隧道穿越巖性交界區(qū)失穩(wěn)變形機理與控制措施研究

蔣美軍

(廣西壯族自治區(qū)交通運輸廳，廣西 南寧 530012)

0 引言

伴隨著國民經(jīng)濟的穩(wěn)步發(fā)展，以及交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力推進，修建高速公路面臨的水文地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，尤其是在我國西南部山嶺重丘區(qū)，路線線位大多情況下需要穿越崇山峻嶺，部分高速公路項目橋隧比例高達80%。因此地質(zhì)選線的理念變得愈發(fā)重要，設(shè)計階段會盡量選擇繞避不良地質(zhì)體的方案，但受工程經(jīng)濟以及勘察深度等因素的制約，隧道工程仍不可避免地受到不良地質(zhì)體的影響，從而引發(fā)隧道塌方、突泥涌水等地質(zhì)災(zāi)害。

實踐表明，灰?guī)r與砂巖交界帶往往圍巖地質(zhì)條件較差，且兩者的物理特性差異大，巖體風化強烈，巖體非常破碎，遇水極易軟化崩解，為典型的力學不穩(wěn)定地層，離散性較強，屬于隧道工程建設(shè)所面臨的特殊不良地質(zhì)體。而且，可溶性巖(灰?guī)r)與非可溶性巖(砂巖)交界段，往往地下水資源較為發(fā)育，地下水補給路徑較多，會大大降低交界區(qū)巖體的物理力學參數(shù)。在隧道施工荷載作用下，地層的初始平衡狀態(tài)很容易被破壞，掌子面前方部分土體容易發(fā)生松動，然后逐漸對掌子面上部土體的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，從而引起地層損失和洞內(nèi)失穩(wěn)沉降，如施工不當易造成洞內(nèi)拱頂?shù)魤K、塌方甚至冒頂?shù)仁鹿?，雨季易出現(xiàn)突水、突泥等不良地質(zhì)事故。

國內(nèi)學者對于隧道施工引起洞內(nèi)失穩(wěn)變形的問題進行了大量研究，主要集中在失穩(wěn)變形機理及處治控制措施等方面。房倩等[1]利用離散元數(shù)值模擬軟件及室內(nèi)模型試驗對砂土地層變形規(guī)律進行研究，分析隧道埋深、地層損失率、顆粒粒徑以及級配對砂土地層變形的影響；張龍生等[2]依托江西省昌寧高速公路蓮花山隧道，利用多物理場耦合模擬軟件，對富水軟弱圍巖隧道塌方機理與處治技術(shù)展開研究；徐前衛(wèi)等[3]針對隧道滇中紅層軟弱圍巖，利用數(shù)值模擬手段分析其失穩(wěn)斷面的變形及應(yīng)力特征，并提出相應(yīng)的控制措施；林明才等[4]利用理論分析手段和數(shù)值模擬手段，分析不同荷載釋放系數(shù)下隧道圍巖特征點和測線位移、隧道圍巖系統(tǒng)勢能、隧道斷面相對變形率3類指標變化規(guī)律。劉德安等[5]以巴東隧道穿越富水紫紅泥巖段為研究背景，基于巖土控制變形分析法探討開挖面失穩(wěn)過程及前方圍巖變形破壞特征，并提出相應(yīng)的加固措施。

目前，關(guān)于隧道穿越灰?guī)r與砂巖交界帶引起洞內(nèi)失穩(wěn)大變形問題的研究還較少，本文以廣西地區(qū)某公路隧道穿越灰?guī)r與砂巖交界區(qū)為研究背景，總結(jié)隧道施工過程中所面臨的施工難點。結(jié)合現(xiàn)場實際情況，深入分析該不良地質(zhì)段落巖體所表現(xiàn)出的力學特性，研究該不良地質(zhì)段落巖體受隧道施工荷載擾動后的變形失穩(wěn)機理，并提出合理有效的安全控制措施，相關(guān)經(jīng)驗可為今后類似工程建設(shè)提供參考。

1 工程概況

1.1 工程背景

某公路越嶺隧道位于廣西河池市南丹縣城以西，是項目的關(guān)鍵控制性工程。該隧道起止樁號為K2K1+430～K2K2+740，設(shè)計長度為1 310 m，為越嶺長隧道。隧道進、出口設(shè)計高程分別為748.959 m、714.485 m，最大埋深約為316 m，線路總體近似呈東西走向，線路縱坡坡度設(shè)計為2.75%。隧道區(qū)域地質(zhì)平面線位關(guān)系如下頁圖1所示。

隧址區(qū)屬構(gòu)造剝蝕低山地貌，山體連綿起伏，地形起伏較大，地形地貌主要受地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造控制，山脈走向多呈西北-東南向，與區(qū)域構(gòu)造線走向基本相同，與隧道走向大致平行。隧址區(qū)常年多雨，雨季頻繁，多年平均降雨量約為1 400 mm。隧道洞口位置沖溝發(fā)育，隧道洞身地質(zhì)條件復(fù)雜多變。

圖1 隧道區(qū)域地質(zhì)平面線位圖

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)鉆探及工程地質(zhì)測繪，隧道區(qū)地層主要由第四系沖洪積層(Qal+pl)、第四系殘坡積層(Qel+dl)、石炭系下統(tǒng)地層(C1d)、二疊系下統(tǒng)(P1q)地層組成，隧道洞身段圍巖裂隙發(fā)育，完整性較差，巖體風化程度以強-中風化為主。根據(jù)現(xiàn)場地勘報告結(jié)果，統(tǒng)計本隧道各級圍巖主要物理力學參數(shù)，如表1所示。

表1 各級圍巖物理力學參數(shù)參考取值表

本隧道存在灰?guī)r與砂巖的巖性接觸帶段落為K1+530～K1+650、K1+700～K1+840。在灰?guī)r與砂巖交界帶，往往圍巖地質(zhì)條件較差，且段落可能較富水。兩者的物理特性差異大，砂巖為強透水性，灰?guī)r為弱透水性，巖性交界區(qū)雨季易出現(xiàn)突水、突泥等不良地質(zhì)事故，如施工不當易造成洞內(nèi)拱頂?shù)魤K、塌方甚至冒頂?shù)仁鹿?見圖2)。

圖2 隧道巖性交界區(qū)分布范圍及圍巖特性分析圖

2 隧道穿越巖性交界區(qū)失穩(wěn)變形機理分析

灰?guī)r與砂巖巖性交界帶地層以強風化基巖構(gòu)成主要的骨架，并夾雜著濕潤軟弱土體，巖體風化強烈，巖體非常破碎，遇水極易軟化崩解，為典型的力學不穩(wěn)定地層，呈現(xiàn)出較強的離散性與不穩(wěn)定性。在外界施工荷載的擾動下，易失去原來的穩(wěn)定平衡狀態(tài)。與單純的砂巖或灰?guī)r地層相比，巖性交界區(qū)地層粘聚力不高，不能承受拉應(yīng)力，掌子面土體容易出現(xiàn)失穩(wěn)破壞現(xiàn)象，失穩(wěn)破壞形態(tài)為剪切破壞。

同時，隧道巖性交界區(qū)段落地下水補給路徑發(fā)育，地下水豐富，地層中細顆粒會隨著地下水的滲透而流失，加速巖體的軟化崩解，使巖體從相對穩(wěn)定結(jié)構(gòu)變成松散結(jié)構(gòu)，且松散結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。此時，土體間的咬合作用將會變?nèi)?，土體力學性質(zhì)降低，使得隧道洞內(nèi)沉降控制變得更為困難，更容易引起洞內(nèi)失穩(wěn)大變形現(xiàn)象，引起初支結(jié)構(gòu)侵限和開裂。

施工荷載擾動及地下水滲流還會使前方部分土體發(fā)生松動，進而對掌子面上部土體的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，加大上部土體的松動范圍(見圖3)。隨著掌子面上方土體的松動塌落，上方土體部分土拱效應(yīng)會被破壞，導(dǎo)致掌子面上方出現(xiàn)地層空洞現(xiàn)象。在地下水位變化和季節(jié)降雨等因素的影響下，地層空洞頂部的松散體會不斷掉落，產(chǎn)生相應(yīng)的地層損失，使得拱頂以上塑性區(qū)不斷向上發(fā)展，從而引起拱頂塌方等事故。

圖3 隧道施工對巖性交界區(qū)地層的擾動規(guī)律示意圖

3 隧道施工難點分析

根據(jù)隧道現(xiàn)場實際施工情況與巖性交界區(qū)地層特有的力學特性，依托工程隧道穿越灰?guī)r與砂巖巖性交界區(qū)存在的施工風險與難點主要有洞內(nèi)沉降控制困難和易發(fā)生洞內(nèi)災(zāi)害問題兩個方面，需對癥下藥，選擇合理可靠的施工控制措施。

3.1 洞內(nèi)沉降控制困難

由于巖性交界區(qū)段落水文地質(zhì)條件復(fù)雜，在隧道施工荷載作用下，地層的初始平衡狀態(tài)很容易被破壞，開挖后巖體塑性區(qū)會加速往外擴展，圍巖保持自穩(wěn)能力的時間很短，使得隧道洞內(nèi)的沉降控制變得更為困難，更容易引起洞內(nèi)失穩(wěn)大變形現(xiàn)象。如施工工序銜接不緊湊，施工某個環(huán)節(jié)沒有做好，仰拱沒有及時閉合，則洞內(nèi)沉降變形會極速變大，導(dǎo)致隧道初支結(jié)構(gòu)侵限。隧道穿越不同巖性交界區(qū)以來，共發(fā)生過三次洞內(nèi)初支結(jié)構(gòu)侵限問題，后期需要換拱處治，侵限段落長達40 m，最大侵限值高達25 cm。

3.2 易發(fā)生洞內(nèi)災(zāi)害問題

隧道穿越不同巖性交界區(qū)以來，隧道洞內(nèi)共發(fā)生兩次拱頂塌方事故。施工荷載擾動及地下水滲流會使前方部分土體發(fā)生松動，進而對掌子面上部土體的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，加大上部土體的松動范圍。隨著掌子面上方土體的松動塌落，上方土體部分土拱效應(yīng)會被破壞，地層空洞頂部的松散體不斷掉落，產(chǎn)生相應(yīng)的地層損失，使得拱頂以上塑性區(qū)不斷向上發(fā)展，從而引起拱頂塌方等事故。

4 隧道施工控制措施研究

結(jié)合不同巖性交界區(qū)地層水文地質(zhì)條件、巖體力學特性與開挖失穩(wěn)變形機理，根據(jù)現(xiàn)場施工遇到的技術(shù)難點，本文對隧道穿越不同巖性交界區(qū)采取的綜合控制措施進行總結(jié)，主要包括隧道開挖方法優(yōu)化、加強超前支護與鎖腳支護措施以及其他施工輔助措施三個方面。實踐證明，這些處治措施實施效果良好，能有效確保隧道安全通過此巖性交界帶。

4.1 隧道開挖方法優(yōu)化

對于富水軟弱破碎圍巖，選擇合理的隧道開挖工法，既要考慮初期支護閉合成環(huán)的及時性，以有效控制洞內(nèi)沉降，也要考慮施工工序的銜接轉(zhuǎn)換難易程度，盡可能減少隧道施工工序間的相互制約。為減少隧道施工對圍巖的擾動，從施工工序轉(zhuǎn)換及圍巖控制變形的角度考慮，將原長臺階法調(diào)整為短臺階法(三臺階)，并充分預(yù)留核心土，加快初期支護閉合成環(huán)的速度。

4.2 加強超前支護與鎖腳支護措施

超前支護改為采用φ108×6 mm注漿鋼管，管棚施工采用跟管鉆進工藝，環(huán)向間距為40 cm，長度為9.0 m，縱向間距為7.0 m，外插角為10°～15°。注漿前應(yīng)先進行相應(yīng)的注漿現(xiàn)場試驗，相關(guān)注漿參數(shù)應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場試驗提前確定。注水泥凈漿后鋼管內(nèi)利用M30水泥砂漿填充，以增強管棚的整體強度與剛度。要求管棚鋼管從鋼拱架腹板開孔穿過，鋼管尾端并與鋼拱架進行焊接，以確保洞內(nèi)管棚尾端具備有效支撐。

將原設(shè)計中、下臺階左右側(cè)各設(shè)置2根長度為350 cm的φ42×4 mm鎖腳錨管調(diào)整為上、中、下臺階左右側(cè)各設(shè)置2根長度為600 cm(根據(jù)實際情況進行調(diào)整)的φ108×6 mm鎖腳大鋼管，鋼管內(nèi)采用M30水泥砂漿進行填充，并確保鋼管樁嵌入中風化巖層厚度≥50 cm，鋼管樁與型鋼拱架焊接連接。如圖4所示。

圖4 洞內(nèi)鎖腳大鋼管支護示意圖(mm)

4.3 其他開挖輔助措施

隧道開挖前，對掌子面前方拱頂圍巖進行注漿預(yù)加固處治，提高巖體的自穩(wěn)能力，以防開挖時拱頂孤石及松散體掉落?？紤]到該段地下水發(fā)育，注漿漿液選擇效果更好的雙液漿(水泥+水玻璃)，水泥漿水灰比1∶0.75；水玻璃濃度為35°Bé；水玻璃模數(shù)為2.4；注漿壓力為初壓0.5～1.0 MPa，終壓為2.0 MPa。

切實做好拱架之間的縱向連接，除正常的縱向連接鋼筋外，還在仰拱以上部位的初支型鋼拱架接頭板兩側(cè)采用Ⅰ14工字鋼加強縱向連接，以加強型鋼拱架的整體穩(wěn)定性和抗扭轉(zhuǎn)能力。

為確保隧道洞內(nèi)施工安全，在對隧道侵限段落進行換拱之前，應(yīng)確保該段落仰拱已施作完畢，等后續(xù)不良地質(zhì)段落均做完二襯后，再返回進行換拱作業(yè)。換拱前在隧道侵限段落增設(shè)洞內(nèi)復(fù)拱。復(fù)拱采用工字鋼組成，相鄰鋼架間采用Ⅰ14縱向工字鋼連接，復(fù)拱與初支間的空隙采用木楔楔緊，鋼架落腳處采用槽鋼鋪墊。

當采取上述措施后收斂變形仍有異常，則應(yīng)及時采取臨時仰拱控制變形。現(xiàn)場平整場地后，于中臺階位置直接澆筑40 cm厚C15素混凝土作為臨時仰拱(拱腳處鋪設(shè)塑料膜，方便后期拆除)，可適當添加速凝劑，要求整段嚴格滿澆筑，以有效控制洞內(nèi)沉降。

5 結(jié)語

本文以廣西地區(qū)某公路隧道穿越灰?guī)r與砂巖不同巖性交界區(qū)為研究背景，深入分析該不良地質(zhì)段落巖體所表現(xiàn)出的力學特性，研究該不良地質(zhì)段落巖體受隧道施工荷載擾動后的變形失穩(wěn)機理，并提出合理有效的安全控制措施。研究結(jié)果表明：

(1)灰?guī)r與砂巖巖性交界帶地層以強風化基巖構(gòu)成主要的骨架，并夾雜著濕潤軟弱土體，巖體風化強烈，巖體非常破碎，遇水極易軟化崩解，為典型的力學不穩(wěn)定地層，呈現(xiàn)出較強的離散性與不穩(wěn)定性。在外界施工荷載的擾動下，易失去原來的穩(wěn)定平衡狀態(tài)。掌子面土體容易出現(xiàn)失穩(wěn)破壞現(xiàn)象，失穩(wěn)破壞形態(tài)為剪切破壞。

(2)隧道巖性交界區(qū)段落地下水補給路徑發(fā)育，地下水豐富，地層中細顆粒會隨著地下水的滲透而流失，加速巖體的軟化崩解，使巖體從相對穩(wěn)定結(jié)構(gòu)變成松散結(jié)構(gòu)，松散單粒結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。此時土體間的咬合作用將變?nèi)酰馏w力學性質(zhì)降低，使隧道洞內(nèi)沉降控制變得更為困難，更容易引起洞內(nèi)失穩(wěn)大變形現(xiàn)象，引起初支結(jié)構(gòu)侵限和開裂。

(3)隧道穿越灰?guī)r與砂巖巖性交界區(qū)存在的施工風險與難點主要有水文地質(zhì)條件復(fù)雜、洞內(nèi)沉降控制困難和易發(fā)生洞內(nèi)災(zāi)害問題三個方面，應(yīng)對癥下藥，選擇合理可靠的施工控制措施。

(4)隧道得以安全順利通過灰?guī)r與砂巖巖性交界區(qū)，主要依靠隧道開挖方法優(yōu)化、加強超前支護與鎖腳支護措施以及其他輔助措施等綜合性處治手段，相關(guān)施工經(jīng)驗可供今后類似工程建設(shè)參考。