贵州桐梓县风沙垭隧道初期支护大变形分析

贵州桐梓县风沙垭隧道初期支护大变形分析

寒风桥隧道位于贵州省桐梓县。这是一条交叉的道路隧道，左右洞的长度为4707米。发生初期支护大变形的地段为隧道右洞K44+800~K45+010段,全长210m。大变形段岩层为中薄层泥质页岩夹粉砂岩,按照“断层破碎带隧道衬砌断面”进行施工,其支护参数为:R32N迈式自进式锚杆L=350cm@80cm×80cm;ϕ6.5钢筋网@150×150;预留下沉量为15cm,采用超前小导管(ϕ42mm)注浆,L=500cm,环距40cm,排间距160cm,并辅以20b型钢钢架作为初期支护加劲措施,型钢拱间距80cm;喷射混凝土和二次衬砌混凝土强度等级为C20,厚度分别为15cm和60cm。1线路围岩内移值最大变形发生在K44+981.8处,其中拱顶下沉57.9cm,水平收敛值最大为197.25cm。用隧道中线检查初期支护往线路中线的内移值,左侧最大为58.71cm,右侧最大为167.96cm;用水平仪测量上半断面型钢支撑腿位置,左侧上抬5.5cm,右侧下沉124cm。对监控量测资料的分析表明,变形速率最大发生在初期支护施工完成后第6~15d内,然后逐步减小,直至初期支护施作完成90d以后,变形基本趋于稳定。2原隧道围岩特点2003年4月8日,我公司会同有关专家,对导致凉风垭隧道初期支护大变形的原因进行分析,认为原因可能为:(1)断层破碎带松弛变形大变形段处于凉风垭F2、F4断层之间,隧道轴线基本平行于两断层面,两侧挤压断层之间产生的多条破碎带,致使岩层特别破碎,造成上下断面型钢拱架拱脚承载力不足,特别是隧道右侧。(2)周边出现塑性破坏区大变形段上半断面开挖过程中有地下水出露,使泥质页岩夹粉砂岩软化,造成洞室开挖后高应力低围岩强度。(3)隧道坍方透顶后应力重组还未结束开挖过程中部分段发生过坍方冒顶,并引起地表沉陷。(4)洞顶地表整体滑移、型钢拱架底部垫板尺寸、施工方法、支护参数的选择等。3民国初年，对大型变形的保护3.1拱加强、提高二次衬砌刚度的整治原则采用“加固围岩、变形留够、及时支护、刚柔结合、限制变形、仰拱加强、提高二次衬砌刚度”的整治原则。同时将初期支护大变形整治常用的“超长自进式锚杆(长8.0~13.0m)”调整为“ϕ42mm径向小导管(长6.0~8.0m)注浆加固围岩”。3.2整体规划(1)初期支护下钢架与原支护的交错布置先采用ϕ42mm径向小导管注浆固结围岩,然后施工内层20b型钢拱架,并与初期支护原已架立的型钢拱架交错布置,再次喷射25cm厚C20混凝土。及时施作二次衬砌混凝土和仰拱混凝土,在二次衬砌和仰拱混凝土中加入受力结构钢筋,同时提高混凝土的强度(见图1)。(2)初期支护处理采取径向小导管注浆固结围岩,然后隔榀跳槽拆换型钢拱架,加大预留变形量,重新施作初期支护,及时施作二次衬砌混凝土和仰拱混凝土。在二次衬砌混凝土和仰拱混凝土中增设20b型钢钢架,同时提高混凝土的强度(见图2)。3.3处理措施3.3.1径向小导管与注浆采用R32N自进式注浆锚杆注浆未能有效地固结围岩,采取增加径向小导管向初期支护背后岩体注浆,以加固围岩,同时降低地下水对围岩的软化作用。径向小导管采用外径42mm,壁厚4mm的热轧无缝钢管加工制成。径向小导管单根长6.0~8.0m,间距50cm×50cm,呈梅花形布置。注浆采用水泥水玻璃双液浆,水灰比1∶1,并加入防水剂;注浆顺序从边墙到拱顶由下至上逐排压浆,要求注浆压力为1.5~2.0MPa,每孔注浆量大于0.45m3。待注浆浆液强度达到2.5~5.0MPa后,才允许进行下一步安装内层型钢拱或隔榀跳槽拆换型钢拱架施工。3.3.2初期支护试验根据前期初期支护实际变形量大小,将拱部、边墙的预留变形量加大到30cm。强挤压性围岩未开挖段,采取加大预留变形量进行初期支护施作,允许围岩变形。拆换变形侵限型钢拱架段,在重新施作初期支护时,也应加大预留变形量进行施工。3.3.3加型钢钢架结构采用刚柔结合的支护体系,外层为锚喷网联合柔性支护,同时增加型钢钢架结构作为初期支护加劲措施;内层二次衬砌混凝土为钢筋混凝土(或钢骨混凝土)。隧道开挖后,立即施作初期支护,既允许初期支护变形以释放地应力,又限制支护大变形的出现。(1)浇注预应力钢拱架待初期支护背后注浆达到一定强度,初期支护变形速率减少到3~5mm/d后,立即施作内层20b型钢拱架,型钢间距50cm,并与原初期支护型钢交错布置,然后立即施作C20喷射混凝土。(2)初期支护—侵限段待初期支护背后注浆达到一定强度,初期支护变形速率减少到3~5mm/d后,采用隔榀跳槽拆换型钢拱架,重新施作初期支护。在进行内层型钢拱架安装或重新拆换型钢拱架时,由于型钢底部岩石较软,需在型钢拱架各段连接处设置4根6.0m长的锁脚注浆小导管,并增加型钢支撑垫板的宽度和厚度。3.3.4次衬砌混凝土一般非挤压性围岩,初期支护施工完成,其变形速率小于0.2mm/d后即可立即施作二次衬砌混凝土。但对于强挤压性围岩,当变形速率渐趋缓和,且达到预测收敛值的80%,初期支护表面没有再发展的明显裂缝,即可立即施作二次衬砌混凝土,一般变形速率小于0.5~0.8mm/d后,就可进行二次衬砌混凝土施工。二次衬砌混凝土的厚度由60cm增加至80~100cm;强度等级由C20提高至C25或C30;采用钢筋混凝土或钢骨混凝土;未侵限段二次衬砌混凝土中增加受力结构钢筋;拆换型钢侵限段,在二次衬砌混凝土中增加20b型钢,二次衬砌内型钢与初期支护型钢交错布置。3.3.5加强垂直拱门，二次衬砌，尽快关闭环在仰拱混凝土中加入型钢钢架或受力结构钢筋,形成钢骨混凝土或钢筋混凝土结构。3.3.6减少地表下渗疏通地表截水沟及排水系统,用粘土封闭地表裂隙,以减少地表水的下渗;调整上下导坑开挖时上导坑的尺寸,其高度应控制在拱顶以下4.4~4.6m。4支护变形速率凉风垭隧道右洞K44+800~K45+010初期支护大变形段,经过2003年3~9月的整治,初期支护变形速率逐步趋于稳定,为拆换型钢钢架和内层型钢拱施工提供了安全感。二次衬砌施工后,混凝土未开裂,经预埋的应力、应变计测试,有足够的安全储备。5锚杆注浆和锚网支护(1)强挤压性围岩(如泥质页岩、千枚岩等)隧道的施工,应先支护后开挖,实行超前支护,把强挤压大变形抑制在开挖之前。(2)对于不同的围岩地质情况,需选用不同的注浆固结围岩的方法。围岩节理裂隙发育地段,应选用径向小导管注浆;围岩节理裂隙不发育地段,应选用自进式锚杆注浆。(3)施工过程中,可通过设置临时仰拱或横撑,及时将初期支护封闭成环,以减少初期支护的变形值。(4),进行支护参数调整。二