山區隧道富水段圍巖變形控制問題研究目錄TOC\o"1-2"\h\u8263山區隧道富水段圍巖變形控制問題研究 11984引言 110268一、工程概況 11184（一）隧道概況 112409（二）富水段圍巖地質情況 214896二、山區隧道富水段圍巖變形特征分析 216637（一）土層參數影響分析 27597（二）工藝變化對影響圍巖變形特征分析 223939（三）降水加密對圍巖變形的影響 324766（四）設計變更的控制效果 4389三、山區隧道富水段圍巖變形控制技術分析 41973（一）控制要點和控制施工方案 417353（二）預防圍巖大變形的控制措施 819220四、結束語 919536參考文獻 9摘要：在山區的道路工程中會遇到很多施工難點，比如在富水條件下砂巖地層隧道開挖極易產生圍巖的變形。本文以揭惠高速小北山一號隧道富水段圍巖變形段為研究對象，首先介紹了該工程隧道的概況和圍巖地質狀況，通過數據模擬的方式，深度研究了富水段圍巖變形的特征，提出了圍巖變形控制的方案和控制重點，又針對圍巖大變形提出了整治的措施。關鍵詞：山區隧道；富水段；圍巖；變形特征；控制技術；分析引言隨著社會經濟的發展和各項工程技術的不斷成熟，在鐵路、水利水電、公路、城市地下軌道工程等項目的建設中，對隧道的應用面積越來越大，而且以隧道方式穿越富水山體的案例越來越多。但由于富水地段隧道開挖時容易發生圍巖的變形，給隧道工程帶來諸多的施工困難，由此，富水圍巖隧道施工技術的提升和創新是工程設計和施工部門繞不開的課題。本文結合揭惠高速小北山一號隧道富水段圍巖的狀況和處理情況，對隧道富水段圍巖變化特征及施工控制進行分析。一、工程概況（一）隧道概況小北山一號為特長隧道，布設的方式隧道是左、右線分離的形式。隧道左線長3005米，起訖里程ZK14+390-ZK17+390，揭陽端洞門結構利用削竹式，洞口標高設計621.370米，惠來端洞門結構利用削竹式，洞口標高設計421.230米，坡度設定0.65%～-1.69%，隧道深埋最大處約279米。隧道右線長3008米，起訖里程ZK14+380-ZK17+388，揭陽端洞門結構利用削竹式，洞口標高設計621.216米，惠來端洞門結構利用削竹式，洞口標高設計42.181米，坡度0.66%-1.70%，最大隧道埋深約273米。（二）富水段圍巖地質情況小北山一號隧道貫穿丘陵地帶，大起伏的山體地形，發育良好的山體植被。其中，K16+150～K16+600位于龍潭峰～金坑水庫一帶，且ZK16+460左側沿溝谷約300m處分布一口山塘。該處圍巖級別為Ⅳ、Ⅴ級，呈現花崗巖圍巖，不同的風化程度，斷裂破碎帶發育，水源豐富，圍巖穩定性差，易墜落、坍塌；雨季潮濕，裂隙發育部位滴水或淋雨狀。對隧道開挖安全有一定的影響。二、山區隧道富水段圍巖變形特征分析（一）土層參數影響分析擬定富水隧道事故段大變形發生前，已經對大變形段掌子面的主要土層實施了實驗室物理學力學試驗，試驗內容涵蓋顆粒密度、天然含水率、壓縮模量、粘聚力、內摩擦角等基本物理力學參數。治理后，要深度研究加密降水對土層參數的影響，實施了數據測定的實驗，詳細數據見表1所示。圖1土層基本物理學參數類別天然含水率/%天然密度/（g·cm-3）初始空隙比黏聚力/kPa內摩擦角/(o)壓縮模量/MPa大變形前20.031.7440.5602.58027.57348.92治理后14.122.142-18.0236.1178.31（二）工藝變化對影響圍巖變形特征分析1、工藝變化數值的模擬（g·cm-3）試驗的基準是隧道斷面，模擬設定隧道凈跨度12.6米、凈高12.5米，該試驗模型邊界四周取三倍隧道跨度，上邊界到地層按照現場具體埋深125米，前后設定50米的邊界。大變形產生之前圍巖物理基本參數詳情見表1，數值模擬利用三臺階法。設置上、中、下臺階都的長度皆為是4米。大變形產生后進行變更設計，利用三臺階七步法施工。上臺階長度為3～4米，中臺階長度4～5米，下臺階長度為3～4米。本次模型計算選取臺階長度，上臺階3米、中臺階4米、下臺階4米。支護結構計算利用等效剛度法，把混凝土剛度與格柵鋼架剛度進行等效[1]。2、變形特征分析掌子面挖掘到監測斷面位置時，就要仔細觀察斷面位移情況，并進行準確記錄，觀察的重點是掌子面以及前后方一定距離斷面處。模擬實踐和相關數據顯示，本文介紹的施工技術為三臺階七步法，掌骨面最大變形量和拱頂沉降量均小于三步法，對圍巖也只是較小的擾動。對掌子面拱頂施工兩種工法沉降最大值都有差異，三臺階法為18.69厘米，三臺階七步法為15.08厘米，兩者的降低差距明顯。通過模擬的數據可知：從拱肩到拱腳隧道水平收斂都在逐漸增大；三臺階法在二號監測點顯示水平收斂最小值為5.34厘米，在九號監測點顯現最小值為10.87厘米。三臺階七步法對圍巖較小的擾動，二號監測點顯示水平收斂最小值為4.26厘米，九號監測點顯現最大值為10.86厘米。對水平收斂的控制三臺階七步法作用顯著，收斂程度比較三臺階法可最大降低21.5%。實驗模擬結果顯示，擠出掌子面位移較大，并且中臺階為最大的擠出位移。這可以顯示該地質層隧道掌子面不穩定，要求施工中予以考慮，噴樁可以采取超前水平旋進行。而選擇三臺階七步法工藝，掌面移位可達15.28厘米，比三臺階法下降22.5%；各部位比較而言，變形量最大的部位是拱頂，隧道洞周變形最小值在中臺階附近達到，之后越往下會逐漸增大變形量，同時越往下逐漸變形量增大的還有隧道洞周變形最小值，并且拱底的位置隆起很大的位移。變形后呈現扁平狀的斷面。（三）降水加密對圍巖變形的影響模擬大變形產生后，繼續加密降水。降水加密后利用三臺階七步法施工，進一步加密降水。加密降水后采用三臺階七步法施工，通過改變加密降水后對圍巖參數和設計參數的改變，進行變形特征的分析。分析了前后橫斷面拱頂的沉降和水平位移，分析結果顯示，降水加密后拱頂最大沉降值為6.47厘米。比較降水加密前的14.86厘米的沉降縮減了56.24%；針對水平收斂值，降水加密后最大的水平收斂值為4.38厘米，比較降水加密前的11.10厘米縮減了60.08%。通過實施加密降水，顯著抑制了圍巖變形的產生，進一步縮小了水平收斂和拱頂沉降值。加密降水前后隧道中線周圍的位移和變形收斂情況見圖1，圖中降水加密前施工隧道變形情況用實線表示，降水加密后則用虛線表示。從圖1顯示，降水后有效控制了掌子面移位，掌子面最大移位發生在中臺階處為9.03厘米，與降水加密前的14.23厘米相比，大約降低了37%；降水加密后呈現平穩的洞周變形，變化的形態比較貼近斷面，沒有顯示變形量的超大和超小，顯現整體圓滑性。圖1隧道在降水加密前后的變化圖（四）設計變更的控制效果通過分析變更降水設計和統計方式之前、之后拱腳、拱肩、拱腰收斂水平以及拱頂的沉降以及工作面擠壓的最大值，不難看出，設計變更后變形量顯著降低，降低程度為53%～69%。從局部上看，采用三臺階七步法進行作業，可降低21%的變形量；同時進行加密降水，洞周收斂要比加密降水前降低56%～61%，降低擠出位移35%。所以，加密降水與變更施工工藝進行比較，加密降水控制變形的效果更佳。也就是說，對圍巖巖性實施改良，采用降水以及注漿加固等手段控制變形，要比變更工法效果更顯著，并且完全符合實際工程要求。三、山區隧道富水段圍巖變形控制技術分析（一）控制要點和控制施工方案1、圍巖變形控制要點進行鎖腳加肋，也就是將帶孔鋼板焊接拱架背后，鎖腳錨管進行穿孔打設，以強化鋼架加固的效果。可采用22A鋼型做鋼拱架，18鋼型作為臨時仰拱。冷彎成型后的拱架，根據設計要求和開挖方法，每個截面不超過4米，兩端為焊接接頭板，接頭用螺栓連接。制造第一鋼架，并且只有通過試驗組裝后才能批量生產。周圍拼裝產生的誤差為進±3厘米，平面翹曲低于2毫米。設定臺階上端大拱腳為75～95厘米的規格，鎖腳加肋的鋼板規格為30厘米×50厘米。利用Ⅰ級φ10型號鋼筋制作網片，網格間距200×200毫米，其偏差不能超過±10毫米。開挖前務必進行嚴格測量，先查看上榀拱架收斂情況，同時對鉆爆法的控制點實施測量，包括大拱腳的保留變形和外傾角。2、圍巖變形控制施工方案（1）三臺階臨時仰拱法施工的開挖方式是人工配合機械進行，同時利用弱爆破技術輔助。三步臺階暫時仰拱法的關鍵措施是將工作面分成三個部分，以保證工作面的穩定性,即劃分為上、中、下，如果圍巖變形很大，在可以滿足凈空和安全的情況下，要及時封閉①②。如圖2所示。施工順序：進行①部的挖掘，進行初期支護①部的周邊→①部臨時鋼框架（2-3榀i18）在后方5-10米處先拆除→然后在②部臺階周圍采用初始支護→再在②部后方5-10米處開挖③部，同時在初始支護處錯開2米，開挖④部兩側邊墻初始支護→開挖④部的另外地方，利用3～4m沖擊，及時進行初始支護環的開挖（安全距離≤37m)→研究監測數據，等到初始支護收斂絕對穩定，拆除②部臨時支護→iv型倒拱，v型倒拱→有襯砌的vi型墻的二次襯砌。圖2軟弱圍巖三臺階施工流程圖（2）大拱腳施工安設鋼拱架的作業要在完成初噴后及時進行，大拱腳施工同時開始。施工前已經在拱架拱腳處焊接。如果大拱腳施工的開挖空間不足，可以利用風鎬將欠挖空間拓展到位。制作大拱腳的材料是16毫米厚的鋼板和22A型鋼，必修在焊接完成后的大拱腳上預留對接中導的螺栓孔位。鋼拱架設定縱向間距為為60厘米，安裝定位必須精準，滿足凈空規格的標準，安裝時要準確定位，確保凈空尺寸滿足要求，利用鋼楔或混凝土預制塊沿鋼框架外緣以2米的間隔楔入。為了保證鋼骨架整體受力的完好，可采用φ22鋼筋以一米的環向距離進行縱向連接。鋼架拱腳務必坐落在穩固的基巖上，永久及臨時支撐踏板須設置符合支撐規格的25a槽鋼或木方，讓受力面積增大，減輕鋼支撐的沉降[2]。見圖3.圖3大拱腳現場照片（3）錨桿和鋼筋網的施工在該系統錨桿安置的工序中，設計拱部使用的中空注漿錨桿規格為φ25毫米、長5米，設計邊墻使用的砂漿錨桿規格φ22毫米、長5米，間距均為梅花形布設1.2（縱）×1.0（環）m。鋼筋網要在錨桿施工完畢后及時安裝，網片布設沿著鋼支撐外的弧度進行，同時焊接工字鋼。永久支護鋼架布設完畢后，將I18臨時仰拱架設在臺階底部，保持60厘米的縱向間距，永久拱架和臨時拱架之間利用接點板螺栓進行連接。拱架外緣超過拱腳30厘米處焊接加肋鋼板，設定間距20厘米，制作鋼板厚度16毫米、規格分（60×30）毫米，牢固焊接拱架，在鋼板上預留孔徑，規格為60毫米。完成該作業后，可以利用加肋鋼板上的預留孔制作鎖腳錨管，便于圍巖灌漿。（4）圍巖灌漿施工水泥漿水灰比規定為三個等級：1：1.5、1：1、0、8：1，三個等級也是漿液從稀到稠地轉換，首先是稀漿，逐步濃稠到0.8:1為止。要想達到注漿后馬上開挖，最好將適量的氯化鈉溶液與三乙醇胺融入到水泥中，水泥最好使用常規水泥，這樣可以將初凝和終凝的時間縮短，既保證了強度又提升了漿液的可壓注性。現場混凝土的配比要適當，既要有符合標準的強度又要確保圍巖面牢固的粘結度。要圍巖的噴混作業必須分片、分段、分層進行，要從拱腳下面向上進行，可以杜絕噴射到上部的料回彈后虛掩拱腳，先從凹處噴射，之后是凸處，確保墻體表面平整。（5）變形觀測初期支護施工完畢后要馬上進行監測，按照測量的數據調整支護的參數，要精準地確定臨時支護拆除的時間以及二襯施工時間。避免將監測點焊接在鋼架上，而是要在圍巖中打孔單獨安裝。量測點是4厘米的等邊三角形，利用φ8mm的圓鋼制成，焊接在25厘米長的φ20毫米的螺紋鋼筋端頭上，進行標識保護。見圖4.圖4監控量測點埋設（二）預防圍巖大變形的控制措施1、超前地質預報技術該預報技術包括五項內容：地質素描、地質雷達、TSP203、超前加深炮孔、紅外探水技術。預報技術的核心是在地質綜合分析判斷的基礎上，合理應用該預報手段，其中TSP203超前地質預報可以發揮長距離宏觀控制性預報的優勢；超前加深炮孔和地質鉆孔具備驗證性的功能；地質雷達、紅外探水擁有短距離探水和形態探測預報的能力；而地質素描可以進行合理的補充。五項技術綜合應用，為隧道圍巖大變形的控制提供保障[3]。2、超前預加固技術以原有的小導管超前預加固工藝為基礎，針對本文工程地下水豐富和圍巖軟弱的特點，在隧道的富水段施工中應用了袖閥管注漿預加固技術，在隧道開挖區域形成注漿加固圈，注漿加固圈形成于拱頂4米、拱墻外4米、倒拱最低點以下2米處，以有效降低地下透水系數，讓圍巖強度和自穩時間增強，強化了加固和堵水的能力，明顯減輕了隧道拱頂圍巖的松動和冒落。3、加強型初期支護技術隧道面開挖后圍巖的變形控制除了依靠圍巖的自穩定能力外，主要依靠平衡開挖后的初期支護來抵抗地應力，因此，合理有效的初期支護措施是確保隧道施工安全和控制圍巖變形的重要手段。揭惠高速小北山一號隧道富水段施工時，在原方案的I22A工字鋼架基礎提出了優化方案，即提升工字鋼的型號、將工字鋼的間距加密，以此來確保每榀鋼架之連接更牢固，并提出了具體的強型初期支護輔助建議：①提升鋼架的密度；②基于增強地基承載力的需要添加拱腳鋼墊板；③強化鋼拱架縱向連接的能力；④通過強化鎖腳錨管的手段保證質量；⑤添加臨時仰拱。四、結束語綜上所述，在富水山體隧道圍巖施工中本文介紹的處理方案和控制措施，具有流水作業的特點，因為施工進度快，縮短了工期又節約了成本。揭惠高速小北山一號隧道富水段采取了上述描述的組合工藝作業，讓初期支護經常發生的收斂變形問題得以解