關(guān)口埡隧道軟巖穩(wěn)定性分析及施工方法探討知識(shí)分享

關(guān)口埡隧道軟巖穩(wěn)定性分析及施工方法探討

王石光

主要內(nèi)容第一部分工程概況第二部分監(jiān)控量測(cè)第三部分圍巖變形規(guī)律第四部分施工措施第五部分結(jié)論工程概況第一部分1.1施工概況關(guān)口埡隧道位于常德至張家界高速公路上，設(shè)計(jì)為上下行分離式隧道，左右兩洞相距35~50m，長(zhǎng)度為：左洞880m，右洞700m；隧道凈寬11.1m，凈高7.1m。隧道路面設(shè)計(jì)高程168.66~188.57m，埋深大約在10～71m。圍巖類別劃分為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類，采用臺(tái)階法施工,支護(hù)采用復(fù)合式襯砌。施工初期在右洞張家界洞口端施工出現(xiàn)了滑坡，故在左右洞口增加了長(zhǎng)大管棚超前預(yù)支護(hù)；右洞在施工至YK73+908掌子面時(shí)，已完成初支的后方Y(jié)K73+958~YK73+908段于2004年5月29日發(fā)生大型塌方。針對(duì)施工中出現(xiàn)的問題，開展了圍巖穩(wěn)定性及施工方法研究。

前兩組節(jié)理面光滑平直，為共扼剪節(jié)理，間隔較密集；后一組為壓扭性，產(chǎn)狀時(shí)有變化。另外，順巖層面中常見構(gòu)造應(yīng)力在巖層面集中形成的層間錯(cuò)動(dòng)擠壓夾泥帶，厚度一般0.5cm~20cm不等，斷續(xù)分布，夾泥層性質(zhì)軟弱。從附近的風(fēng)化強(qiáng)烈的頁(yè)巖路塹邊坡和自然邊坡經(jīng)?？梢钥匆?，小規(guī)模的滑坡比較普遍，由此可知，其強(qiáng)風(fēng)化巖石邊坡穩(wěn)定性極差。關(guān)口埡隧道均在泥質(zhì)頁(yè)巖巖體中掘進(jìn)，隧道底高程高于附近較寬闊谷地，無較大地表水體向隧道處補(bǔ)給。隧道上方山上，因坡降一般較大，大氣降水會(huì)在較短時(shí)間排至附近谷地溪溝中，故一般情況地下水補(bǔ)給不良，并且頁(yè)巖總體透水和賦水性不好，水量較貧乏。但山坡上沖溝發(fā)育，淺埋隧道段因上部巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，層理和節(jié)理會(huì)有一定的卸荷張開，有利于地表水下滲，因其滲徑短，可能在隧道中形成滴水。隧道圍巖物理力學(xué)指標(biāo)為：巖石容重25.3~26.6kN/m3，抗壓強(qiáng)度9.7~18.45MPa，彈性模量1.07~1.78GPa，內(nèi)摩擦角28.6~34.6°，粘結(jié)力1.09~1.38MPa。監(jiān)控量測(cè)第二部分為了更好地認(rèn)識(shí)泥質(zhì)頁(yè)巖在隧道開挖過程中應(yīng)力重分布的變化特征以及對(duì)洞室穩(wěn)定性的影響，弄清初期支護(hù)常出現(xiàn)開裂的原因，更好地運(yùn)用量測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)設(shè)計(jì)及施工，在左洞K73+760~840段及右洞塌方段進(jìn)行了噴層應(yīng)力、圍巖與初期支護(hù)間應(yīng)力、圍巖內(nèi)部位移、二次襯砌應(yīng)力量測(cè)及爆破震動(dòng)測(cè)試等項(xiàng)目的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

2.1監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目表1量測(cè)內(nèi)容及量測(cè)斷面表位置量測(cè)項(xiàng)目左

洞右

洞圍巖內(nèi)部位移K73+839.5K73+776K73+938噴層應(yīng)力K73+839.5K73+799K73+938圍巖與支護(hù)間應(yīng)力K73+839.5K73+799K73+938格柵拱架應(yīng)力K73+839.5K73+799

工字鋼拱架應(yīng)力K73+827K73+938二次襯砌應(yīng)力K73+839.5K73+799K73+938

2.2監(jiān)控量測(cè)斷面選擇及測(cè)點(diǎn)布置監(jiān)控量測(cè)斷面的選擇充分考慮了圍巖類別、隧道埋深、節(jié)埋裂隙發(fā)育程度、是否存在偏壓、含水量大小等因素。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工位置，選擇在Ⅱ、Ⅲ類圍巖中進(jìn)行布點(diǎn)，具體量測(cè)斷面樁號(hào)見表1。監(jiān)測(cè)中一般將測(cè)點(diǎn)布在：

仰拱中心仰拱腰墻腳拱腳拱腰拱頂拱頂拱腰拱腳墻腳仰拱中部及兩腰圖1測(cè)點(diǎn)布置位置示意圖圍巖變形規(guī)律第三部分3.1圍巖與初期支護(hù)間的接觸壓力分析初期支護(hù)與圍巖接觸壓力采用壓力盒及噴層應(yīng)力計(jì)進(jìn)行量測(cè)，圖2為K73+839.5（設(shè)計(jì)為Ⅲ類圍，埋深為47m，屬深埋）斷面拱頂壓力隨時(shí)間變化曲線，最大值為0.197MPa，從圖可看出，接觸壓力在開挖后半個(gè)月內(nèi)變化較大，然后變化趨緩。根據(jù)深埋隧道圍巖松動(dòng)壓力的計(jì)算方法可得：

q=0.45×26-s×γω=169kPa=0.169Mpa式中：

S——圍巖類別；

γ——圍巖容重，KN/m3；

ω——寬度影響系數(shù)；

圖2圍巖與格柵拱架間壓力隨時(shí)間變化曲線（拱頂）3.2初期支護(hù)鋼拱架受力分析初期支護(hù)中格柵拱架或工字鋼拱架所受力均較大，一般格柵受力為90～200MPa，所測(cè)格柵最大應(yīng)力點(diǎn)也在K73+839.5斷面，如圖3所示，由圖可以看出，前期格柵所受應(yīng)力一直在增大，8月20～28日處在應(yīng)力調(diào)整期，然后應(yīng)力又繼續(xù)增大，9月7日應(yīng)力達(dá)到260.1MPa時(shí)，要求施工中對(duì)此段二襯應(yīng)加強(qiáng)，同時(shí)應(yīng)密切注意噴射混凝土表面變化，如有變化應(yīng)果斷采取措施，9月9日格柵拱架所受應(yīng)力達(dá)到267.7Mpa，在9月10日早上出現(xiàn)初期支護(hù)格柵變形，噴射混凝土開裂掉塊，于是采取了工字鋼臨時(shí)支撐，然后在初期支護(hù)外貼壁套上工字鋼，間距為1m，與此同時(shí)加長(zhǎng)錨桿，通過以上措施，防止了塌方事故的發(fā)生。因開裂應(yīng)力得到一定程度的釋放，隨后幾天應(yīng)力慢慢減小，二襯施工完后，該點(diǎn)應(yīng)力基本處于穩(wěn)定，說明后期增加的圍巖壓力已由外貼工字鋼及二襯共同承受。由圖2、3可以看出，格柵應(yīng)力的變化與此斷面初期支護(hù)接觸應(yīng)力大致同步，說明監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)基本能真實(shí)反映圍巖的壓力大小，同時(shí)也為后段施工對(duì)支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性提供了判別依據(jù)，以便安全地組織施工。

圖3格柵拱架壓力隨時(shí)間變化曲線（左拱腰）為與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，還運(yùn)用數(shù)值法對(duì)格柵軸力進(jìn)行計(jì)算分析，其結(jié)果如圖4所示，圖中拱腰處格柵的軸力為362kN，則格柵所受應(yīng)力：

σ=p/s=362000/(4×490)=184.7MPa

式中P——格柵斷面所受軸力，N；

S——格柵總截面積，mm2；

單根φ25鋼筋截面積為490mm2。

以上計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果存在差距，再次說明此段圍巖類別劃分偏高。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工變形情況，軟巖現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值對(duì)圍巖類別準(zhǔn)確判定及指導(dǎo)施工具有重要的指導(dǎo)意義。

圖4數(shù)值計(jì)算格柵軸力圖（圖中軸力單位：MN）3.3圍巖變形分析

圍巖變形量測(cè)采用多點(diǎn)位移計(jì)及收斂計(jì)進(jìn)行。總體規(guī)律是拱部圍巖內(nèi)部位移大于邊墻，在左洞K73+740～840段，拱部最大位移為7.63cm，拱腳處最大位移值為5.86cm，用收斂?jī)x測(cè)得拱腳最大收斂為14.61cm。兩者基本吻合。一般下臺(tái)階開挖對(duì)收斂的影響為2～4cm。根據(jù)施工實(shí)際，軟巖地段沒有較明顯的拱效應(yīng)，應(yīng)按照“強(qiáng)支護(hù)”的理念，采用加強(qiáng)型初期支護(hù)。3.4二次襯砌受力分析因監(jiān)測(cè)斷面二次襯砌量測(cè)時(shí)間均不到兩個(gè)月，所測(cè)二襯應(yīng)力均不大，扣除前期的收縮應(yīng)力，一般為1～2MPa，由此說明初期支護(hù)達(dá)到了預(yù)期效果，二襯主要作為安全儲(chǔ)備。施工措施第四部分為了控制圍巖變形，確保施工質(zhì)量及施工安全，針對(duì)關(guān)口埡泥質(zhì)頁(yè)巖特點(diǎn)，采取了動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)施工、動(dòng)態(tài)管理的方法，具體措施如下：(1)合理安排施工工序，確定最佳施工參數(shù)，優(yōu)化施工組織，最大限度地減少因施工造成的變形量。(2)保證上下臺(tái)階的距離不大于50m，仰拱距離下臺(tái)階不大于20m，二次襯砌距離下階不大于40m；施工中嚴(yán)格控制爆破循環(huán)進(jìn)尺，及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)。

(3)下臺(tái)階開挖后及時(shí)施做仰拱，做到早封閉、早成環(huán)。(4)加強(qiáng)初期支護(hù)參數(shù)的收集分析和提高支護(hù)質(zhì)量，做到及時(shí)反饋，對(duì)癥下藥；對(duì)圍巖節(jié)理發(fā)育段采取注漿措施，對(duì)變形大地段增加錨桿數(shù)量及錨桿長(zhǎng)度，并進(jìn)行注漿，確保圍巖的二次穩(wěn)定。系統(tǒng)錨桿的設(shè)置，尤其是長(zhǎng)錨桿對(duì)圍巖變形的抑制是有效的，在拱肩、鋼支撐接頭、仰拱與曲墻交接處等關(guān)鍵部位應(yīng)設(shè)鎖扣錨桿或錨管，確保初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、鋼度和穩(wěn)定性。(5)采用TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段，及時(shí)掌握掌子面前方的巖性變化情況；正確劃分圍巖類別，使支護(hù)參數(shù)更為合理。(6)對(duì)變形大地段，盡管變形速率還未達(dá)到規(guī)范要求的值，為保證施工安全，仍需及時(shí)進(jìn)行二次襯砌，并對(duì)二襯鋼筋進(jìn)行了加強(qiáng)，同時(shí)提高了混凝土標(biāo)號(hào)，以保證結(jié)構(gòu)永久安全。(7)實(shí)行有效的光面爆破，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破震動(dòng)測(cè)試，原同段雷管裝藥的炮孔最大裝藥量為13kg，掌子面最大震速為3～4cm/s，對(duì)掌子面10m范圍內(nèi)的初期支護(hù)均存在一定影響，因此施工中要求嚴(yán)格控制同段雷管炮孔的裝藥量不大于6kg，減少爆破震動(dòng)對(duì)初期支護(hù)及圍巖的影響。(8)加強(qiáng)量測(cè)和數(shù)據(jù)整理分析工作，發(fā)現(xiàn)情況或預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)出可能發(fā)生的異常情況，及早上報(bào)，以便做出決策。(9)實(shí)行激勵(lì)機(jī)制和問責(zé)制度，充分調(diào)動(dòng)職工的積極性，樹立搶險(xiǎn)意識(shí)，避免再次塌方事故的發(fā)生。結(jié)論第五部分通過前期的現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)、理論分析、和優(yōu)化施工方法，已初步摸索出泥質(zhì)頁(yè)巖變形及施工規(guī)律：(1)關(guān)口埡隧道泥質(zhì)頁(yè)巖巖性較軟，易風(fēng)化、具明顯的遇水崩解、失水干裂性質(zhì)，因此特性的存在，原大部份地段圍巖類別劃分偏高。(2)泥質(zhì)頁(yè)巖節(jié)理裂隙發(fā)育地段，上臺(tái)階開挖10天后初期支護(hù)常出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，特別是有節(jié)理裂隙水地段更加明顯，針對(duì)這種情況，圍巖類別應(yīng)降低，初期支護(hù)及二襯結(jié)構(gòu)應(yīng)加強(qiáng)。(3)掘進(jìn)時(shí)必須堅(jiān)持短臺(tái)階法施工，嚴(yán)禁使用長(zhǎng)臺(tái)階法，控制好各工序的施工距離。(4)搞好監(jiān)控量測(cè)，工程中應(yīng)根據(jù)監(jiān)控信息反饋及時(shí)修改設(shè)計(jì)，施工中根據(jù)圍巖情況及時(shí)調(diào)整施工方法及支護(hù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)管理。(5)軟巖隧道隧道工程的主要特點(diǎn)是允許圍巖進(jìn)入塑性破壞狀態(tài)，其支護(hù)的核心是圍巖二次穩(wěn)定問