h eT u n n e l i nS p e c i a l G r o u n d S I X i a n c h a o ( C h i n aR a i l w a yT u n n e l S t o c kC o . ,L t d . ,Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 0 ) A b s t r a c t :D u et ot h ea c t i o no f h i g hg r o u n ds t r e s s ,b e d d i n gs t r a t aa n du n s y m m e t r i c a l l o a d i n g ,h u g ed e f o r m a t i o no c c u r s t ot h ep r i m a r yr e i n f o r c e m e n ts t r u c t u r eo fG o n g h et u n n e ld u r i n gc o n s t r u c t i o n .T h ef e a t u r e so ft h ed e f o r m a t i o na r e p r e s e n t e d ,t h ec a u s e s f o r s u c hg e o l o g i c a l d i s e a s e s a r ea n a l y z e d ,d i f f e r e n t c o n s t r u c t i o no p t i o n s a r ec o m p a r e da n dp r o p e r c o n s t r u c t i o nc o u n t e r m e a s u r e s a r e p r o p o s e d . T h e t r e a t m e n t o f t h e h u g e d e f o r m a t i o ni s d e s c r i b e d . T h e p a p e r c a nb e s e r v e d a s r e f e r e n c ef o r t h ed e t e r m i n a t i o no f c o n s t r u c t i o ns c h e m e s f o r t u n n e l s i ns i m i l a r g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s i nt h ef u t u r e . K e yw o r d s :t u n n e l ;h i g hg r o u n ds t r e s s ;p r i m a r yr e i n f o r c e m e n t ;h u g ed e f o r m a t i o n ;t r e a t m e n t t e c h n o l o g y 0 引言 共和隧道为山岭公路隧道, 最大埋深 10 5 0m , 围 岩岩性主要为砂质页岩, 存在顺层偏压和高地应力现 象.在施工过程中出现围岩初期支护开裂、 变形, 对工 程施工的安全、 质量造成不利影响.然而前人提出的 " 先柔后刚、 先放后抗" 的处理原则已不适合这种特殊 的地质病害.对此, 必须对特殊病害的处理方案及方 法措施进行探索, 从工程实践中总结经验, 为类似地质 病害的处理提供参考. 1 工程概况 共和隧道位于重庆市彭水县与武隆县交界地段; 是长沙—重庆高速公路主干线上 1座双洞分修特长公 路隧道, 进口端紧临共和乌江特大桥, 出口与大堰沟大 桥相接.右线隧道起讫桩号为: K 3 9+9 6 5~K 4 4+ 7 4 4 , 全长 47 7 9m ; 左线隧道起讫桩号为: Z K 3 9+ 9 8 3 ~ Z K 4 4+ 7 2 8 , 全长 47 4 5m . 1 . 1 地质情况 隧道穿越地层为志留系罗惹坪组粉砂质页岩、 页岩、 夹少量粉砂岩, 呈深灰、 灰黑、 灰色, 层理发育, 薄— 中厚层状, 粉砂状泥质结构.页岩裂隙面一般平直、 光滑, 多呈闭合状, 无充填或钙质薄膜充填, 岩芯失水后 易起裂纹.岩石天然抗压强度 2 5~ 4 0M P a , 具有一定 脆性.隧道属乌江侵蚀河谷发育的中低山峡谷地区, 相对高差近 12 0 0m , 最大埋深 10 5 0m , 其走向与区域 构造线基本一致. 隧道区域地层比较简单, 以单斜产生, 无其他大型 地质构造, 岩层产状为: 3 0 0~ 3 2 5 ° ∠2 0~ 4 0 ° , 层、 节理 发育.地下水主要赋存于基岩裂隙中, 岩层浅部风化 层中层裂隙发育, 多呈张开状, 地下水的富水性和径流 条件较好, 深部裂隙少而密闭, 地下水相对贫乏, 隧道 最大涌水量约 58 0 0m 3 / d .隧道工程地质纵断面如图 1所示. 收稿日期: 2 0 1 0- 0 3- 2 6 ; 修回日期: 2 0 1 0- 0 4- 1 9 作者简介:司贤超( 1 9 8 0 —) , 男, 河南夏邑人, 2 0 0 4年毕业于山东科技大学交通工程专业, 本科, 助理工程师, 现从事隧道及路桥施工工作. 第30卷 增刊 1 2 0 1 0年 8月 隧道建设 T u n n e l C o n s t r u c t i o n V o l . 3 0 S u p . 1 A u g . 2 0 1 0 1 . 2 工程地质特点 1 ) 共和隧道通过的岩性主要为砂质页岩, 其强度 介于硬质岩与软质岩之间; 岩层走向与路线走向交角 小, 隧道靠山侧边墙为顺层. 2 ) 埋深较大,且部分埋深急剧增大,最大埋深 约10 0 0m . 3 ) 深孔岩芯表明, 围岩层理发育, 发育 1~ 2组裂 面, 裂面光滑、 平直、 密闭, 与隧道开挖揭示的微节理发 育一致. 4 ) 共和隧道深孔( 孔深 6 6 2 . 2m ) 地应力测试, 最大 水平主应力为 1 6M P a , 方向为 N 6 7 ° W, 与隧道轴线交角 约62°,且与岩层倾向基本一致, 对隧道围岩较为不利. 图1共和隧道工程地质纵断面图 F i g . 1 G e o l o g i c a l p r o f i l eo f G o n g h et u n n e l 2 隧道变形段原支护参数及初期支护变形情况 2 . 1 原支护参数 如表 1所示. 表1共和隧道原支护参数表 T a b l e 1O r i g i n a l r e i n f o r c e m e n t p a r a m e t e r s o f G o n g h et u n n e l 1 0 4 增刊 1 司贤超 : 共和隧道特殊围岩段初期支护大变形处理技术 2 . 2 初期支护变形情况简介 共和隧道 C 1 6 合同段自 2 0 0 5 年10月开工以来, 施 工进展较顺利, 进度较快, 但施工至 2 0 0 6年 5月 2 1日, 左线 Z K 4 0 + 8 3 0 ( 埋深约 3 2 8m ) 、 右线 K 4 0+ 9 0 0( 埋深 约347m ) 开始, 局部段落拱部在初期支护完成后, 拱架 表面喷混凝土在 7 ~ 1 0d内出现裂纹, 并随着时间的推 移逐渐演变为裂缝, 甚至局部出现喷混凝土脱落掉块、 拱架扭曲变形现象.针对此情况, 业主方多次邀请相关 专家对现场实地仔细踏勘, 并先后确定 8种支护参数的 对比试验段, 支护强度逐步加强.各试验段施工自 5月23开始, 截至 1 0 月24日, 历时 5 个月, 但是前 7种支护 类型试验段的初期支护喷混凝土开裂、 拱架变形等病害 仍然存在.第 8种支护参数实施后虽然局部仍存在小 面积的开裂现象, 但已有效阻止了拱架变形, 降低了围 岩的收敛速率; 基本适应共和隧道的特殊地质情况. 3 大变形原因分析 1 ) 随着隧道埋深的加大, 其高地应力的作用越来 越明显, 周边形成的二次应力场使岩体发生局部破坏, 导致支护开裂、 变形和掉块现象日趋严重. 2 ) 由于岩层走向与倾角较小, 且岩体中的最大主 应力方向与岩层的倾向基本一致, 对围岩有不利影响, 加之层理发育, 形成顺层偏压.隧道开挖后在靠江侧 起拱线部位形成应力集中, 造成岩体局部破坏; 靠山侧 边墙部位顺层坍滑, 拱顶沿层面跨塌. 3 ) 岩体微裂隙发育, 为岩体的破坏创造了必要的 边界条件, 使上述 2种作用的效果更加明显, 初期支护 变形的程度也更加严重. 4 ) 围岩压力的复杂性和地应力的多变性使得初 期支护围岩承受压力增加幅度过快, 实验段制定的支 护措施很快就不能适应地应力的增长, 导致支护体系 不断遭到破坏, 不得不逐步加强支护刚度. 5 ) 从监测资料反映, 锚杆轴力普遍偏小, 且受力 不均, 而钢架应力偏大, 说明锚杆发挥的作用较小, 使 得围岩压力基本由钢架承担, 在钢架达到极限强度时, 引起喷混凝土开裂、 钢架变形. 综合上述分析, 隧道初期支护开裂变形是由于高 地应力、 顺层偏压、 岩体微裂隙发育等多种因素组合所 形成的岩体在隧道开挖后的二次应力释放作用下发生 的二次破坏, 是一种特殊的地质病害. 4 支护类型对比试验 4 . 1 8种试验段和最终支护类型 如表 2所示. 表2共和隧道最终支护参数表 T a b l e 2F i n a l r e i n f o r c e m e n t p a r a m e t e r s o f G o n g h et u n n e l 4 . 2 试验效果 1 ) Ⅲ( C ) 和Ⅲ( D ) 试验段: 施工过程中发现喷混 凝土表面仍存在开裂的现象, 具体表现在: 初期支护完 成后在拱部, 距离掌子面 1 5~ 2 0m左右位置开始, 喷 混凝土表面先出现裂纹, 继而成为裂缝, 最后发展为崩 裂, 同时拱架在开裂位置出现变形扭曲.该现象表明 支护参数偏弱, 抑制不住应力释放.开裂变形情况如 附图 2 , 3所示. 2 0 4 隧道建设 第30卷 图2左线 Z K 4 0+ 0 0 3拱肩位置开裂变形 F i g .2 P i c t u r e o f c r a c k s o f p r i m a r y r e i n f o r c e m e n t s t r u c t u r e a t a r c h s h o u l d e r a t Z K 4 0+ 0 0 3o f l e f t t u b e 图3右线 K 4 0+ 1 1 0拱肩位置开裂 F i g .3 P i c t u r e o f c r a c k s o f p r i m a r y r e i n f o r c e m e n t s t r u c t u r e a t a r c h s h o u l d e r a t K 4 0+ 1 1 0o f r i g h t t u b e 2 ) Ⅲ( D 1 ) 、 Ⅲ( E ) 及Ⅲ( E ) 过渡试验段: Ⅲ ( D 1 型) 试验段起止时间 6月16日—6月27日; 6月23日 发现 K 4 1+ 2 0 5~+ 2 1 2段拱顶及拱肩出现喷混凝土 开裂现象.Ⅲ ( E型) 试验段起止时间 6月28日—7 月 4日.7月 4日发现 K 4 1+ 2 3 5~+ 2 5 3段拱顶及拱 肩出现喷混凝土开裂现象.7月 6日发现 K 4 1+ 2 6 0~ + 2 6 5段拱顶及拱肩出现喷混凝土开裂现象.同时监 测资料显示围岩收敛速率依然很大, 存在安全隐患. 开裂变形情况如图 4 , 5所示. 图4左洞 Z K 4 1+ 1 8 5拱肩位置开裂 F i g .4 P i c t u r e o f c r a c k s o f p r i m a r y r e i n f o r c e m e n t s t r u c t u r e a t a r c h s h o u l d e r a t Z K 4 1+ 1 8 5o f l e f t t u b e 图5右洞 K 4 1+ 2 5 5拱顶位置开裂 F i g .5 P i c t u r eo fc r a c k so fp r i m a r yr e i n f o r c e m e n ts t r u c t u r ea t c r o w na t K 4 1+ 2 5 5o f r i g h t t u b e 7月 6日工地会议决定 K 4 1+ 2 7 5~+ 2 9 5段按照 0 . 6m/ 榀间距施作格栅钢架初期支护, 即Ⅲ( E ) 过渡 试验段支护类型, 前期没有发现开裂、 变形, 但随着掌 子面的不断推进, 此段同样出现不同程度的开裂变形. 3 ) Ⅲ( F )和Ⅲ( G ) 试验段: 施工时间为 2 0 0 6年7月11日—7月20日, 左线 Z K 4 1+ 2 2 0~+ 2 5 0段按照 Ⅲ ( G ) 支护类型进行试验段施工; 右线 K 4 1+ 2 9 8~+ 3 2 8按照Ⅲ ( F ) 支护类型进行试验段施工.试验段在 施工 1个月内, 局部初喷混凝土表面出现环向细裂纹 和崩壳剥落现象; 混凝土纵向开裂及拱架变形得到一 定控制.但由于隧道埋深的不断加深, 发现初期支护 完成后 7d 左右喷混凝土表面开始出现开裂.随着时 间的推移, 局部出现更为严重的拱架变形情况.为确 保安全, 采取了加立工字钢护拱后复喷混凝土等补强 措施, 但护拱也先后发生剪切变形扭曲现象.变形情 况如图 6 , 7所示: 图6初期支护后 7~ 1 0d 的开裂情况 F i g . 6 P i c t u r eo f c r a c k s o f p r i m a r yr e i n f o r c e m e n t s t r u c t u r e 7~ 1 0 d a y s a f t e r i n s t a l l a t i o n 4 ) Ⅲ( H ) 试验段: 采用Ⅲ( H ) 支护类型施工后, 除 了局部出现小面积的裂纹外, 未出现较大的开裂变形 等异常情况.此支护措施较好地抑制了围岩变形, 能 适应共和隧道的特殊地质情况.根据后续施工情况及 3 0 4 增刊 1 司贤超 : 共和隧道特殊围岩段初期支护大变形处理技术 围岩地质特点, 对Ⅲ( H ) 支护类型进行优化调整, 最终 确定采用Ⅲ( H 1 ) 支护类型完成后续工程施工. 图7加临时护拱后变形情况 F i g . 7 P i c t u r eo f d e f o r m a t i o no f p r i m a r yr e i n f o r c e m e n t s t r u c t u r ea f t e rt e m p o r a r yp r o t e c t i o na r c h e sa r e i n s t a l l e d 4 . 3 结果分析 结合 8种支护类型和其试验效果可以看出, 前7种支护类型都是采用" 先放后抗" 的支护体系.这也 是对高地应力隧道的一般处理原则, 其原理是开挖 后采用柔性支护, 并留出足够的时间以释放围岩形 变应力.随着时间推移, 地应力的逐步释放, 围岩应 力重新达到新的平衡, 支护所受围岩压力逐渐变小; 待围岩应力趋于稳定, 初期支护与围岩组成新的支 撑体系, 维持围岩应力的平衡.但是, 经过 8种支护 参数试验段施工后, 由试验效果可以看出先柔后刚 的支护体系并不适合共和隧道的施工.而Ⅲ( H ) 支 护类型是以抗为主, 通过提高足够的支护体系强度, 以抵抗围岩应力, 降低围岩收敛速率, 抑制了初期支 护的开裂变形. 4 . 4 试验结论 实践表明共和隧道的地质病害很特殊, 其支护原 则应以抗为主, 加大预留变形量, 增长系统锚杆, 减少 二次应力扰动.由此可见, 由以抗为主、 支护刚度一次 到位的强支护体系能有效抑制这种地质病害的发展. 5 大变形段处理方案及技术措施 5 . 1 处理方案 1 ) 对已经发生的初期支护开裂和拱架变形地段, 采用架设临时护拱、 注浆加固及凿槽换拱的措施进行 处理. 首先对破坏严重地段架设临时护拱.护拱采用 1 8 # 工字钢, 按照原拱架形式加工, 在原拱架的每 2榀 中间架设, 加强临时支护, 阻止围岩继续变形. 接着对该段拱墙进行注浆加固, 采用 3m长的 4 2注浆小导管, 按照 1m* 1 . 2m ( 纵*环) 的间距布 置.注浆后使破碎围岩粘结成整体, 增强围岩的自承 能力, 提高其稳定性. 待围岩稳定达到规范要求后, 对原变形拱架进行 凿除更换, 并复喷混凝土. 最后拆除临时护拱, 并复喷找平, 以便施作防水层 及二次衬砌. 2 ) 对后继开挖且存在顺层偏压和围岩二次变形 地段, 按照" 加固围岩、 改善洞形、 刚性支护、 以抗为 主" 的原则组织施工.初期支护钢拱架由 I 1 8工字钢 变更为 H W1 8型钢拱架, 同时加强锚杆支护, 采用 3 . 5 m和5m长短结合方式.采用全断面开挖, 及时施做 初期支护和拣铺底, 形成封闭受力环.施工中加强监 控测量, 根据监测成果指导施工. 5 . 2 主要施工方法和技术措施 5 . 2 . 1 架设临时护拱 护拱采用 1 8 # 工字钢, 按照原拱架形式减少 1 0c m 半径进行加工, 在原拱架的每 2榀中间紧贴初期支护 面架设安装, 拱脚底板要落在硬岩上, 不得垫洞渣; 并 在每侧拱肩和拱脚处分别安装 2根2m长的锁脚锚 杆, 稳固护拱.安装完成后在护拱及两侧 2 0c m范围 内喷射混凝土至 5~ 8c m厚. 5 . 2 . 2 注浆加固 对于喷混凝土开裂严重、 脱落掉块的地段在拱顶 1 5 0 ° 范围, 对于喷混凝土开裂相对较小地段在拱顶 7 5 ° 范围采用 4 2小导管注水泥浆固结初期支护背后 破碎围岩. 注浆参数如下:注浆管为 4 2 ( δ = 3 . 5m m ) 的无 缝钢管;注浆管长度 L= 3 . 5m ;注浆类型为单液浆; 水灰比为 1 ∶ 1~ 1 ∶ 1 . 5 ;注浆机为 K B Y 5 0 / 7 0型注浆 机;注浆压力为 0 . 1~ 0 . 2M P a ;注浆结束标准为单 控, 以注浆压力突变或孔口返浆( 无法继续注浆) 时结 束注浆. 小导管的加工制作: 导管的最前端加工成圆锥形 并予以封焊严实, 管身设若干溢浆孔, 孔径 1 0m m , 孔距10c m , 按梅花型布设, 后端 0 . 5m范围内不设溢浆 孔. 小导管的安装: 小导管尽可能沿隧道法线方向按 间距 0 . 8m* 1 . 0m ( 纵向 * 环向) 梅花型布置, 布设在 拱架两侧, 导管尾端外露长度为 1 0c m为宜.导管安 装好后对管尾周围加强封闭, 防止注浆时跑浆. 5 . 2 . 3 拱架拆换 待围岩稳定后, 即可进行对变形拱架的拆换工作. 其施工顺序为: 机械凿除变形拱架( 人工风镐配合) — 扩挖凹槽—开槽位置嵌入 H 1 7 5型钢拱架—复喷混凝 土—拆除护拱—复喷混凝土. 4 0 4 隧道建设 第30卷 1 ) 拱架拆除: 采用破碎机凿除变形拱架两侧喷射 混凝土, 拆除扭曲变形整榀拱架. 2 ) 扩挖凹槽: 由于围岩侵限, 拆除拱架后的凹槽 不满足隧道开挖轮廓要求, 须对凹槽进行扩挖, 直至满 足设计要求.凹槽宽度以 3 5~ 4 5c m为宜, 便于型钢 拱架嵌入. 3 ) 嵌拱及复喷: 将预先按设计要求加工好的型钢 拱架嵌入凹槽, 满足净空要求, 然后安装锁脚锚杆固定 拱架.最后复喷混凝土至设计厚度. 4 ) 待扭曲变形拱架全部拆换后, 再逐步拆除临时 护拱, 并复喷平整. 6 处理效果 共和隧道初期支护开裂变形段经过了护拱、 注浆 和换拱三大技术措施处理后, 围岩收敛和初期支护开 裂变形得到有效控制, 满足了后续防水和二次衬砌的 施工, 使工程的正常施工得以恢复, 保证了工程的施工 质量和工期. 7 结束语 1 ) 共和隧道的地质病害有其特殊性, 不适合一般 的处理原则, 通过采用不同的支护参数进行探索, 通过 对比来寻找更合适的应对措施.但这并不代表已经找 到最佳的处理措施, 对此特殊的地质病害也许存在更 好的对策需要大家去摸索. 2 ) 针对共和隧道大变形段的处理采用了" 三步" 措施, 为以后类似地层的地质病害处理提供一些施工 经验. 参考文献: [ 1 ] 彭立敏, 刘小兵. 隧道工程[ M] . 长沙: 中南大学出版社, 2 0 0 9 . [ 2 ] 公路工程施工工艺标准·隧道[ S ] . 北京: 北京人民交通 出版社, 2 0 0 8 . [ 3 ] 李国豪. 隧道与地下工程[ M] ∥中国土木建筑百科辞典. 北京: 北京建筑工业出版社, 2 0 0 8 [ 4 ] J T G F6 0 —2 0 0 9公路隧道施工技术规范[ S ] . 北京: 北京 人民交通出版社, 2 0 0 9 [ 5 ] 朱汉华, 孙红月, 杨建辉. 公路隧道围岩稳定与支护技术 [ M] . 北京: 北京科学出版社, 2 0 0 7 [ 6 ] 刘佑荣, 唐辉明. 岩体力学[ M] . 北京: 北京化学工业出版 社, 2 0 1 0 [ 7 ] 念培红. 共和隧道Ⅲ级特殊围岩施工设计[ J ] . 铁道标准 设计, 2 0 0 8 ( 1 0 ) : 8 1- 8 7 . [ 8 ] 谷柏森. 特殊地质条件下隧道围岩大变形的应对策略— 共和隧道特殊围岩结构设计方案铁道标准设计[ J ] . 2 0 0 7 ( 1 1 ) : 7 7- 8 0 [ 9 ] 高立民. 论隧道偏压段的稳定控制[ J ] . 现代商贸工业, 2 0 0 8 ( 8 ) : 3 7 4- 3 7 5 . 5 0 4 增刊 1 司贤超 : 共和隧道特殊围岩段初期支护大变形处理技术
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共和隧道特殊围岩段初期支护大变形处理技术 司贤超 ( 中国中铁隧道股份有限公司, 郑州 4 5 0 0 0 3 ) 摘要:结合共和隧道工程施工实例, 介绍在高地应力和顺层偏压等综合作用下, 围岩初期支护大变形特点, 分析这种特殊地质病害 的原因, 并通过各种施工方案的对比, 提出合理的处理措施及后续施工对策.同时, 简要阐述初期支护大变形段的处理技术措施, 为今后同类型地质病害的隧道制定施工方案提供一定的借鉴. 关键词:隧道;高地应力;初期支护大变形;处理技术 中图分类号:U4 5 5 . 7 文献标志码:B 文章编号: 1 6 7 2- 7 4 1 X ( 2 0 1 0 ) 增刊 1- 0 4 0 0- 0 6 T r e a t me n t o f H u g eD e f o r ma t i o no f P r i ma r yR e i n f o r c e me n t S t r u c t u r eo f G o n g h eT u n n e l i nS p e c i a l G r o u n d S I X i a n c h a o ( C h i n aR a i l w a yT u n n e l S t o c kC o . ,L t d . ,Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 0 ) A b s t r a c t :D u et ot h ea c t i o no f h i g hg r o u n ds t r e s s ,b e d d i n gs t r a t aa n du n s y m m e t r i c a l l o a d i n g ,h u g ed e f o r m a t i o no c c u r s t ot h ep r i m a r yr e i n f o r c e m e n ts t r u c t u r eo fG o n g h et u n n e ld u r i n gc o n s t r u c t i o n .T h ef e a t u r e so ft h ed e f o r m a t i o na r e p r e s e n t e d ,t h ec a u s e s f o r s u c hg e o l o g i c a l d i s e a s e s a r ea n a l y z e d ,d i f f e r e n t c o n s t r u c t i o no p t i o n s a r ec o m p a r e da n dp r o p e r c o n s t r u c t i o nc o u n t e r m e a s u r e s a r e p r o p o s e d . T h e t r e a t m e n t o f t h e h u g e d e f o r m a t i o ni s d e s c r i b e d . T h e p a p e r c a nb e s e r v e d a s r e f e r e n c ef o r t h ed e t e r m i n a t i o no f c o n s t r u c t i o ns c h e m e s f o r t u n n e l s i ns i m i l a r g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s i nt h ef u t u r e . K e yw o r d s :t u n n e l ;h i g hg r o u n ds t r e s s ;p r i m a r yr e i n f o r c e m e n t ;h u g ed e f o r m a t i o n ;t r e a t m e n t t e c h n o l o g y 0 引言 共和隧道为山岭公路隧道, 最大埋深 10 5 0m , 围 岩岩性主要为砂质页岩, 存在顺层偏压和高地应力现 象.在施工过程中出现围岩初期支护开裂、 变形, 对工 程施工的安全、 质量造成不利影响.然而前人提出的 " 先柔后刚、 先放后抗" 的处理原则已不适合这种特殊 的地质病害.对此, 必须对特殊病害的处理方案及方 法措施进行探索, 从工程实践中总结经验, 为类似地质 病害的处理提供参考. 1 工程概况 共和隧道位于重庆市彭水县与武隆县交界地段; 是长沙—重庆高速公路主干线上 1座双洞分修特长公 路隧道, 进口端紧临共和乌江特大桥, 出口与大堰沟大 桥相接.右线隧道起讫桩号为: K 3 9+9 6 5~K 4 4+ 7 4 4 , 全长 47 7 9m ; 左线隧道起讫桩号为: Z K 3 9+ 9 8 3 ~ Z K 4 4+ 7 2 8 , 全长 47 4 5m . 1 . 1 地质情况 隧道穿越地层为志留系罗惹坪组粉砂质页岩、 页岩、 夹少量粉砂岩, 呈深灰、 灰黑、 灰色, 层理发育, 薄— 中厚层状, 粉砂状泥质结构.页岩裂隙面一般平直、 光滑, 多呈闭合状, 无充填或钙质薄膜充填, 岩芯失水后 易起裂纹.岩石天然抗压强度 2 5~ 4 0M P a , 具有一定 脆性.隧道属乌江侵蚀河谷发育的中低山峡谷地区, 相对高差近 12 0 0m , 最大埋深 10 5 0m , 其走向与区域 构造线基本一致. 隧道区域地层比较简单, 以单斜产生, 无其他大型 地质构造, 岩层产状为: 3 0 0~ 3 2 5 ° ∠2 0~ 4 0 ° , 层、 节理 发育.地下水主要赋存于基岩裂隙中, 岩层浅部风化 层中层裂隙发育, 多呈张开状, 地下水的富水性和径流 条件较好, 深部裂隙少而密闭, 地下水相对贫乏, 隧道 最大涌水量约 58 0 0m 3 / d .隧道工程地质纵断面如图 1所示. 收稿日期: 2 0 1 0- 0 3- 2 6 ; 修回日期: 2 0 1 0- 0 4- 1 9 作者简介:司贤超( 1 9 8 0 —) , 男, 河南夏邑人, 2 0 0 4年毕业于山东科技大学交通工程专业, 本科, 助理工程师, 现从事隧道及路桥施工工作. 第30卷 增刊 1 2 0 1 0年 8月 隧道建设 T u n n e l C o n s t r u c t i o n V o l . 3 0 S u p . 1 A u g . 2 0 1 0 1 . 2 工程地质特点 1 ) 共和隧道通过的岩性主要为砂质页岩, 其强度 介于硬质岩与软质岩之间; 岩层走向与路线走向交角 小, 隧道靠山侧边墙为顺层. 2 ) 埋深较大,且部分埋深急剧增大,最大埋深 约10 0 0m . 3 ) 深孔岩芯表明, 围岩层理发育, 发育 1~ 2组裂 面, 裂面光滑、 平直、 密闭, 与隧道开挖揭示的微节理发 育一致. 4 ) 共和隧道深孔( 孔深 6 6 2 . 2m ) 地应力测试, 最大 水平主应力为 1 6M P a , 方向为 N 6 7 ° W, 与隧道轴线交角 约62°,且与岩层倾向基本一致, 对隧道围岩较为不利. 图1共和隧道工程地质纵断面图 F i g . 1 G e o l o g i c a l p r o f i l eo f G o n g h et u n n e l 2 隧道变形段原支护参数及初期支护变形情况 2 . 1 原支护参数 如表 1所示. 表1共和隧道原支护参数表 T a b l e 1O r i g i n a l r e i n f o r c e m e n t p a r a m e t e r s o f G o n g h et u n n e l 1 0 4 增刊 1 司贤超 : 共和隧道特殊围岩段初期支护大变形处理技术 2 . 2 初期支护变形情况简介 共和隧道 C 1 6 合同段自 2 0 0 5 年10月开工以来, 施 工进展较顺利, 进度较快, 但施工至 2 0 0 6年 5月 2 1日, 左线 Z K 4 0 + 8 3 0 ( 埋深约 3 2 8m ) 、 右线 K 4 0+ 9 0 0( 埋深 约347m ) 开始, 局部段落拱部在初期支护完成后, 拱架 表面喷混凝土在 7 ~ 1 0d内出现裂纹, 并随着时间的推 移逐渐演变为裂缝, 甚至局部出现喷混凝土脱落掉块、 拱架扭曲变形现象.针对此情况, 业主方多次邀请相关 专家对现场实地仔细踏勘, 并先后确定 8种支护参数的 对比试验段, 支护强度逐步加强.各试验段施工自 5月23开始, 截至 1 0 月24日, 历时 5 个月, 但是前 7种支护 类型试验段的初期支护喷混凝土开裂、 拱架变形等病害 仍然存在.第 8种支护参数实施后虽然局部仍存在小 面积的开裂现象, 但已有效阻止了拱架变形, 降低了围 岩的收敛速率; 基本适应共和隧道的特殊地质情况. 3 大变形原因分析 1 ) 随着隧道埋深的加大, 其高地应力的作用越来 越明显, 周边形成的二次应力场使岩体发生局部破坏, 导致支护开裂、 变形和掉块现象日趋严重. 2 ) 由于岩层走向与倾角较小, 且岩体中的最大主 应力方向与岩层的倾向基本一致, 对围岩有不利影响, 加之层理发育, 形成顺层偏压.隧道开挖后在靠江侧 起拱线部位形成应力集中, 造成岩体局部破坏; 靠山侧 边墙部位顺层坍滑, 拱顶沿层面跨塌. 3 ) 岩体微裂隙发育, 为岩体的破坏创造了必要的 边界条件, 使上述 2种作用的效果更加明显, 初期支护 变形的程度也更加严重. 4 ) 围岩压力的复杂性和地应力的多变性使得初 期支护围岩承受压力增加幅度过快, 实验段制定的支 护措施很快就不能适应地应力的增长, 导致支护体系 不断遭到破坏, 不得不逐步加强支护刚度. 5 ) 从监测资料反映, 锚杆轴力普遍偏小, 且受力 不均, 而钢架应力偏大, 说明锚杆发挥的作用较小, 使 得围岩压力基本由钢架承担, 在钢架达到极限强度时, 引起喷混凝土开裂、 钢架变形. 综合上述分析, 隧道初期支护开裂变形是由于高 地应力、 顺层偏压、 岩体微裂隙发育等多种因素组合所 形成的岩体在隧道开挖后的二次应力释放作用下发生 的二次破坏, 是一种特殊的地质病害. 4 支护类型对比试验 4 . 1 8种试验段和最终支护类型 如表 2所示. 表2共和隧道最终支护参数表 T a b l e 2F i n a l r e i n f o r c e m e n t p a r a m e t e r s o f G o n g h et u n n e l 4 . 2 试验效果 1 ) Ⅲ( C ) 和Ⅲ( D ) 试验段: 施工过程中发现喷混 凝土表面仍存在开裂的现象, 具体表现在: 初期支护完 成后在拱部, 距离掌子面 1 5~ 2 0m左右位置开始, 喷 混凝土表面先出现裂纹, 继而成为裂缝, 最后发展为崩 裂, 同时拱架在开裂位置出现变形扭曲.该现象表明 支护参数偏弱, 抑制不住应力释放.开裂变形情况如 附图 2 , 3所示. 2 0 4 隧道建设 第30卷 图2左线 Z K 4 0+ 0 0 3拱肩位置开裂变形 F i g .2 P i c t u r e o f c r a c k s o f p r i m a r y r e i n f o r c e m e n t s t r u c t u r e a t a r c h s h o u l d e r a t Z K 4 0+ 0 0 3o f l e f t t u b e 图3右线 K 4 0+ 1 1 0拱肩位置开裂 F i g .3 P i c t u r e o f c r a c k s o f p r i m a r y r e i n f o r c e m e n t s t r u c t u r e a t a r c h s h o u l d e r a t K 4 0+ 1 1 0o f r i g h t t u b e 2 ) Ⅲ( D 1 ) 、 Ⅲ( E ) 及Ⅲ( E ) 过渡试验段: Ⅲ ( D 1 型) 试验段起止时间 6月16日—6月27日; 6月23日 发现 K 4 1+ 2 0 5~+ 2 1 2段拱顶及拱肩出现喷混凝土 开裂现象.Ⅲ ( E型) 试验段起止时间 6月28日—7 月 4日.7月 4日发现 K 4 1+ 2 3 5~+ 2 5 3段拱顶及拱 肩出现喷混凝土开裂现象.7月 6日发现 K 4 1+ 2 6 0~ + 2 6 5段拱顶及拱肩出现喷混凝土开裂现象.同时监 测资料显示围岩收敛速率依然很大, 存在安全隐患. 开裂变形情况如图 4 , 5所示. 图4左洞 Z K 4 1+ 1 8 5拱肩位置开裂 F i g .4 P i c t u r e o f c r a c k s o f p r i m a r y r e i n f o r c e m e n t s t r u c t u r e a t a r c h s h o u l d e r a t Z K 4 1+ 1 8 5o f l e f t t u b e 图5右洞 K 4 1+ 2 5 5拱顶位置开裂 F i g .5 P i c t u r eo fc r a c k so fp r i m a r yr e i n f o r c e m e n ts t r u c t u r ea t c r o w na t K 4 1+ 2 5 5o f r i g h t t u b e 7月 6日工地会议决定 K 4 1+ 2 7 5~+ 2 9 5段按照 0 . 6m/ 榀间距施作格栅钢架初期支护, 即Ⅲ( E ) 过渡 试验段支护类型, 前期没有发现开裂、 变形, 但随着掌 子面的不断推进, 此段同样出现不同程度的开裂变形. 3 ) Ⅲ( F )和Ⅲ( G ) 试验段: 施工时间为 2 0 0 6年7月11日—7月20日, 左线 Z K 4 1+ 2 2 0~+ 2 5 0段按照 Ⅲ ( G ) 支护类型进行试验段施工; 右线 K 4 1+ 2 9 8~+ 3 2 8按照Ⅲ ( F ) 支护类型进行试验段施工.试验段在 施工 1个月内, 局部初喷混凝土表面出现环向细裂纹 和崩壳剥落现象; 混凝土纵向开裂及拱架变形得到一 定控制.但由于隧道埋深的不断加深, 发现初期支护 完成后 7d 左右喷混凝土表面开始出现开裂.随着时 间的推移, 局部出现更为严重的拱架变形情况.为确 保安全, 采取了加立工字钢护拱后复喷混凝土等补强 措施, 但护拱也先后发生剪切变形扭曲现象.变形情 况如图 6 , 7所示: 图6初期支护后 7~ 1 0d 的开裂情况 F i g . 6 P i c t u r eo f c r a c k s o f p r i m a r yr e i n f o r c e m e n t s t r u c t u r e 7~ 1 0 d a y s a f t e r i n s t a l l a t i o n 4 ) Ⅲ( H ) 试验段: 采用Ⅲ( H ) 支护类型施工后, 除 了局部出现小面积的裂纹外, 未出现较大的开裂变形 等异常情况.此支护措施较好地抑制了围岩变形, 能 适应共和隧道的特殊地质情况.根据后续施工情况及 3 0 4 增刊 1 司贤超 : 共和隧道特殊围岩段初期支护大变形处理技术 围岩地质特点, 对Ⅲ( H ) 支护类型进行优化调整, 最终 确定采用Ⅲ( H 1 ) 支护类型完成后续工程施工. 图7加临时护拱后变形情况 F i g . 7 P i c t u r eo f d e f o r m a t i o no f p r i m a r yr e i n f o r c e m e n t s t r u c t u r ea f t e rt e m p o r a r yp r o t e c t i o na r c h e sa r e i n s t a l l e d 4 . 3 结果分析 结合 8种支护类型和其试验效果可以看出, 前7种支护类型都是采用" 先放后抗" 的支护体系.这也 是对高地应力隧道的一般处理原则, 其原理是开挖 后采用柔性支护, 并留出足够的时间以释放围岩形 变应力.随着时间推移, 地应力的逐步释放, 围岩应 力重新达到新的平衡, 支护所受围岩压力逐渐变小; 待围岩应力趋于稳定, 初期支护与围岩组成新的支 撑体系, 维持围岩应力的平衡.但是, 经过 8种支护 参数试验段施工后, 由试验效果可以看出先柔后刚 的支护体系并不适合共和隧道的施工.而Ⅲ( H ) 支 护类型是以抗为主, 通过提高足够的支护体系强度, 以抵抗围岩应力, 降低围岩收敛速率, 抑制了初期支 护的开裂变形. 4 . 4 试验结论 实践表明共和隧道的地质病害很特殊, 其支护原 则应以抗为主, 加大预留变形量, 增长系统锚杆, 减少 二次应力扰动.由此可见, 由以抗为主、 支护刚度一次 到位的强支护体系能有效抑制这种地质病害的发展. 5 大变形段处理方案及技术措施 5 . 1 处理方案 1 ) 对已经发生的初期支护开裂和拱架变形地段, 采用架设临时护拱、 注浆加固及凿槽换拱的措施进行 处理. 首先对破坏严重地段架设临时护拱.护拱采用 1 8 # 工字钢, 按照原拱架形式加工, 在原拱架的每 2榀 中间架设, 加强临时支护, 阻止围岩继续变形. 接着对该段拱墙进行注浆加固, 采用 3m长的 4 2注浆小导管, 按照 1m* 1 . 2m ( 纵*环) 的间距布 置.注浆后使破碎围岩粘结成整体, 增强围岩的自承 能力, 提高其稳定性. 待围岩稳定达到规范要求后, 对原变形拱架进行 凿除更换, 并复喷混凝土. 最后拆除临时护拱, 并复喷找平, 以便施作防水层 及二次衬砌. 2 ) 对后继开挖且存在顺层偏压和围岩二次变形 地段, 按照" 加固围岩、 改善洞形、 刚性支护、 以抗为 主" 的原则组织施工.初期支护钢拱架由 I 1 8工字钢 变更为 H W1 8型钢拱架, 同时加强锚杆支护, 采用 3 . 5 m和5m长短结合方式.采用全断面开挖, 及时施做 初期支护和拣铺底, 形成封闭受力环.施工中加强监 控测量, 根据监测成果指导施工. 5 . 2 主要施工方法和技术措施 5 . 2 . 1 架设临时护拱 护拱采用 1 8 # 工字钢, 按照原拱架形式减少 1 0c m 半径进行加工, 在原拱架的每 2榀中间紧贴初期支护 面架设安装, 拱脚底板要落在硬岩上, 不得垫洞渣; 并 在每侧拱肩和拱脚处分别安装 2根2m长的锁脚锚 杆, 稳固护拱.安装完成后在护拱及两侧 2 0c m范围 内喷射混凝土至 5~ 8c m厚. 5 . 2 . 2 注浆加固 对于喷混凝土开裂严重、 脱落掉块的地段在拱顶 1 5 0 ° 范围, 对于喷混凝土开裂相对较小地段在拱顶 7 5 ° 范围采用 4 2小导管注水泥浆固结初期支护背后 破碎围岩. 注浆参数如下:注浆管为 4 2 ( δ = 3 . 5m m ) 的无 缝钢管;注浆管长度 L= 3 . 5m ;注浆类型为单液浆; 水灰比为 1 ∶ 1~ 1 ∶ 1 . 5 ;注浆机为 K B Y 5 0 / 7 0型注浆 机;注浆压力为 0 . 1~ 0 . 2M P a ;注浆结束标准为单 控, 以注浆压力突变或孔口返浆( 无法继续注浆) 时结 束注浆. 小导管的加工制作: 导管的最前端加工成圆锥形 并予以封焊严实, 管身设若干溢浆孔, 孔径 1 0m m , 孔距10c m , 按梅花型布设, 后端 0 . 5m范围内不设溢浆 孔. 小导管的安装: 小导管尽可能沿隧道法线方向按 间距 0 . 8m* 1 . 0m ( 纵向 * 环向) 梅花型布置, 布设在 拱架两侧, 导管尾端外露长度为 1 0c m为宜.导管安 装好后对管尾周围加强封闭, 防止注浆时跑浆. 5 . 2 . 3 拱架拆换 待围岩稳定后, 即可进行对变形拱架的拆换工作. 其施工顺序为: 机械凿除变形拱架( 人工风镐配合) — 扩挖凹槽—开槽位置嵌入 H 1 7 5型钢拱架—复喷混凝 土—拆除护拱—复喷混凝土. 4 0 4 隧道建设 第30卷 1 ) 拱架拆除: 采用破碎机凿除变形拱架两侧喷射 混凝土, 拆除扭曲变形整榀拱架. 2 ) 扩挖凹槽: 由于围岩侵限, 拆除拱架后的凹槽 不满足隧道开挖轮廓要求, 须对凹槽进行扩挖, 直至满 足设计要求.凹槽宽度以 3 5~ 4 5c m为宜, 便于型钢 拱架嵌入. 3 ) 嵌拱及复喷: 将预先按设计要求加工好的型钢 拱架嵌入凹槽, 满足净空要求, 然后安装锁脚锚杆固定 拱架.最后复喷混凝土至设计厚度. 4 ) 待扭曲变形拱架全部拆换后, 再逐步拆除临时 护拱, 并复喷平整. 6 处理效果 共和隧道初期支护开裂变形段经过了护拱、 注浆 和换拱三大技术措施处理后, 围岩收敛和初期支护开 裂变形得到有效控制, 满足了后续防水和二次衬砌的 施工, 使工程的正常施工得以恢复, 保证了工程的施工 质量和工期. 7 结束语 1 ) 共和隧道的地质病害有其特殊性, 不适合一般 的处理原则, 通过采用不同的支护参数进行探索, 通过 对比来寻找更合适的应对措施.但这并不代表已经找 到最佳的处理措施, 对此特殊的地质病害也许存在更 好的对策需要大家去摸索. 2 ) 针对共和隧道大变形段的处理采用了" 三步" 措施, 为以后类似地层的地质病害处理提供一些施工 经验. 参考文献: [ 1 ] 彭立敏, 刘小兵. 隧道工程[ M] . 长沙: 中南大学出版社, 2 0 0 9 . 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