司劍鈞
(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西西安 7 10043)
隨著我國(guó)鐵路網(wǎng)的完善和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的提高,隧道建設(shè)規(guī)模和技術(shù)水平也踏上了一個(gè)新的臺(tái)階,同時(shí)也面臨著復(fù)雜環(huán)境和不良地質(zhì)安全施工問題的挑戰(zhàn),其中軟弱圍巖隧道施工變形的問題對(duì)控制技術(shù)的要求在不斷提升。
蘭渝線蘭廣段處于青藏高原東北緣復(fù)雜特殊的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境,尤其是強(qiáng)烈的擠壓構(gòu)造作用。地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜,地應(yīng)力狀態(tài)屬高-極高。受多期強(qiáng)烈變形和極低級(jí)變質(zhì)作用改造以及構(gòu)造、斷層、高地應(yīng)力及地下水等多種因素的影響,形成軟巖大變形、硬巖脆性塊狀坍塌和流砂等,在國(guó)內(nèi)外是罕見的,是特殊環(huán)境的特殊地質(zhì)問題,是一條國(guó)內(nèi)外在建、已建地質(zhì)條件最復(fù)雜的高標(biāo)準(zhǔn)山區(qū)鐵路。
蘭渝線二疊系板巖及炭質(zhì)板巖、三疊系板巖、志留系千枚巖等段落總長(zhǎng)約83 km,巖性軟弱、強(qiáng)度應(yīng)力比小,屬高-極高的地應(yīng)力環(huán)境,被專家譽(yù)為“特類圍巖”,圍巖穩(wěn)定性差、變形大、變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),施工中多座隧道發(fā)生了擠壓性大變形問題,出現(xiàn)初期支護(hù)噴混凝土開裂、掉塊,鋼架扭曲、斷裂,初期支護(hù)失穩(wěn)及侵限破壞等現(xiàn)象,使施工安全和結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全面臨極大的挑戰(zhàn)。
文獻(xiàn)[1-4]以現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)為依托,結(jié)合理論計(jì)算,分別以圍巖的相對(duì)變形、強(qiáng)度應(yīng)力比、原始地應(yīng)力、彈性模量作為分級(jí)指標(biāo),采用綜合指標(biāo)判定法給出了大變形的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以及相應(yīng)的防治措施;文獻(xiàn)[5]在烏鞘嶺單線鐵路隧道通過F7斷層大變形地段,采取優(yōu)化隧道斷面形式、加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)等措施,控制了隧道變形;文獻(xiàn)[6-9]通過對(duì)隧道內(nèi)超前導(dǎo)洞法與三臺(tái)階法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),分析了施工方法在高地應(yīng)力軟巖地層的變形控制效果,總結(jié)了三臺(tái)階法施工各階段的圍巖變形規(guī)律;文獻(xiàn)[10-11]采用理論分析、地質(zhì)分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、模型計(jì)算等手段研究了雙層初期支護(hù)在大變形隧道中的應(yīng)用效果;文獻(xiàn)[12]采用超前大鉆孔對(duì)地層高地應(yīng)力進(jìn)行預(yù)釋放,以減小作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力,使支護(hù)系統(tǒng)受力處于安全范圍內(nèi),以達(dá)到控制變形的目的。
本文針對(duì)兩水隧道穿越炭質(zhì)軟巖,在施工中多次出現(xiàn)擠壓大變形,造成初期支護(hù)開裂、剝落、鋼架扭曲、折斷、初期支護(hù)侵限拆換,特別因二次襯砌施作前初期支護(hù)未穩(wěn)定,而引起襯砌開裂、鋼筋彎曲等嚴(yán)重問題,分別開展雙層支護(hù)和雙層襯砌的試驗(yàn)研究,為兩水隧道支護(hù)和襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供實(shí)踐依據(jù)。
蘭渝鐵路兩水隧道位于甘肅省隴南市,隧道穿越剝蝕中低山地貌,絕對(duì)高程為170~700 m,隧道最大埋深為346.00 m。設(shè)計(jì)為單洞雙線隧道,全長(zhǎng)4 945.346 m,隧道洞身通過的地層主要有志留系中、上統(tǒng)千枚巖夾板巖、炭質(zhì)千枚巖夾板巖及灰?guī)r等,炭質(zhì)千枚巖地層長(zhǎng)約3 662 m,占隧道全長(zhǎng)的74%。隧道范圍內(nèi)未見區(qū)域性大斷裂通過,但巖體受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響,揉皺、褶皺發(fā)育,軟弱巖體被切割成塊狀、碎塊狀,巖體破碎,完整性極差。
隧道以水平地應(yīng)力為主,且地應(yīng)力的分布呈不均勻性,圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比為0.07,屬于極高地應(yīng)力狀態(tài)。
2009年2月隧道開工,進(jìn)口及斜井工區(qū)實(shí)際揭示為炭質(zhì)千枚巖(如圖1所示),巖質(zhì)較軟,薄層狀,結(jié)構(gòu)面光滑,張開,層間結(jié)合差,受構(gòu)造影響很嚴(yán)重,巖體破碎-極破碎,揉皺發(fā)育,夾石英脈體,局部有股狀出水點(diǎn)。
圖1 炭質(zhì)千枚巖Fig.1 Carbon phyllite
施工過程中,初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形較大,噴射混凝土大量開裂、掉塊,部分鋼拱架扭曲、斷裂,支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn),初期支護(hù)結(jié)構(gòu)侵入襯砌凈空,拆換拱情況頻繁發(fā)生,局部地段二次襯砌開裂(如圖2—5所示)。
圖2 鋼架扭曲斷裂Fig.2 Distorted and fractured steel arch
圖3 初期支護(hù)開裂變形Fig.3 Cracked primary support
圖4 二次襯砌開裂掉塊Fig.4 Spalling of secondary lining
圖5 二次襯砌鋼筋扭曲Fig.5 Distorted steel bar of secondary lining
針對(duì)隧道施工中出現(xiàn)的問題,前期進(jìn)行了大量試驗(yàn),并召開了多次研討會(huì),經(jīng)過3年的摸索實(shí)踐,最終確定在兩水隧道 DK359+712~+742(30 m)及DK359+742~+772(30 m)分別設(shè)置了雙層初期支護(hù)及雙層襯砌試驗(yàn)段。
3.1.1 雙層初期支護(hù)試驗(yàn)段DK359+712~+742(30 m)
1)預(yù)留變形量70 cm(實(shí)際施工中放大了20 cm),初次預(yù)留變形量40 cm,二次預(yù)留變形量30 cm。
2)拱部120°范圍內(nèi)設(shè)φ42 mm小導(dǎo)管并注水泥漿,環(huán)向間距40 cm,長(zhǎng)3.5 m,搭接長(zhǎng)度不小于1 m。
3)拱墻設(shè)置φ42 mm小導(dǎo)管徑向注漿,長(zhǎng)4 m,間距1.5 m ×1.5 m。
4)第1層初期支護(hù):全環(huán)設(shè)H175型鋼鋼架,縱向間距0.5 m/榀,全環(huán)噴C25混凝土,厚度為30 cm。采用R32N自進(jìn)式錨桿鎖腳,每榀4處8根,長(zhǎng)6 m。每榀拱架兩側(cè)邊墻大跨范圍內(nèi)各增設(shè)3根R32N自進(jìn)式錨桿,對(duì)拱架進(jìn)行鎖固,長(zhǎng)9 m。
5)第2層初期支護(hù):拱墻噴C25混凝土,厚度為20 cm;拱墻設(shè)Ⅰ18型鋼鋼架,縱向間距為1.0 m/榀。
6)二次襯砌采用C35鋼筋混凝土,仰拱厚度為70 cm,拱墻厚度為60 cm。
3.1.2 雙層襯砌試驗(yàn)段DK359+742~+772(30 m)
1)預(yù)留變形量70 cm(實(shí)際施工中放大了20 cm)。
2)超前支護(hù):拱部120°設(shè)φ42 mm注漿小導(dǎo)管,長(zhǎng)3.5 m,環(huán)向間距40 cm,搭接長(zhǎng)度不小于1 m。
3)拱墻設(shè)置φ42 mm小導(dǎo)管徑向注漿,長(zhǎng)4 m,間距1.5 m ×1.5 m。
4)初期支護(hù):全環(huán)設(shè)H175型鋼鋼架,間距0.5 m,全環(huán)噴C25混凝土,厚度為30 cm。采用R32N自進(jìn)式錨桿鎖腳,每榀4處8根,長(zhǎng)6 m。每榀拱架兩側(cè)邊墻大跨范圍內(nèi)各增設(shè)3根R32N自進(jìn)式錨桿,對(duì)拱架進(jìn)行鎖固,長(zhǎng)9 m。
5)第1層襯砌采用C35鋼筋混凝土,厚50 cm。
6)第2層襯砌采用C35鋼筋混凝土,厚30 cm,仰拱與第1層二次襯砌一起施作。
3.2.1 雙層初期支護(hù)試驗(yàn)
采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法施工,施工過程嚴(yán)格遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、弱爆破、快封閉、勤量測(cè)”的施工原則。如圖6所示,上、中、下臺(tái)階及仰拱開挖高度分別為 4.8,3.0,3.32,2.47 m,上、中、下臺(tái)階長(zhǎng)度分別為5,6,9 m,仰拱一次開挖長(zhǎng)度4~6 m,開挖循環(huán)進(jìn)尺為0.5 m。
圖6 雙層支護(hù)試驗(yàn)段三臺(tái)階預(yù)留核心土法開挖步序示意(單位:m)Fig.6 Excavation sequence of top heading and two-bench method in double-shell primary support experiment section(m)
第1層初期支護(hù)拱墻施工完成后,利用鋪掛防水板臺(tái)架在仰拱封閉前安裝第2層初期支護(hù)拱架,根據(jù)具體情況一次安裝3~4榀。
1)雙層支護(hù)試驗(yàn)段最大拱頂下沉731.8 mm,最大拱腳水平收斂649.7 mm;平均拱頂下沉674.9 mm,最大拱腳水平收斂550.5 mm;最大下沉速率達(dá)34.5 mm/d,最大收斂速度達(dá) 30.6 mm/d。
各量測(cè)斷面拱頂下沉及拱腳水平收斂時(shí)間曲線如圖7和圖8所示。DK359+735斷面量測(cè)變形與施工步驟的關(guān)系曲線如圖9所示。
圖7 雙層支護(hù)試驗(yàn)段拱頂下沉?xí)r間曲線Fig.7 Crown settlement Vs time in double-shell primary support experiment section
圖8 雙層支護(hù)試驗(yàn)段拱腳水平收斂時(shí)間曲線Fig.8 Horizontal convergence at arch feet Vs time in double-shell primary support experiment section
圖9 DK359+735斷面量測(cè)變形與施工步驟的關(guān)系曲線Fig.9 Correlation between measured deformation and construction steps at DK359+735
2)上臺(tái)階開挖支護(hù)后,變形速率最大,最大拱頂下沉速率達(dá)34.5 mm/d,拱腳水平收斂速率達(dá)30.6 mm/d。中臺(tái)階和下臺(tái)階開挖后,拱頂下沉速率達(dá)30 mm/d,拱腳水平收斂速率達(dá)27 mm/d。在仰拱開挖前施作第2層初期支護(hù)后,變形得到有效控制,仰拱開挖前變形速率下降至2~4 mm/d。仰拱開挖支護(hù)后,變形速率基本保持在2~3 mm/d,直至鋪設(shè)防水板前變形速率下降至2 mm/d左右。
3)第1層初期支護(hù)與圍巖間的接觸壓力最大值為0.846 MPa,平均值為0.322 MPa;2層初期支護(hù)間接觸壓力最大值為0.750 MPa,平均值為0.171 MPa;二次襯砌與第2層初期支護(hù)間接觸壓力最大值為0.452 MPa,平均值為0.167 MPa。第2 層初期支護(hù)承擔(dān)了一部分圍巖荷載,減小了二次襯砌的受力。
4)第1層噴混凝土應(yīng)力最大值為11.42 MPa,平均值為2.93 MPa;第1層鋼架應(yīng)力最大值為73.79 MPa,平均值為44.51 MPa;第2層噴混凝土應(yīng)力最大值為12.14 MPa,平均值為4.52 MPa;二次襯砌混凝土應(yīng)力最大值為3.51 MPa,平均值為2.12 MPa;二次襯砌內(nèi)側(cè)鋼筋應(yīng)力最大值為55.75 MPa,平均值為35.34 MPa;二次襯砌外側(cè)鋼筋應(yīng)力最大值為38.56 MPa,平均值為27.63 MPa。量測(cè)中,材料應(yīng)力均未超過材料的容許應(yīng)力,工作狀態(tài)良好。
5)施工時(shí)間:第1層初期支護(hù)施工時(shí)間2012年8月26日至12月7日,第2層初期支護(hù)施工時(shí)間2012年10月21日至12月7日,二次襯砌施工時(shí)間2012年12月8日至2013年1月16日,共計(jì)143 d。
3.2.2 雙層襯砌試驗(yàn)
采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法施工,施工過程嚴(yán)格遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、弱爆破、快封閉、勤量測(cè)”的施工原則。如圖10所示,上、中、下臺(tái)階及仰拱開挖高度分別為 4.8,3.0,3.38,2.39 m,上、中、下臺(tái)階長(zhǎng)度分別為5,6,7 m,仰拱一次開挖長(zhǎng)度4~6 m,開挖循環(huán)進(jìn)尺為0.5 m。
圖10 雙層襯砌試驗(yàn)段三臺(tái)階預(yù)留核心土法開挖步序示意(單位:m)Fig.10 Excavation sequence of top heading and two-bench method in double-shell secondary lining experiment section(m)
第1層襯砌在仰拱封閉后20~30 m內(nèi)及時(shí)施作,不受初期變形穩(wěn)定的限制。第2層襯砌在初期支護(hù)和第1層二次襯砌受力趨于穩(wěn)定后施作。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù),在第1層二次襯砌施作1個(gè)月后基本趨于穩(wěn)定,開始施作第2層二次襯砌。
1)雙層襯砌試驗(yàn)段最大拱頂下沉832.2 mm,最大拱腳水平收斂884.5 mm;平均拱頂下沉754.9 mm,平均拱腳水平收斂804.5 mm;最大下沉速率達(dá)30.3 mm/d,最大收斂速度達(dá) 34.6 mm/d。
各量測(cè)斷面拱頂下沉及拱腳水平收斂時(shí)間曲線如圖11和圖12所示。DK359+765斷面量測(cè)變形與施工步驟的關(guān)系曲線如圖13所示。
圖11 雙層襯砌試驗(yàn)段拱頂下沉?xí)r間曲線Fig.11 Crown settlement Vs time in double-shell secondary lining experiment section
圖12 雙層襯砌試驗(yàn)段拱腳水平收斂時(shí)間曲線Fig.12 Horizontal convergence at arch feet Vs time in doubleshell secondary lining experiment section
圖13 DK359+765斷面量測(cè)變形與施工步驟的關(guān)系曲線Fig.13 Correlation between measured deformation and construction steps at DK359+765
2)上臺(tái)階開挖支護(hù)后,最大拱頂下沉速率達(dá)15.4 mm/d,拱腳水平收斂速率達(dá)16.4 mm/d。中臺(tái)階和下臺(tái)階開挖后,拱頂下沉速率達(dá)30.3 mm/d,拱腳水平收斂速率達(dá)34.6 mm/d,至仰拱開挖前變形速率下降至5 mm/d。后期至鋪設(shè)第1層二次襯砌防水板前下沉及收斂速率分別為2.3 mm/d和1.2 mm/d。
3)初期支護(hù)與圍巖間的接觸壓力最大值為0.867 MPa,平均值為0.301 MPa;第1層二次襯砌與初期支護(hù)間接觸壓力最大值為0.328 MPa,平均值為0.095 MPa;第2層二次襯砌間接觸壓力最大值為0.066 MPa,平均值為 0.033 MPa。
4)噴混凝土應(yīng)力最大值為9.96 MPa,平均值為2.29 MPa;鋼架應(yīng)力最大值為 63.61 MPa,平均值為28.79 MPa;第1層二次襯砌外側(cè)鋼筋應(yīng)力最大值為94.98 MPa,平均值為30.96 MPa;第2層二次襯砌混凝土應(yīng)力最大值為1.96 MPa,平均值為1.15 MPa;第2層二次襯砌內(nèi)側(cè)鋼筋應(yīng)力最大值為32.77 MPa,平均值為20.26 MPa。量測(cè)中,材料應(yīng)力均未超過材料的容許應(yīng)力,工作狀態(tài)良好。
5)施工時(shí)間:初期支護(hù)施工時(shí)間2012年10月30日至2013年1月3日,第1層二次襯砌施工時(shí)間2013年1月15日至3月10日,第2層二次襯砌施工時(shí)間2013年4月10日至20日,共計(jì)173 d。
見表1。
表1 雙層初期支護(hù)與雙層襯砌對(duì)照Table 1 Comparison and contast between double-shell primary support and double-shell secondary lining
從隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況、結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定性、施工工效等多方面綜合考慮,后續(xù)施工隧道支護(hù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)采用雙層初期支護(hù)結(jié)構(gòu)。
通過雙層初期支護(hù)和雙層二次襯砌試驗(yàn)研究對(duì)比,雙層初期支護(hù)變形相對(duì)較小,噴混凝土應(yīng)力、鋼架應(yīng)力、二次襯砌混凝土應(yīng)力及二次襯砌鋼筋應(yīng)力均未超過材料的容許值,工作狀態(tài)良好,且從施工便利性角度考慮,雙層初期支護(hù)不需要再增加襯砌臺(tái)車,同時(shí)可減少綁扎鋼筋的工序。后續(xù)施工采用了變形相對(duì)較小、結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定、施工工效較高的雙層支護(hù)參數(shù)后,隧道基本杜絕了拆換拱現(xiàn)象,未發(fā)現(xiàn)二次襯砌開裂。建議今后在施工過程中嚴(yán)格控制第2層初期支護(hù)的施作時(shí)機(jī),仰拱開挖支護(hù)前及時(shí)施作第2層初期支護(hù),及時(shí)彌補(bǔ)第1層初期支護(hù)剛度不足而造成的變形發(fā)展,避免第1層初期支護(hù)的開裂、扭曲和變形侵限。
[1]中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.蘭渝線特殊地質(zhì)隧道研究報(bào)告[R].西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2011.
[2]中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,中鐵西南院有限公司,石家莊鐵道大學(xué),等.蘭渝線特殊地質(zhì)隧道變形控制技術(shù)研究報(bào)告[R].西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2011.
[3]中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,中鐵西南科學(xué)研究院有限公司,石家莊鐵道大學(xué),等.蘭渝線軟巖大變形隧道支護(hù)參數(shù)研究報(bào)告[R].西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2011.
[4]劉志春,朱永全,李文江,等.?dāng)D壓性圍巖隧道大變形機(jī)理及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2008,30(5):690-697.(LⅠU Zhichun,ZHU Yongquan,LⅠWenjiang,et al.Mechanism and classification criterion forlarge deformation of squeezing ground tunnels[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2008,30(5):690-697.(in Chinese))
[5]李國(guó)良,朱永全.烏鞘嶺隧道高地應(yīng)力軟弱圍巖大變形控制技術(shù)[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2008(3):54-59.(LⅠGuoliang,ZHU Yongquan.Control technology for large deformation of highland stressed weak rock in Wushaoling tunnel[J].Journal of Railway Engineering Society,2008(3):54-59.(in Chinese))
[6]鄒翀,張民慶,李沿宗,等.高地應(yīng)力軟巖隧道施工變形控制方法試驗(yàn)研究[J].隧道建設(shè),2012,32(1):5-10,31.(ZOU Chong,ZHANG Minqing,LⅠYanzong,et al.Trial research on deformation control during tunneling in soft ground with high geo-stress[J].Tunnel Construction,2012,32(1):5-10,31.(in Chinese))
[7]鄒翀,王超朋,張文新,等.蘭渝鐵路木寨嶺隧道炭質(zhì)板巖段應(yīng)力控制試驗(yàn)研究[J].隧道建設(shè),2010,30(2):120-124.(ZOU Chong,WANG Chaopeng,ZHANG Wenxin,et al.Experimental study on stress control in carbonaceousslatesection ofMuzhailingtunnelon Lanzhou-Chongqing railway[J].Tunnel Construction,2010,30(2):120-124.(in Chinese))
[8]李廷春.毛羽山隧道高地應(yīng)力軟巖大變形施工控制技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2011,48(2):59-67.(LⅠTingchun.Large deformation control technology for Maoyushan tunnel in soft rock under high in-situ stresses[J].Modern Tunnelling Technology,2011,48(2):59-67.(in Chinese))
[9]吳廣明,劉志春,吳曉輝.蘭渝鐵路兩水隧道軟巖大變形控制技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2013(12):85-89.(WU Guangming,LⅠU Zhichun,WU Xiaohui.Control technology for large deformation of Liangshui tunnel with soft rock on Lanzhou-Chongqing railway[J].Railway Standard Design,2013(12):85-89.(in Chinese))
[10]王洪昌.雙層初期支護(hù)在大變形隧道中的應(yīng)用技術(shù)研究[D].成都:西南交通大學(xué)橋梁與隧道工程學(xué)院,2013.
[11]李華偉.雙層初期支護(hù)技術(shù)在軟巖大變形隧道施工中的應(yīng)用[J].鐵道建筑技術(shù),2014(2):52-54,69.(LⅠHuawei.Application of double primary support technology in the construction of large deformation of tunnel in soft rock[J].Railway Construction Technology,2014(2):52-54,69.(in Chinese))
[12]高攀,張文新,鄒翀.超前大鉆孔應(yīng)力釋放方法在高地應(yīng)力軟巖隧道中的應(yīng)用效果分析[J].隧道建設(shè),2013,33(10):820-825.(GAO Pan,ZHANG Wenxin,ZOU Chong.An analysis on the effect of stress releasing by drilling in advance large-diameter boreholes:A case study on high stress field soft rock[J].Tunnel Construction,2013,33(10):820-825.(in Chinese))
[13]胡元芳,劉志強(qiáng),王建宇.高地應(yīng)力軟巖條件下擠壓變形預(yù)測(cè)及應(yīng)用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2011,48(3):28-34.(HU Yuanfang,LⅠU Zhiqiang,WANG Jianyu.Squeezing deformation prediction of soft rocks under high ground stress and its application[J].Modern Tunnelling Technology,2011,48(3):28-34.(in Chinese))