關口埡隧道軟巖穩(wěn)定性分析及施工方法探討知識分享

關口埡隧道軟巖穩(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施工概況關口埡隧道位于常德至張家界高速公路上，設計為上下行分離式隧道，左右兩洞相距35~50m，長度為：左洞880m，右洞700m；隧道凈寬11.1m，凈高7.1m。隧道路面設計高程168.66~188.57m，埋深大約在10～71m。圍巖類別劃分為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類，采用臺階法施工,支護采用復合式襯砌。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大管棚超前預支護；右洞在施工至YK73+908掌子面時，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)狀時有變化。另外，順巖層面中常見構造應力在巖層面集中形成的層間錯動擠壓夾泥帶，厚度一般0.5cm~20cm不等，斷續(xù)分布，夾泥層性質(zhì)軟弱。從附近的風化強烈的頁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，其強風化巖石邊坡穩(wěn)定性極差。關口埡隧道均在泥質(zhì)頁巖巖體中掘進，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給。隧道上方山上，因坡降一般較大，大氣降水會在較短時間排至附近谷地溪溝中，故一般情況地下水補給不良，并且頁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化強烈，層理和節(jié)理會有一定的卸荷張開，有利于地表水下滲，因其滲徑短，可能在隧道中形成滴水。隧道圍巖物理力學指標為：巖石容重25.3~26.6kN/m3，抗壓強度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)控量測第二部分為了更好地認識泥質(zhì)頁巖在隧道開挖過程中應力重分布的變化特征以及對洞室穩(wěn)定性的影響，弄清初期支護常出現(xiàn)開裂的原因，更好地運用量測數(shù)據(jù)指導設計及施工，在左洞K73+760~840段及右洞塌方段進行了噴層應力、圍巖與初期支護間應力、圍巖內(nèi)部位移、二次襯砌應力量測及爆破震動測試等項目的重點監(jiān)測。

2.1監(jiān)控量測項目表1量測內(nèi)容及量測斷面表位置量測項目左

洞右

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

工字鋼拱架應力K73+827K73+938二次襯砌應力K73+839.5K73+799K73+938

2.2監(jiān)控量測斷面選擇及測點布置監(jiān)控量測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)場實際施工位置，選擇在Ⅱ、Ⅲ類圍巖中進行布點，具體量測斷面樁號見表1。監(jiān)測中一般將測點布在：

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測點布置位置示意圖圍巖變形規(guī)律第三部分3.1圍巖與初期支護間的接觸壓力分析初期支護與圍巖接觸壓力采用壓力盒及噴層應力計進行量測，圖2為K73+839.5（設計為Ⅲ類圍，埋深為47m，屬深埋）斷面拱頂壓力隨時間變化曲線，最大值為0.197MPa，從圖可看出，接觸壓力在開挖后半個月內(nèi)變化較大，然后變化趨緩。根據(jù)深埋隧道圍巖松動壓力的計算方法可得：

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間變化曲線（拱頂）3.2初期支護鋼拱架受力分析初期支護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，所測格柵最大應力點也在K73+839.5斷面，如圖3所示，由圖可以看出，前期格柵所受應力一直在增大，8月20～28日處在應力調(diào)整期，然后應力又繼續(xù)增大，9月7日應力達到260.1MPa時，要求施工中對此段二襯應加強，同時應密切注意噴射混凝土表面變化，如有變化應果斷采取措施，9月9日格柵拱架所受應力達到267.7Mpa，在9月10日早上出現(xiàn)初期支護格柵變形，噴射混凝土開裂掉塊，于是采取了工字鋼臨時支撐，然后在初期支護外貼壁套上工字鋼，間距為1m，與此同時加長錨桿，通過以上措施，防止了塌方事故的發(fā)生。因開裂應力得到一定程度的釋放，隨后幾天應力慢慢減小，二襯施工完后，該點應力基本處于穩(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，格柵應力的變化與此斷面初期支護接觸應力大致同步，說明監(jiān)控數(shù)據(jù)基本能真實反映圍巖的壓力大小，同時也為后段施工對支護系統(tǒng)穩(wěn)定性提供了判別依據(jù)，以便安全地組織施工。

圖3格柵拱架壓力隨時間變化曲線（左拱腰）為與實測結(jié)果進行比較，還運用數(shù)值法對格柵軸力進行計算分析，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。

以上計算結(jié)果與實測結(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)場施工變形情況，軟巖現(xiàn)場實測值對圍巖類別準確判定及指導施工具有重要的指導意義。

圖4數(shù)值計算格柵軸力圖（圖中軸力單位：MN）3.3圍巖變形分析

圍巖變形量測采用多點位移計及收斂計進行?？傮w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，用收斂儀測得拱腳最大收斂為14.61cm。兩者基本吻合。一般下臺階開挖對收斂的影響為2～4cm。根據(jù)施工實際，軟巖地段沒有較明顯的拱效應，應按照“強支護”的理念，采用加強型初期支護。3.4二次襯砌受力分析因監(jiān)測斷面二次襯砌量測時間均不到兩個月，所測二襯應力均不大，扣除前期的收縮應力，一般為1～2MPa，由此說明初期支護達到了預期效果，二襯主要作為安全儲備。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，針對關口埡泥質(zhì)頁巖特點，采取了動態(tài)設計、動態(tài)施工、動態(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)保證上下臺階的距離不大于50m，仰拱距離下臺階不大于20m，二次襯砌距離下階不大于40m；施工中嚴格控制爆破循環(huán)進尺，及時進行初期支護。

(3)下臺階開挖后及時施做仰拱，做到早封閉、早成環(huán)。(4)加強初期支護參數(shù)的收集分析和提高支護質(zhì)量，做到及時反饋，對癥下藥；對圍巖節(jié)理發(fā)育段采取注漿措施，對變形大地段增加錨桿數(shù)量及錨桿長度，并進行注漿，確保圍巖的二次穩(wěn)定。系統(tǒng)錨桿的設置，尤其是長錨桿對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鍵部位應設鎖扣錨桿或錨管，確保初期支護結(jié)構的強度、鋼度和穩(wěn)定性。(5)采用TSP203超前地質(zhì)預報手段，及時掌握掌子面前方的巖性變化情況；正確劃分圍巖類別，使支護參數(shù)更為合理。(6)對變形大地段，盡管變形速率還未達到規(guī)范要求的值，為保證施工安全，仍需及時進行二次襯砌，并對二襯鋼筋進行了加強，同時提高了混凝土標號，以保證結(jié)構永久安全。(7)實行有效的光面爆破，根據(jù)現(xiàn)場爆破震動測試，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，對掌子面10m范圍內(nèi)的初期支護均存在一定影響，因此施工中要求嚴格控制同段雷管炮孔的裝藥量不大于6kg，減少爆破震動對初期支護及圍巖的影響。(8)加強量測和數(shù)據(jù)整理分析工作，發(fā)現(xiàn)情況或預測預報出可能發(fā)生的異常情況，及早上報，以便做出決策。(9)實行激勵機制和問責制度，充分調(diào)動職工的積極性，樹立搶險意識，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)場量測、理論分析、和優(yōu)化施工方法，已初步摸索出泥質(zhì)頁巖變形及施工規(guī)律：(1)關口埡隧道泥質(zhì)頁巖巖性較軟，易風化、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)頁巖節(jié)理裂隙發(fā)育地段，上臺階開挖10天后初期支護常出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，特別是有節(jié)理裂隙水地段更加明顯，針對這種情況，圍巖類別應降低，初期支護及二襯結(jié)構應加強。(3)掘進時必須堅持短臺階法施工，嚴禁使用長臺階法，控制好各工序的施工距離。(4)搞好監(jiān)控量測，工程中應根據(jù)監(jiān)控信息反饋及時修改設計，施工中根據(jù)圍巖情況及時調(diào)整施工方法及支護參數(shù)，實現(xiàn)動態(tài)管理。(5)軟巖隧道隧道工程的主要特點是允許圍巖進入塑性破壞狀態(tài)，其支護的核心是圍巖二次穩(wěn)定問