隧洞穿越高应力压密散体施工对策及其适应性分析
时间：2023-02-17 08:50:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
郝俊锁，尹 黔，李 勇，刘俊峰
(中铁十八局集团第二工程有限公司，河北 唐山 064000)
滇中引水工程是云南省贯彻落实习近平总书记考察云南重要讲话精神，努力实现“民族团结进步示范区、生态文明建设排头兵、面向南亚东南亚辐射中心”、“三大定位”的战略支撑工程，是国务院批准、国家发展改革委员会和水利部确定的172项重大节水供水工程中的标志性工程之首，具有“六项世界之最”、“十大世界级技术难题”。其中，狮子山隧洞地处大理白族自治州洱海西岸，全长29 419 m。隧洞DLⅡ46+857—47+073段处于FⅢ-102和F16断裂构造夹持带，受区域构造影响处于高-极高应力状态，页岩岩体产生极严重的挤压变形，极破碎，呈散体压密结构，具有显著的卸压失稳、挤压变形特征。
针对隧道及地下工程遇到的高地应力条件下散体压密结构，现有文献主要研究其大变形地质问题。例如，赵福善[1]以兰渝铁路两水隧道为依托，采用分级动态管理，结合信息化监测，探索和研究了高地应力条件下千枚岩及炭质千枚岩散体压密结构地层变形控制技术。陈秀义[2]通过室内试验和理论分析对关山隧道高地应力状态下硬质碎裂围岩的变形破坏特征与机理进行了研究，并提出相应治理措施。李守刚[3]通过数值计算和数据监测，对关山隧道大变形区段变形规律和防控技术进行了研究，得出隧道围岩的变形和应力分布规律，并优化隧道衬砌支护结构。周亚萍等[4]以新疆某高埋深水工隧洞为依托，通过现场测试和强度理论推断岩爆发生的可能性。高地应力条件下散体压密结构具有特殊的围岩特征与变形特性，针对不同的围岩地质环境特征，选择的施工工法、设备与地质条件相适应性以及支护变形控制仍有待进一步深入研究。
本文依托滇中引水工程狮子山隧洞工程，通过现场地质调查，总结分析了高地应力条件下散体压密结构的变形破坏特征；
提出施工应遵循“预支护、快掘进、快支护、快闭合”的原则，实现安全快速施工、有效抑制围岩变形破坏的目的，并进一步阐述了适用于该地质条件下的针对性施工措施。
2.1 区域地质构造
狮子山隧洞位于青藏断块东南部“川滇棱形地块”构造部位，沿线断裂及褶曲发育，如图1所示。输水线路大地构造跨越扬子准地台(I)的丽江台缘褶皱带(I1)和川滇台背斜(I2)两个二级构造单元，二者以程海—宾川断裂(F16) 为界。以西位于澜沧江与金沙江分水岭地带，属鹤庆—洱源台褶束三级构造单元，为NW向三角形构造断块区，属于帚状构造带，主要以NW向主干断裂构造发育及多期岩浆岩侵入为主要特征，岩性以古生界硬质岩居多。以东位于金沙江与红河水系分水岭地带，为滇中复式向斜褶皱区西缘，属滇中台陷三级构造单元，主要以多个近SN向区域性复式褶皱发育及“滇中红层”沉积为主要特征，断裂稀疏发育，以软质岩为主。
图1 隧洞DL46+857—47+073段平面与纵断面示意图Fig.1 Plane diagram and longitudinal section of DL46+857-47+073 segment of Shizishan tunnel
2.2 地层岩性
隧洞DL Ⅱ 46+857—47+073段埋深229～233 m，处于FⅢ-102和F16断裂构造夹持带，岩性为D1l钙质页岩、炭质页岩，局部经构造动力作用变质，出现糜棱岩化特征，属极软岩。其饱和抗压强度 受构造挤压影响，软弱挤压泥化夹层发育，主要有4组结构面：①构造挤压泥化条带110°～130°∠65°～82°，纯泥型，微起伏光滑发育，发育镜面及擦痕； 图2 隧洞围岩局部挤压构造Fig.2 Local extruded structure of surrounding rock of tunnel 依据地下水蕴藏介质、水动力特征、埋藏及分布条件等因素，该段地下水主要为基岩裂隙水，渗透系数较小，涌水量较小，主要表现为沿结构面渗水，深部起隔水作用。掌子面局部有线状水流出，流量约0.5～1.0 L/s。 综上所述，狮子山隧洞DLⅡ46+857—47+073段地质环境复杂，挤压构造作用强烈，岩质极软，极破碎，呈散体压密结构，属典型的高应力软岩隧洞。 3.1.1 散体压密结构特征 地下工程常遇到的散体状岩体结构主要为断层破碎带、强风化及全风化带，其结构特征主要为岩体破碎，岩块夹岩屑或泥质物，构造和风化裂隙密集，结构面错综复杂，多充填黏性土，形成无序小块和碎屑，完整性遭极大破坏，稳定性极差，接近松散体介质。埋深较大时，受围压及高地应力作用，呈散体压密状，主要特征表现为：①由构造作用形成极破碎岩体，结构体块度一般<10 cm； 3.1.2 卸压失稳坍塌呈“流砂”现象 施工过程中，当管棚对周围岩体固结效果不理想时，开挖期间拱部出现散粒岩体、泥化岩体从管棚间溜塌的情况。这主要是由于该段先期应力荷载强，开挖后受应力释放，围岩承受的变形松弛荷载较强，导致原本压实闭合的结构面张开滑移，以及围岩岩体进一步碎裂化呈松散状，碎石、岩屑通过超前大管棚间隙出现溜渣，表现为“流砂”现象，拱部管棚端部支撑脱落，在松散岩体滑移推动作用下发生了挠曲、弯折变形，如图3所示。 图3 隧洞开挖卸压失稳Fig.3 Unloading instability caused by tunnel excavation 隧洞开挖揭露显示：在地层压力的作用下产生掌子面挤出变形，易滑塌失稳，如图4所示。这主要是由于隧洞穿越散体压密结构地层，围岩强度刚度很低，极破碎局部呈糜棱岩化、泥质化，结构面抗剪强度极低，不能形成拱效应，围岩松弛导致掌子面核心岩体发生挤出变形。 图4 隧洞掌子面挤出Fig.4 Extrusion of tunnel face 无论从强度应力分析，还是从施工期变形监测来看，该洞段均处于严重挤压变形状态。围岩的变形破坏表现为松动圈深度扩展特点，引起围岩及支护结构的破坏，导致岩体侵入隧洞设计界限，称之为侵限。例如，监测变形情况为DL Ⅱ 46+893—914.5段侵限均超过100 mm，最大变形累计450 mm； 图5 隧洞变形与三维监测Fig.5 Deformation and three-dimensional monitoring of the tunnel 综上，隧洞穿越高地应力条件下散体压密结构地层，典型变形破坏形式表现为：围岩碎裂化、拱部呈“流砂”状坍塌、掌子面挤出失稳、围岩与支护变形、初支开裂、钢架扭曲变形等。 4.1.1 围岩加固与注浆工艺的选取 隧洞开挖揭示散体压密结构具有易扰动、损伤快速劣化的特点，且该段构造规模大、坍塌风险极高，严重危及工程施工安全。因此，确保施工安全是此类洞段在施工期的首要事项。注浆加固可增大岩体内部块间相对位移的阻力，提高围岩的整体稳定性； 选用周边固结注浆，施作范围为起拱线以上，布置3环，间距1.6 m，排距1.2 m。长度与超前大管棚长度相同，均为15 m。钻孔采用ST-20钻机，钻孔直径120 mm，按先外圈、后内圈的顺序进行，同一圈由下往上、左右交替间隔施作。按发散-约束型注浆“先外后内、间隔跳孔”原则进行。采用纯水泥浆和水泥+水玻璃双液浆，当钻孔出水量Q≤30 L/min时采用单液浆进行灌浆，当钻孔出水量Q>30 L/min时直接采用水泥-水玻璃双液浆进行灌浆施工，纯水泥浆水灰比为3∶1～0.5∶1.0。水泥-水玻璃双液浆中，水泥浆与水玻璃浆液质量比为1.0∶0.3～1.0∶0.6，其中水泥浆水灰比0.8∶1.0～1∶1，水玻璃浆水灰比0.3∶1.0～0.6∶1.0。在设计压力3～5 MPa下，注浆注入率≤5 L/min继续灌注30 min，即可结束。 从实际注浆效果来看，由于散体压密结构本身为弱透水地层，可注性不佳。其主要原因是围岩在水作用下软化，泥质充填物在注浆压力作用下挤压密实，注浆浆液流受到泥质充填物阻挡而使其扩散范围减小或削弱，难以达到有效固结围岩的效果。但在3～5 MPa的高压灌注下以注浆孔为中心向四周层间挤压形成网格状结构，起到改善地层、提高围岩承载能力和稳定性的作用。注浆效果如图6所示。同时，掌子面锚杆+注浆的组合加固能提高掌子面的稳定性，抑制掌子面的挤出和松弛区域的扩大。 图6 散体压密结构注浆效果Fig.6 Grouting effect of loose consolidated structure 4.1.2 超前大管棚支护与施工设备配套选型 该段处于构造夹持带，为防止围岩下沉或坍塌，设置Φ108(直径单位均为mm,下同)管棚超前预支护，确保暗挖安全顺利施工。在散体压密结构地层施作大管棚遇到的难点有：①钙质页岩、炭质页岩地层遇水快速泥化崩解； 针对DLⅡ46+857—47+073段地质情况和施工难点，结合加固效果、设备的适应性及施工效率等进行了现场工艺试验，选用施工工艺如下：①采用常规的国产履带式钻机，先造孔后一次性插杆法施作，难以解决散体压密地层塌孔的问题； 4.2.1 及时强支护 及时强支护包含两层涵义：①隧洞开挖后及早施作支护结构； 4.2.2 抑制变形措施 “及时强支护”体系过早地约束了围岩变形，有效控制了围岩卸荷松动扩展深度。这样，岩体形变未能充分释放，即未通过“让”来降低作用在支护上的围岩压力，而是以“抗”为主，由支护体系来抵御形变荷载[8]。因此，在减小钢拱架间距增强支护结构整体刚度的同时，有必要增设主动支护锚固体系、长锁脚锚管等抑制变形措施。 4.2.2.1 主动支护锚固体系 系统锚杆采用Φ25让压锚杆，梅花形布置，间距×排距=1.25 m×1.25 m，长L=6 m。设置主动支护的锚固体系是为了充分调动围岩承载能力[9]。经让压锚杆施锚后的围岩，相当于获得了由上、下各一对对向的锚杆向施锚区围岩施压的一簇恒定支护力。同时，在施锚区的围岩塑性软化区内施作了压力灌浆。这样，施锚区内围岩的整体性及其变形刚度和抗剪强度均有相当程度的提高，沿隧洞周圈围岩形成承载结构的“组合拱”。 4.2.2.2 设置加强锁脚锚管 隧洞穿越散体压密结构采用多台阶分部开挖，工程实际中支护闭合滞后，变形则较难控制，设置锁脚是抑制变形的有效手段[10]。加强锁脚施工示意图如图7所示。 图7 加强锁脚施工示意图Fig.7 Construction schematic of strengthening lock feet 每排锚管横向设置2根锚管； 隧洞支护完毕后，由于高地应力条件下散体压密结构易发生挤压突变，需对围岩变形等进行动态监测，对潜在危险区域预警，并进行局部加强支护[11]。 4.3.1 监控量测 施工监控量测包括拱顶下沉、净空变化、拱脚下沉、掌子面变形等。从DLⅡ46+857开始按5 m一个监测断面进行设置，应用三维激光扫描仪进行全方位监测，主要掌握微台阶法工法对围岩变形的影响及锁脚的受力情况。隧洞上中下台阶施工完成后，如该段量测数据变化较大，变形速率达40 mm/d或总变形量接近100 mm时，或支护结构发生混凝土开裂、脱壳等现象，及时采取临时应急加固措施，增加临时横撑。 图8为三维激光扫描的典型断面监测数据，断面外数字表示变形超出设计断面的距离(m)，断面内数字表示变形小于设计断面的距离。根据围岩量测与断面扫描数据分析可知：①DLⅡ46+897—907段总变形量超过100 mm，且未明显趋于收敛； 图8 DLⅡ46+905断面监测数据Fig.8 Monitoring data of DLⅡ46+905 section 4.3.2 永久安全监测 在DLⅡ46+910和DLⅡ46+978处设置2个永久监测断面。DLⅡ46+910监测断面设多点位移计和深层锚杆应力计； (1)DLⅡ46+910监测断面多点位移计实测位移介于-0.45～27.25 mm之间，受底板开挖影响，围岩变形均有不同程度的增加，支护完成后未见围岩变形急剧增加的趋势。实测锚杆应力介于-166.3～280.6 MPa之间。受底板开挖影响，锚杆应力均有不同程度的增加，围岩变形及锚杆应力总体变化趋势基本一致，支护后未见围岩变形及锚杆应力急剧增加的趋势。 (2)DLⅡ46+978监测断面多点位移计实测位移介于0.01～13.93 mm之间。受底板开挖影响，多点位移计孔口位移均有明显的拉伸。实测锚杆应力介于-10.8～222.11 MPa之间。受底板开挖影响，锚杆支护应力呈现急剧增加的趋势，围岩变形及锚杆应力总体变化趋势基本一致。 (3)DLⅡ46+978监测断面实测围岩基本无渗透压力。 隧洞穿越散体压密结构采取大管棚超前预支护、围岩加固、强支护、施作让压锚杆和长锁脚锚管等针对性施工对策，但仍可能存在多个不确定因素：①高地应力条件散体压密结构具有易扰动性、损伤劣化、遇水软化、各向异性等特性，围岩变形持续时间长、卸荷围压高，对支护衬砌结构安全产生严重威胁； 隧洞穿越散体压密结构坚持“预支护、快掘进、快支护、快闭合”的原则，有效抑制了围岩松动向深度发展与变形。本文所得结论如下。 (1)狮子山隧洞DLⅡ46+857—47+073段处于FⅢ-102和F16断裂构造夹持带，地质环境极其复杂，挤压构造作用强烈，岩质较软，极破碎，呈散体压密结构，属典型的高应力软岩洞段。 (2)高地应力条件散体压密结构地层具有显著的卸压失稳、挤压性变形特征。典型变形破坏形式表现为：围岩碎裂化、拱部呈“流砂”状坍塌、掌子面挤出失稳、围岩与支护变形、初支开裂、钢架扭曲变形等。 (3)针对隧洞开挖揭示散体压密结构具有易扰动、损伤快速劣化、遇水泥化崩解、易塌孔以及地层弱透水致密造成注浆效果差的特点，现场进行工艺试验对比，选择应用ST-20钻机进行管棚超前预支护与围岩加固，施工难题得到解决，实现了安全快速施工。 (4)针对散体压密结构岩体极破碎、应力水平高、形变荷载大、变形速度快的特性，采取“及时强支护”措施，有效抑制围岩松动发展和维持隧洞稳定。同时，设置主动支护锚固体系和长锁脚锚管等措施来抑制隧洞大变形。 (5)针对高地应力条件下散体压密结构易发生挤压突变的问题，加强围岩监控量测和围岩内部应力应变监测，实施动态控制，信息化施工。对潜在危险区域预警，并进行局部加强支护。2.3 岩体结构
②构造挤压泥化条带40°～52°∠51°～63°，延伸长度>10 m，泥夹岩屑型，微起伏光滑发育，发育擦痕及挤压镜面现象；
③页理面产状67°～85°∠42°～58°，延伸长度>10 m，微张0.5～2.0 mm，纯泥质充填，平直光滑发育；
④挠曲发育产状122°～138°∠22°～35°，延伸长度>10 m，张开宽度1～3 mm，泥质充填，微起伏光滑发育。受区域构造影响，岩体破碎，呈散体结构，如图2所示。
2.4 水文地质
3.1 隧洞开挖散体压密结构卸压失稳
②由岩块和岩屑组成，受构造挤压影响，软弱挤压泥化夹层发育，成组性差；
③出现挤压变质糜棱岩化，围岩致密隔水；
④开挖卸载后，围岩碎裂化并快速恶化失稳。
3.2 掌子面挤出
3.3 支护变形
DL Ⅱ 46+914.5—923段侵限范围在100 mm以上，最大变形累计280 mm。且监测数据呈持续变化趋势。该段初期支护出现严重挤压变形，钢拱架扭曲变形，拱顶、边墙均出现不同程度的裂缝及混凝土脱落现象。如图5所示，图5(b)中红色部分为侵限，颜色越红，变形程度越大。
4.1 围岩加固与超前预支护
使破碎岩体重新胶结成整体，形成承载结构。
②散体压密地层易塌孔；
③超长段需要加固和洞内空间作业场地狭窄。
②选用XY-2BA地质钻机，配套自进式长大管棚[5]，以管棚杆体作为钻杆，一次性钻进到位，避免塌孔造成的返工，其缺点是地层注浆加固效果差，在散体压密地层减小钢管间距需形成管幕才能有效防止拱部“流砂”现象发生；
③选用ST-20管棚钻机，先造孔后一次性插杆法施作，可实现边钻边注浆加固，解决散体压密地层塌孔的问题。成孔后安装注浆花管，采取孔口高压注浆可有效加固地层。4.2 及时强支护与抑制变形措施
②加大支护结构刚度[6]。该段初期支护措施如下：隧洞开挖断面尺寸为12.6 m×12.6 m的马蹄型，预留变形量20 cm；
拱部180°范围设置Φ108(壁厚d=6 mm)超前大管棚，长15 m，环向间距为30 cm；
Ⅰ20a 型钢架@50 cm，底脚加横撑，Φ25连接筋@100 cm；
喷20 cm厚C20粗纤维混凝土；
全断面铺设150 mm×150 mm的Φ8钢筋网；
设Φ25系统锚杆。针对高地应力条件下散体压密结构，围岩呈碎块或碎屑状，其抗拉强度极低，此时支护目的是消除或减小拉应力。由于隧洞开挖卸荷松动向深部转移，引起围岩应力重分布导致应力集中，过大的切向应力使自身强度极低的围岩达到并超过其屈服极限，围岩处于塑性状态，塑性区的范围影响隧洞破坏的程度[7]。因此，及时支护抑制围岩松动发展和强支护体系抵抗围压是维持隧洞稳定的必要手段。
上台阶每榀钢支撑设12根锁脚锚管(L=6 m，外径Φ42，壁厚3.5 mm)，在拱顶两个连接板处分别设置单排锁脚锚管，两侧拱脚处设置为双排，第一排位置为拱脚上方50 cm以内，第二排距第一排1 m；
中台阶每榀钢支撑设8根锁脚锚管(L=6～9 m，外径Φ76，壁厚6 mm)，两侧拱脚处设置为双排，第一排位置为拱脚上方50 cm以内，第二排距第一排1 m；
下台阶每榀钢支撑设4根锁脚锚管(L=6 m，外径Φ42，壁厚3.5 mm)，设置位置为两侧拱脚处上方50 cm以内。全断面每榀钢支撑共设24根锁脚锚管，锁脚钻孔时角度斜向下20°～25°。4.3 施工监测与安全变形监控
②隧洞产生非对称变形，主要是由于洞室围岩变形破坏受最大主应力方向控制[12]；
③该段初期支护侵限，存在突变与支护失效风险。因此，该段增设第2层I 20a钢架，间距50 cm，与初支钢支撑重叠并紧靠安装；
每环设置12根Φ42、L=6 m的锁脚锚管。
DLⅡ46+978监测断面设多点位移计、渗流渗压计以及深层锚杆应力计。施工期间主要进行隧洞围岩内部位移、应力监测。监测设施布置以《水利水电工程安全监测设计规范》(SL 725—2016)中“水工隧洞监测”作为主要依据，施工期间监测结果为：4.4 隧洞穿越散体压密结构施工原则
②散体压密结构具有特殊的力学特性，变形特性与围岩松弛度、扰动深度、支护时机及支护抗力等相关，由于其变形与受力极为复杂，变形可能难以抑制；
③高地应力条件下隧洞分台阶施作，变形时空效应明显，洞室空间变化可能导致支护体系受力改变而诱发围岩突变；
④下台阶开挖时不可避免拆除临时横撑，拆除时可能导致支护突变。因此，除采用加强初期支护外，为有效抑制高地应力条件下散体压密结构围岩变形，施工应遵循“预支护、快掘进、快支护、快闭合”的原则。该段开挖分上、中、下、底板4个台阶，在满足机械设备作业空间条件下应用微台阶法，尽量减小各台阶高度、缩短台阶长度，尽早使初期支护封闭成环。
