摘 要:偏压、软弱围岩隧道进洞阶段施工困难,监控量测等是保证隧道安全施工的有力措施。某新建高速公路隧道地处湘西南地区,洞口偏压、围岩软弱,进洞阶段适逢雨季,洞口开挖后出现了大面积的初期支护开裂、混凝土剥落,洞口地表开裂,截水沟压溃,严重影响隧道安全和稳定。将监控量测纳入隧道施工过程,根据预报和监测结果指导施工,保证了隧道的安全和质量。
关键词:隧道 偏压 软弱围岩 监控量测
中图分类号:U44文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)12(b)-0040-03
1 引言
某隧道为新建高速公路控制性工程,左右幅分离,单洞长度3651m,于2009年底开工建设。项目沿线地形属云贵高原向江南丘陵过渡的湘西南地带,区内多为砂质板岩地区,断层、软弱夹层,破碎地层、节理密集带、富水裂隙带广泛分布。
地质调查表明,隧道右洞出口端处于山坳出口,隧址严重偏压,右侧地表平缓,约800㎡水田,常年有小溪状流水,表层为残坡积种植土,植被发育,砂漏层。春夏属湘西南地区雨季,阵雨、暴雨随时而至,降水在地表漫流渗入,下有浸泡围岩使得围岩泥化,软弱,岩体抗剪强度大大降低,增大衬砌压力,严重影响洞口边坡和隧道围岩的安全和稳定。
根据设计,隧道右洞出口端按V级围岩施工,施工参数为S5a:初期支护采用C20喷射混凝土,厚24cm,18型工字钢闭合环,间距75cm,超前小导管16环,D25注浆锚杆,长3m,0.75×1.00m布置;二衬厚度45cm,C25钢筋混凝土结构。明洞交接桩号YK117+796。
2 超前预报
本隧道采用地质分析法和地质雷达相结合的方法进行超前预报。地质雷达为SIR-3000型,采用100MHz天线。
超前预报表明,隧道出口端里程YK117+796~YK117+710范围围岩为强~中风化灰白色砂质板岩,岩体破碎软弱,节理裂隙发育,陡倾角,裂隙水发育,局部呈滴水状,围岩整体稳定性差,局部区域有软弱破碎断层穿过。水对围岩稳定性影响大,岩石遇水宜溶。
根据预报结果,隧道开挖后易产生坍塌和大变形,掘进中注意施工工艺,预留核心土,做好超前支护,开挖后及时进行喷锚支护,做好防突水突泥、防坍塌预案。对预报显示的局部软弱围岩地段采用6m长φ42双层超前小导管预支护。
3 监控量测及施工措施
为确保隧道施工期间的安全性,并对可能发生危及安全的隐患或事故及时、准确地预报,引入监控量测制度并贯穿整个施工过程[1]。
监控量测在洞口段每5m布置一个量测断面,每个断面布置1~2条收敛测线(每台阶断面布置1条收敛测线)和3个拱顶下沉测点。按照规范要求当量测速率大于5.0mm/d或累计值超过规范规定值或设计值时,表明围岩处于急剧变化状态,应报警并进行加固(1)。根据设计文件,本隧道V级围岩预留变形量为12cm。
由于隧道右洞出口端围岩软弱、洞口偏压,加上进洞阶段适逢雨季,整个进洞阶段历时近5个月,整个施工过程主要可分成5个阶段,如图1隧道施工过程图,图中①~⑤为施工5个阶段,图中文字说明为阶段施工过程和施工加固措施。
(1)阶段一:裂缝出现、发展,量测结果变化明显。洞顶、边坡注浆,超前大管棚加固;
截止2月8日,上台阶掘进至YK117+760,累计掘进36m。2月20日复工后,发现洞口端初期支护出现多条斜向裂纹,裂缝长度1~7m,最大宽度4mm。洞内出现多条沿拱架裂纹,从拱脚延伸至拱腰,且裂缝持续发展;洞内个别钢支撑表面混凝土剥落。洞顶边坡出现多条裂缝,特别是偏压左侧截水沟多处开裂挤溃,经观测洞口围岩和边坡处于不稳定状态,掌子面停止掘进。
监控量测表明:近掌子面监测断面,随开挖扰动,量测数据变化明显,YK117+773和YK117+763断面周边收敛速率达到-0.74~-1.85mm/d,拱顶下沉速率为-2.39~4.68mm/d,位移不稳定状态持续变化至掌子面停止掘进后,如图2和图3监测断面YK117+773和YK117+763位移和速率变化曲线。
3月4日开始进行洞口洞顶边坡注浆和超前大管棚加固。管棚采用φ108无缝钢管,壁厚6mm,节长3m,水泥-水玻璃浆液,注浆初压0.5~1.0MPa,终压2.0MPa。在山凹区域新修截水沟,汇聚前方地表水,并引出隧道影响区。
(2)阶段二:裂缝持续发展,钢拱架的混凝土剥落,洞口段初期支护进行注浆加固;
3月,初期支护混凝土裂缝继续发展,从拱脚延伸至拱腰,钢拱架的混凝土剥落扩大,隧道洞内较大范围渗水,雨天局部位置滴水如淋雨状。3月10日开始对洞口段初期支护进行注浆加固。φ42注浆花管,注浆材料采用水泥浆,水灰比1∶1,注浆压力0.6~1.0MPa。
监控量测表明:3月中旬,洞口边坡注浆后,量测速率显著变小,但仍未稳定,特别是3月底4月初连续几天下雨,洞口监测断面每天沉降达到-0.30~-0.70mm。
(3)阶段三:仰拱开挖,掌子面恢复掘进。
3月26日开始进行下导仰拱施工,至4月底洞口段40m仰拱施工完成。掌子面恢复掘进,按V级围岩施工,施工参数为S5a,上下台阶,预留核心土开挖,局部软弱围岩地段采用6m长φ42双层超前小导管预支护。
监控量测表明:4月初,随下导仰拱施工,监控断面量测数据明显变大,周边收敛速率达到-1.29~-1.84mm/d,拱顶下沉速率为-0.26~0.71mm/d,其中YK117+773累计收敛达到-40.9mm,累计拱顶下沉达到-55.03mm。4月中旬,该区段仰拱施工完成,量测结果变小,周边收敛速率达到-0.44~-0.86mm/d,拱顶下沉速率为-0.41~0.46mm/d。
(4)阶段四:围岩支护变形加剧,变形超限段增设套拱和临时仰拱。
4月~5月,雨季雨量充沛,隧道洞内有较大范围渗水,局部如淋雨状。裂缝继续发展,最宽裂缝达到3.0cm。钢拱架的混凝土剥落,特别是拱顶和拱脚区域,在渗滴水作用下,混凝土剥落严重。洞口地表喷射的混凝土多处开裂,截水沟多处严重挤溃,最宽处达到6.0cm,如图6和图6。洞口边坡含水较丰富,地表径流汇集渗入,土体的摩阻力减少,加剧洞内围岩的不稳定状态。
监测断面YK117+773和YK117+763量测数据较上一周明显变大,周边收敛速率为-1.09~-1.53mm/d,拱顶下沉速率为-1.10~-1.21mm/d。
5月上旬,量测速率持续变大,周边收敛速率达到-5.00~-5.36mm/d,拱顶下沉速率达到-3.99~-4.84mm/d,YK117+763累计收敛-100.60mm,拱顶累计下沉-87.0mm,量测速率大于5.0mm/d时,围岩处于急剧变化状态。监测断面YK117+753收敛速率达到-3.50mm/d,拱顶下沉速率达到-16.45mm/d,累计周边收敛-51.40mm,拱顶累计下沉-148.40mm,累计量测变形值超过设计最大允许值,局部初期支护侵限。基于此,发布监控预警指令,掌子面停止掘进,洞口段围岩支护进行注浆加固,YK117+747~YK117+736段增加套拱和临时仰拱(图4,图5)。
5月5日,初期支护混凝土裂缝扩展延伸,混凝土剥落区域加大,洞口段进行注浆加固,YK117+747~YK117+736增加套拱和临时仰拱。套拱采用全环I18钢架,与原支护喷混凝土密贴,φ42小导管锁脚。临时仰拱采用I20钢架,上下布设φ22@1000连接筋,拱内浇注C25混凝土,每榀设置。注浆采用水泥浆,水灰比1∶1。
监控量测表明:注浆加固后,量测数据变化趋缓,至5月下旬,监测断面YK117+773和YK117+763周边收敛速率为-1.11~-1.49mm/d,拱顶下沉速率为-0.68~-1.08mm/d,围岩支护仍不稳定,YK117+730~YK117+770区域已施工段初期支护喷射混凝土裂缝继续发展,从拱脚延伸至拱顶区域,呈闭环发展趋势。
(5)阶段五:施做二衬。
监控量测表明:5月底,监测断面YK117+773和YK117+763周边收敛速率为-0.34~-0.59mm/d,拱顶下沉速率为-0.04~-0.49mm/d,二衬准备施工。6月初,洞口段15m明洞和30m二衬施工完成,持续观察后,二衬未见异常。
在洞口段的整个施工过程,监控量测和超前预报实时反映了围岩和支护的变形情况,量测结果对隧道施工进行有效的指导,预防了事故的发生,体现了“动态施工”的目的,确保了隧道施工的安全和质量。
4 施工总结
分析认为,造成本隧道洞口施工困难主要有以下几方面原因:
(1)地质方面:隧址严重偏压,围岩级别低,有软弱破碎带穿过。洞口山体对围岩支护不仅有偏压作用,而且还有线路方向的强大推力,导致洞口套拱出现明显的斜向裂缝。
(2)水文方面:隧道进洞阶段为雨季,严重影响围岩和支护结构的稳定。地表边坡未做良好的做喷锚处理,雨水经砂漏层渗入加剧破坏围岩稳定。
(3)施工方面:施工工序不合理,仰拱未跟进,不及时闭合;初期支护存留时间太长,围岩支护不稳定,导致支护变形量大;二衬未及时施做。
虽然造成偏压、软弱围岩隧道进洞阶段施工困难的原因是多方面的,但通过将超前预报和监控量测纳入隧道施工过程,并根据监控量测结果来指导施工,是保证了隧道的安全和质量的有效措施。本隧道施工过程根据超前预报和监控量测结果提出了以下有针对性的措施,保证了隧道施工安全和施工的顺利进行。
(1)掘进中注意施工工艺,预留核心土,做好超前支护,开挖后及时进行喷锚支护,做好防突水突泥、防坍塌预案。
(2)确保锁脚锚杆施工质量,控制超挖,保证回填质量。
(3)确保仰拱施工紧跟,尽早封闭成环,下导坑开挖采用跳槽的形式,一次开挖长度不可过长。尽早进行二衬施工,防止围岩变形过大。
(4)在初衬水量较大处加密环向排水管的间距,达到良好排水的目的。
(5)注意洞内外排水,边坡裂缝及时封闭,地表径流引流至排水沟,使雨水顺畅排出隧址区,防止雨水冲刷、入渗,影响边坡和洞内围岩稳定。
5 结论
(1)偏压隧道,开挖进洞困难,应先采取防止偏压措施,改善山体的稳定条件。
(2)软弱围岩隧道应坚持“管超前、短开挖、严注浆、弱爆破、强支护、勤量测、早封闭、快衬砌”的施工原则,注意锁脚导管、锚杆施工质量,控制超挖,开挖后及时进行锚喷支护,确保喷层质量。
(3)超前预报和监控量测是确保隧道安全,保证施工进度的重要措施,应贯穿整个隧道施工过程。
(4)对于软弱围岩,随着围岩的固结和流变,作用在支护上的荷载会越来越大,为避免围岩支护变形过大,二衬需及时施做,不必拘泥二衬施做的稳定条件。
参考文献
[1]《铁路隧道监控量测技术规程》(TB10121-2007).
①作者简介:吕曹炯(1982— ),男,工程师,2001年毕业于西南交通大学应用力学与工程系。