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公路隧道穿越卵石地层技术的探讨

我国在较为单一岩土地层中的隧道修建技术方面已经积累了丰富经验，相比之下，卵( 砾) 石类地层中隧道的设计及施工经验相对缺乏。卵( 砾) 石类地层( 砂卵石、卵砾石) 作为一种特殊的岩土结构，其物理力学性质介于土与岩石之间，由于胶结不良，结构较松散，整体性差，围岩结构受扰动易发生失稳破坏，遇水时细颗粒易淘蚀流失，施工中易发生较大的收敛沉降而出现坍塌、甚至冒顶，一般通过加强超前预支护等措施加以克服; 对于卵( 砾) 石类地层分布规模较大的隧道，可采取深孔注浆进行加固。鉴于穿越卵砾石地层不但施工困难，施工进度慢，而且施工安全风险大，因此有必要对穿越卵砾石地层技术进行探讨。
    兰海高速甘肃武都至罐子沟段四科湾隧道位于洛塘镇洛塘河左岸，按双向4 车道设计，隧道最大开挖宽度达13. 2m; 隧道右线长938m; 左线长960m。隧道最大埋深172. 0m，最小净距16. 2m，属石质小净距隧道。本文针对四科湾隧道穿越卵砾石地层施工期间的变形破坏特征及处治对策进行分析，以供同类工程参考借鉴。
    1· 隧址区工程地质条件
    隧址区属构造剥蚀中山地貌单元，位于秦岭印支褶皱带，青藏高原南缘，隧道段海拔高程1050. 0 ～1243. 3m，隧道进出口均处于河岸，山势陡峻，相对高差大，山体较破碎主要穿越第四系松散堆积层、卵砾石层和下古生界碧口群砂质板岩夹千枚岩、变砂岩地层。隧道纵断面如图1所示。

隧道洞身在桩号段落ZK92 + 513 ～ ZK92 + 620 段处穿过卵砾石地层。该地层主要为古河床阶地侵入，侵入界面为圆弧形，最大埋深接近于隧道仰拱部位，2 侧逐渐抬高，隧道进入变砂岩地层; 该地层孔隙度大，卵石、砾石间充填砂质土、泥岩、泥钙质碎屑岩等碎屑介质，胶结差，透水性强，该段地下水较发育，含水量大。典型的掌子面围岩情况如图2 所示。

    2· 原设计及施工情况
    由于四科湾隧道卵砾石地层为古河床阶地侵入，在勘察设计阶段并未发现，原设计该段落按照Ⅴ级围岩进行衬砌结构设计，主要设计参数为: 初期支护采用Φ42 × 4mm 超前注浆小导管，换向间距为40cm，每环长度为4. 2m，系统锚杆采用3. 5m 长的D25 注浆锚杆，钢拱架采用I20a 型钢( 间距75cm) ，喷射混凝土26cm，预留变形量12cm，二衬采用C25 模筑钢筋混凝土。
    四科湾隧道在穿越卵砾石地层施工期间，已施作衬砌出现环向和斜向的开裂，最大裂缝达6mm，在上台阶施做完毕的初期支护拱部出现掉块; 同时由于卵砾石层胶结弱，整体性差，卵砾石易从超前小导管间掉落，坍塌，导致掌子面处围岩出现了下沉变形、小规模的塌方破坏现象; 为防止侵限，最大预留变形量设为38cm; 两侧拱架落底施工时，边墙地下水呈线状或股状流出，积水严重。
    3· 隧道失稳处治设计及施工
    3. 1 隧道失稳特征及破坏机制
    隧道属于地下工程，地下水尤其是基岩裂隙水的发育情况是复杂的，加之岩体地质情况亦不均匀，局部范围内有时变化较大，在基岩裂隙水发育程度增大、岩体地质不良时，卵砾石、砂卵石、破碎变砂岩地层围岩发生开裂，岩体大体积介质( 卵石、漂石、大粒径砾石等) 之间的泥钙质填充物泥化软弱、砂质碎屑进一步松散，导致掌子面岩体发生开裂，掌子面拱腰以上发生掉块、局部坍塌现象，进而隧道围岩变形增大，突破预留变形量，对支护结构造成较大的挤压，致使防排水、初期衬砌发生破坏，如图3所示。

    隧道发生失稳是由地质构造、岩性、岩体结构、地下水、开挖等多因素共同作用的结果。
    岩石力学表明: 岩体由岩块及地质结构面组成，岩体强度不仅与岩块的强度有关，更与地质结构面的强度相关，即岩体强度是岩体中各组成物质强度的综合反映，其中软弱结构面、松散软弱组成物强度往往起到控制作用。对于四科湾隧道穿越的卵砾石、砂卵石，岩性非均质、非连续性强，岩体中的卵石、砾石强度相对较高，而其间的胶结物，例如泥钙质胶结的碎屑岩，强度很低，在受到围岩压力时，卵砾石之间的充填物、充填物与卵砾石接触面往往成为裂纹萌生、扩展所在，例如图4 ( a) ，裂纹分布在软弱松散的充填物和较大粒径卵石周围。

    已有较多的试验、现场观察表明: 岩体尤其是软岩在地下水作用下，其粘聚力、内摩擦角等力学参数均下降。四科湾隧道卵砾石岩体的孔隙度高，有利于水分浸入，充填物为泥钙质胶结，胶结物中粘土矿物含量高，与水发生化学作用，并导致微观结构劣化，从而产生一系列物理破坏现象。其中，粘土矿物吸水膨胀与崩解机制导致岩体内部产生不均匀应力，产生大量的微孔隙，破坏原有内部结构体系，使岩体碎裂解体，而泥质胶结的软岩比钙质胶结、硅质胶结的软岩崩解性更强; 离子吸附交换机制导致物质微观结构改变，胶结变弱，进而使岩体力学强度降低。
    此外，在岩体中开挖隧道时，隧道周边围岩应力状态由三向应力状态变为二向应力状态，切向应力增度重新建立力学平衡为止，从而在隧道周围产生破裂区。
    卵砾石地层隧道围岩坍塌发展过程如图4 示意所示。四科湾隧道卵砾石地层变形破坏总体机制为: 孔隙度高、强度低的岩体在地下水作用下，力学性能、完整性进一步变差，在开挖卸荷应力作用下，产生较大范围的破裂区，开裂沿着薄弱的充填物之间以及卵砾石与充填物接触面萌生、扩展，水溶液进一步在空隙中渗透并与充填物颗粒发生化学、物理作用，导致破裂区向深部发展，作用在支护结构上的围岩压力越来越大，当岩体与支护的共同阻力不足以抵抗该松散围岩压力时，便发生变形破坏失稳，形成扰动松散区，造成坍塌。当围岩很弱、支护不及时、处治不当时，坍塌继续发展，若隧道埋深较浅时，坍塌延伸至地表，致使地表坍塌。
    3. 2 隧道失稳处治措施
    根据地层岩性、隧道失稳特征，从隧道的施工工艺、衬砌结构采取了相应的处治对策。
    首先通过施工工艺主动的减少因开挖产生的扰动变形和卸荷变形，进而控制变形过大诱发开裂、坍塌破坏。四科湾隧道穿越卵砾石层段采用上下两台阶预留核心土分部开挖法，如图5 所示，施工主要步骤:1、开挖导坑上半段面( 留核心土弧形开挖1 － 1) ;Ⅰ、上导坑拱部初期支护，并施做下环超前支护; 2、开挖上台阶核心土( 1 － 2) ; 3、交错开挖下半断面左、右侧壁导坑2 － 1; Ⅱ、下半断面左、右侧壁导坑交错初期支护; 4、下半断面核心土开挖2 － 2;Ⅲ、仰拱初期支护; Ⅳ、仰拱二次衬砌、仰拱填充;Ⅴ、全断面模筑二次衬砌。同时，严格控制开挖进尺，减少开挖卸荷，充分利用围岩空间支撑效应，初大，超过岩体强度时，岩体发生破坏，直到在一定深期支护I20a 型钢间距调整为50cm，开挖进尺按照50～ 60cm 控制。

    由于按照一般的4m 左右的小导管长度，10 ～ 15°的斜插角，导管顶端会外偏80 ～ 100cm 左右，相当于人为的切割扰动了卵砾石地层，造成拱顶的坍塌，为减少超前支护端部对拱顶松散土体的“切割”效应，同时加强超前支护的预加固作用，超前小导管采用双层布置，内层长度为2. 0m，斜插角度为5 ～ 8°; 外层长度为1. 2m，斜插角度为10 ～ 12°，环向间距调整为30cm; 超前支护注浆采用水泥－水玻璃双液浆，水玻璃浓度为Be’ = 35 ～ 40，模数为2. 8 ～ 3. 1 水灰比为0. 75: 1 ～ 1: 1，注浆压力为0. 7 ～ 1. 2MPa，以此通过超前小导管注浆加固在隧道周边形成整体的“拱支护”效应。
    针对拱脚卵砾石层遇水浸泡，结构松散，承载力下降，导致支护下沉，为加强拱架的拱脚支撑，将原设计锁脚锚杆调整Φ42 × 4 m 锁脚锚管，并在拱架2侧拱腰各增加2 根锁脚锚管，2 侧拱脚及墙脚锁脚锚杆长度调整为4. 0m，并且施工过程中严格控制锁脚锚管的施设角度，要求按照与竖直方向成30 ～ 45°控制，并对拱架和锁脚锚管的连接方式进行了优化。
    对于钢拱架与锁脚锚管连接方式，一般是锁脚锚管( 杆) 直接焊接钢拱架之上，焊接工艺的好坏直接决定钢拱架支撑效果，特别是在软弱、无自稳能力的围岩中。为了保证锁脚锚管( 杆) 的效果，使钢拱架和锁脚锚管( 杆) 之间的连接更加牢固，极限承载能力得到提高，减小钢拱架的纵向及径向位移，对钢拱架和锁脚锚杆的衔接上应进行优化设计。将锁脚锚管设置于钢拱架两侧，采用Φ22 圆钢加工成的钢筋卡，包裹锁脚锚杆且紧贴型钢拱架翼缘，然后采用堆焊技术焊接固定为一体。
    针对岩体中泥岩、碎屑岩泥化膨胀，采取“抗、放”结合方法，不但通过被动的衬砌结构加强和施工工艺的调整对抗围岩的松弛变形破坏，同时结合现场实测数据，将预留变形量调整为28cm。
    经多次现场勘察，掌子面施工至ZK92 + 538 处要有所好转，图6 为采取处治对策后的监测数据。

该支护设计参数与施工方法对于地下水不发育情况下胶结良好的卵砾石地层是有效的，如图7 所示，监测数据表明: 隧道围岩累计水平收敛在8cm 左右趋于稳定，累计拱顶沉降在接近12cm 时趋于稳定。

    3. 3 经验及教训
    卵砾石地层由于其地质形成原因，地下水通常较发育、胶结充填物较松散，易被动水冲蚀，此类地层中修建隧道，围岩自稳性差，在勘察阶段要仔细判明地下水发育程度、岩体颗粒粒径组成、胶结程度等信息，设计施工时需采取小进尺开挖、强支护手段、针对岩体渗透系数采取合适的注浆技术，在近接卵砾石地层施工时，严禁爆破，需采取人工或机械开挖，以减小对卵砾石地层的扰动破坏。
    5· 结论
    ( 1) 卵砾石地层由于地下水浸泡，围岩变得松散，细颗粒被淘蚀，胶结程度降低，易发生围岩开裂、掉块、局部坍塌。
    ( 2) 卵砾石地层失稳的主要原因为胶结程度差的原状岩体在开挖卸荷、地下水浸泡冲蚀等作用下，力学性能急剧降低，岩体渐进破裂导致围岩压力荷载增大，支护刚度不足，从而导致坍塌失稳。
    ( 3) 采取的处治对策: 增强支护强度和刚度，超前小导管的长度宜控制在1. 2 ～ 2. 0m，小导管的长度与开挖进尺、拱架间距协调配合; 通过缩短开挖进尺，与施工循环进尺配合，方可真正发挥其良好的超前支护作用，减少对原岩扰动; 加强拱脚支护、减少拱脚下沉量; 针对岩体中膨胀矿物吸水松散膨胀，适当加大预留变形量，监测结果表明，上述处治对策是有效的。
    ( 4) 针对软弱地层，除通过加强工程措施来抵抗围岩的失稳破坏外，加强施工工艺的针对性也是一个重要途径。合理的施工工艺，可减少扰动变形形成的累积应变，避免应力集中导致各种工程事故。
    由于岩体复杂性，隧道工程设计、施工具有很强的实践性和经验性，对于隧道失稳机制的深入认识尚为初步，有待进一步的理论、试验、现场综合研究揭示，本文初步解释了卵砾石地层隧道失稳机制，可以为同类工程问题提供参考。

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点击次数：更新时间：2016-5-25 14:28:09 【打印此页】【关闭】

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