孫明磊，李文江，劉志春

(石家莊鐵道學(xué)院 土木工程分院，石家莊 050043)

石太線太行山隧道全長(zhǎng)27 848 m，設(shè)計(jì)為單線雙洞、線間距35 m。太行山隧道累計(jì)穿越了4 410 m長(zhǎng)的膏溶角礫巖地層，在我國(guó)乃至世界屬首次。

膏溶角礫巖是含膏鹽巖系中的易溶硫酸鹽巖(CaSO4)溶蝕后殘余的碳酸鹽巖組分及雜質(zhì)原位堆積而成的角礫巖，也是工程勘察中新發(fā)現(xiàn)的特殊性巖土類型。其物質(zhì)組成主要有泥灰?guī)r、硬石膏及石灰?guī)r巖礦物構(gòu)成，膠結(jié)程度極差，暴露易酥裂，遇水易崩解，飽和單軸抗壓強(qiáng)度極低(0.11～0.41 MPa)，并呈弱 ～中等膨脹性，并且這類巖石遇水則強(qiáng)度很快降低，極易崩解軟化[1]。

膏溶角礫巖根據(jù)風(fēng)化程度的不同，可劃分為全風(fēng)化膏溶角礫巖、強(qiáng)風(fēng)化膏溶角礫巖和未風(fēng)化膏溶角礫巖3種類型。其中，強(qiáng)風(fēng)化的膏溶角礫巖，其風(fēng)化較強(qiáng)烈，巖石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造已基本被破壞，主要由黏土和殘余角礫組成，含水量較大時(shí)，呈泥混石結(jié)構(gòu)[2]。膏溶角礫巖強(qiáng)風(fēng)化后為類似具有碎石狀結(jié)構(gòu)的破碎的極軟巖體，從力學(xué)強(qiáng)度劃分其屬于極軟巖系列，為軟巖硬土;其工程力學(xué)性質(zhì)差，開(kāi)挖過(guò)程中拱部易掉塊和坍塌，對(duì)隧道施工非常不利。目前，針對(duì)這種特殊的巖體，缺乏在該種地層中修建隧道的成功經(jīng)驗(yàn)，比如合理的斷面型式、支護(hù)襯砌等，也缺乏處理這種不良地質(zhì)問(wèn)題的施工經(jīng)驗(yàn)[1]。

為確保施工安全，進(jìn)一步指導(dǎo)后續(xù)施工，在隧道施工過(guò)程中進(jìn)行了系統(tǒng)的監(jiān)控量測(cè)，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，深入分析強(qiáng)風(fēng)化膏溶角礫巖區(qū)段隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、壓力的發(fā)展規(guī)律及分布特征，掌握圍巖的動(dòng)態(tài)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，及時(shí)反饋信息以便優(yōu)化支護(hù)參數(shù)、調(diào)整施工方法。同時(shí)希望能為今后類似工程的設(shè)計(jì)、施工和研究提供有益借鑒和參考。

1 試驗(yàn)段概況及施工情況

試驗(yàn)段選擇在太行山隧道5#斜井工區(qū) Z4標(biāo)，該標(biāo)段中 DK84+965～DK85+785，累計(jì)1 640 m(單洞)，位于奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組一段膏溶角礫巖及斷層破碎帶，巖體極破碎，呈散體狀結(jié)構(gòu)，屬極軟巖，為強(qiáng)風(fēng)化膏溶角礫巖，圍巖分級(jí)為Ⅴ級(jí)。隧道開(kāi)挖后穩(wěn)定時(shí)間很短，容易發(fā)生坍塌和大變形，遇水則強(qiáng)度很快降低，極易崩解軟化，區(qū)段地下水較發(fā)育，具有弱至中等膨脹性，易坍塌冒落，是太行山隧道項(xiàng)目施工的重點(diǎn)與難點(diǎn)[2]。

該區(qū)段隧道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)斷面為馬蹄形，凈空面積71.19 m2，跨度8.60 m，高度10.03 m。隧道洞身設(shè)計(jì)為Ⅴ級(jí)膏溶角礫巖復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)采用C25噴混凝土，厚30 cm，由噴混凝土加微纖維、錨桿、I16工字鋼鋼架組成。錨桿拱墻布置，環(huán)、縱間距為1.00 m和0.75 m，梅花狀布置。拱墻采用HCB25N組合式中空注漿錨桿，長(zhǎng)6.0 m。I16工字鋼鋼架拱、墻、仰拱架設(shè)，每0.75m設(shè)1榀。鋼筋網(wǎng)拱、墻、仰拱布置，沿?cái)嗝婵v向采用φ6 mm鋼筋，環(huán)向采用φ8 mm鋼筋，網(wǎng)格間距15 cm×15 cm。二次襯砌采用厚55 cm的C30鋼筋混凝土。實(shí)際施工中初期支護(hù)厚25 cm，錨桿長(zhǎng)度5 m。臺(tái)階法開(kāi)挖，開(kāi)挖進(jìn)尺3 m，設(shè)計(jì)臺(tái)階長(zhǎng)度10 m左右(實(shí)際施工中45 m左右)，下臺(tái)階左右兩側(cè)交錯(cuò)落底[1]。

針對(duì)強(qiáng)風(fēng)化膏溶角礫巖特性，施工中采取了先堵水、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、鎖腳錨桿、保護(hù)基底等措施，防止發(fā)生坍塌、大變形，保證圍巖及支護(hù)襯砌安全穩(wěn)定[1-2]。

2 監(jiān)控量測(cè)實(shí)施情況

在5#斜井工區(qū)強(qiáng)風(fēng)化膏溶角礫巖區(qū)段左線分別選擇DK85+122、DK85+137兩個(gè)測(cè)試斷面，進(jìn)行了圍巖壓力、錨桿軸力、初支混凝土應(yīng)力、初支鋼架應(yīng)力、二次襯砌接觸壓力、二次襯砌鋼筋應(yīng)力及二次襯砌混凝土應(yīng)力。量測(cè)儀器全部選用鋼弦式傳感器，SS-Ⅱ袖珍數(shù)字鋼弦頻率接收儀接收數(shù)據(jù)。測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示[3]。各量測(cè)項(xiàng)目的量測(cè)方法如下:

圖1 5#斜井工區(qū)斷面測(cè)點(diǎn)布置

1)錨桿軸力:每斷面設(shè)置6根量測(cè)錨桿，錨桿長(zhǎng)5 m，5個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距1 m。爆破后，臺(tái)車或風(fēng)槍成孔，機(jī)械錨固安裝，量測(cè)頻率1次/d，直至軸力基本穩(wěn)定。

2)初支圍巖壓力和二次襯砌接觸壓力:采用振弦式雙膜壓力盒，量測(cè)頻率1次/d，直至壓力基本穩(wěn)定。

3)鋼筋應(yīng)力:采用鋼筋計(jì)或外貼振弦式應(yīng)變計(jì)，量測(cè)頻率1次/d，直至應(yīng)力基本穩(wěn)定。

4)混凝土應(yīng)力:采用埋入式混凝土應(yīng)變計(jì)，量測(cè)頻率1次/d，直至應(yīng)力基本穩(wěn)定。

3 量測(cè)結(jié)果及分析

3.1 錨桿軸力

通過(guò)對(duì)錨桿軸力變化過(guò)程的監(jiān)測(cè)，可以了解錨桿的工作狀態(tài)，判斷錨桿對(duì)圍巖的支護(hù)效果。

各斷面實(shí)測(cè)錨桿軸力結(jié)果如表1所示。圖2為DK85+122斷面實(shí)測(cè)錨桿軸力分布圖。圖3為DK85+122斷面右拱腳不同深度處錨桿軸力隨時(shí)間變化曲線(錨桿軸力受拉為正，受壓為負(fù))。

測(cè)試結(jié)果顯示，所測(cè)錨桿軸力墻腰處小，拱腰及拱腳處較大。錨桿軸力均未超過(guò)錨桿的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。錨桿軸力呈現(xiàn)出“中間大、兩頭小”的分布形式，最大值在錨桿中段。軸力最大值達(dá)到104.25 kN，接近錨桿的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，錨桿長(zhǎng)度略顯不足，應(yīng)采用設(shè)計(jì)長(zhǎng)度6m。錨桿在埋設(shè)后待砂漿達(dá)到一定強(qiáng)度后即可承載，10 d左右錨桿軸力即達(dá)到最終軸力的50%，且軸力隨下臺(tái)階開(kāi)挖顯著增大(增大值為最終軸力值的40%左右)，之后錨桿軸力變化較平緩。二次襯砌施作對(duì)軸力也有一定影響，由于二次襯砌承擔(dān)了一部分荷載，導(dǎo)致二次襯砌后錨桿軸力略有降低并很快達(dá)到新的平衡。由于本區(qū)段采用長(zhǎng)臺(tái)階法施工，支護(hù)閉合時(shí)間較長(zhǎng)(開(kāi)挖后100 d左右)，仰拱施作時(shí)圍巖及初期支護(hù)的變形已經(jīng)基本穩(wěn)定，所以二次襯砌施作對(duì)錨桿軸力的影響并不很明顯。另外，從圖3中還可以看出，在上臺(tái)階開(kāi)挖后28 d錨桿軸力還有一次明顯的上升，這主要是由于本區(qū)段施工采用長(zhǎng)臺(tái)階法，下臺(tái)階的開(kāi)挖是間斷的，在第28 d測(cè)試斷面附近下臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)了8 m左右，空間效應(yīng)明顯。

表1 錨桿軸力量測(cè)結(jié)果匯總

圖2 DK85+122斷面錨桿軸力

圖3 DK85+122斷面右拱腳錨桿軸力—時(shí)間曲線

3.2 支護(hù)壓力

支護(hù)壓力包括初支圍巖壓力和二次襯砌接觸壓力。通過(guò)支護(hù)壓力量測(cè)，了解初期支護(hù)與二次襯砌的受力及工作狀態(tài)，檢驗(yàn)初支與二次襯砌設(shè)計(jì)的合理性，判斷支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性及安全程度，也為判斷隧道穩(wěn)定性提供可靠的信息。支護(hù)壓力實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 支護(hù)壓力量測(cè)結(jié)果 MPa

圖4為DK85+122斷面圍巖壓力量測(cè)結(jié)果，圖5為DK85+122斷面右拱腰初支圍巖壓力—時(shí)間曲線。由圖4、圖5中可以看出，右側(cè)拱腰圍巖壓力最大，其余較小。且此處圍巖壓力在埋設(shè)后10 d左右達(dá)到一次峰值，受斷面附近下臺(tái)階開(kāi)挖施工擾動(dòng)，圍巖壓力迅速減小，隨之緩慢上升，受本斷面下臺(tái)階施工影響圍巖壓力先減小然后緩慢上升，達(dá)到基本穩(wěn)定前還受仰拱開(kāi)挖及右線施工擾動(dòng)，圍巖壓力有小幅波動(dòng)。二次襯砌施作后壓力有短暫的下降，之后趨于穩(wěn)定。左右兩側(cè)數(shù)據(jù)上的差異可能與隧道雙洞單線設(shè)計(jì)有關(guān)。

3.3 支護(hù)應(yīng)力

圖4 DK85+122斷面圍巖壓力量測(cè)結(jié)果(單位:MPa)

圖5 DK85+122斷面右拱腰圍巖壓力—時(shí)間曲線

表3 支護(hù)應(yīng)力量測(cè)結(jié)果 MPa

3.3.1 初支混凝土應(yīng)力

圖6為DK85+122斷面混凝土應(yīng)力橫斷面分布。結(jié)果顯示，初期支護(hù)混凝土應(yīng)力拱頂位置明顯偏大，拱部明顯大于邊墻，左側(cè)混凝土大部分受拉，但受拉值均較小，右側(cè)全部受壓，右側(cè)大于左側(cè)。二次襯砌混凝土應(yīng)力整體偏小，混凝土應(yīng)力均未超過(guò)1 MPa，右側(cè)大于左側(cè)，拱頂附近外側(cè)混凝土應(yīng)力大于內(nèi)側(cè)(虛線為外側(cè)混凝土應(yīng)力)。

圖7為DK85+122斷面拱頂初支混凝土應(yīng)力—時(shí)間曲線。由圖中可以看出，噴射混凝土應(yīng)力在施噴初期應(yīng)力增長(zhǎng)很快，僅3 d就能達(dá)到最終應(yīng)力的40%左右，10 d能達(dá)到最終應(yīng)力的60%左右。噴混凝土應(yīng)力受下臺(tái)階開(kāi)挖影響出現(xiàn)明顯的降低，然后開(kāi)始緩慢增長(zhǎng)，仰拱施作后基本趨于穩(wěn)定。二次襯砌施作后，由于二次襯砌承擔(dān)了一部分荷載，混凝土應(yīng)力出現(xiàn)了明顯下降然后趨于穩(wěn)定。

圖6 DK85+122斷面混凝土應(yīng)力橫斷面分布(單位:MPa)

圖7 DK85+122斷面拱頂初支混凝土應(yīng)力—時(shí)間曲線

3.3.2 初支鋼架應(yīng)力

圖8為DK85+122斷面初支鋼架應(yīng)力量測(cè)結(jié)果(虛線為鋼架外翼緣應(yīng)力)。由圖8可以看出，鋼架應(yīng)力大部分為壓應(yīng)力，拱部大于邊墻，拱頂附近內(nèi)側(cè)大于外側(cè)，最大值為132.45 MPa，未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

圖8 DK85+122斷面初期支護(hù)鋼架應(yīng)力量測(cè)結(jié)果(單位:MPa)

圖9 DK85+122斷面拱頂初期支護(hù)鋼架應(yīng)力—時(shí)間曲線

圖9為DK85+122斷面拱頂初支鋼架應(yīng)力—時(shí)間曲線。圖中顯示，鋼架埋設(shè)后即可承載，并且鋼架應(yīng)力增長(zhǎng)很快，10 d內(nèi)即達(dá)到最終應(yīng)力值的60%以上，上臺(tái)階鋼架應(yīng)力受下臺(tái)階、仰拱開(kāi)挖與支護(hù)影響較明顯，應(yīng)力略有下降，然后緩慢上升，受二襯施作影響，二襯起作用后初支的鋼架應(yīng)力緩慢下降逐漸穩(wěn)定，這與二襯承擔(dān)了一部分圍巖壓力有關(guān)。另外，從鋼架應(yīng)力發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，二襯施作前鋼架應(yīng)力一直在緩慢增長(zhǎng)，穩(wěn)定時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)。

3.3.3 二次襯砌鋼筋應(yīng)力

圖10為DK85+122斷面二次襯砌鋼筋應(yīng)力量測(cè)結(jié)果。圖11為DK85+122斷面左墻腰二次襯砌鋼筋應(yīng)力—時(shí)間曲線。從圖10、圖11中可以看出，該斷面各測(cè)點(diǎn)二次襯砌鋼筋應(yīng)力在埋設(shè)初期變化比較大，且大部分在出現(xiàn)不同程度上升后略有減小，然后再逐漸增大趨于穩(wěn)定，估計(jì)與混凝土的施工工藝及模板的支頂作用有關(guān)，拆模后，約束解除，鋼筋應(yīng)力開(kāi)始急劇降低，逐漸減小，之后開(kāi)始回升并逐漸增大。鋼筋應(yīng)力后期變化不大，且邊墻部位的鋼筋應(yīng)力明顯大于拱部，左側(cè)鋼筋應(yīng)力大于右側(cè)。(虛線為外側(cè)鋼筋應(yīng)力)。二次襯砌鋼筋應(yīng)力數(shù)值遠(yuǎn)小于初支鋼架應(yīng)力。

3.4 跟蹤測(cè)試結(jié)果

為全面了解強(qiáng)風(fēng)化膏溶角礫巖的工程特性，掌握該種特殊地質(zhì)條件下隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，為襯砌結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期穩(wěn)定性和安全性評(píng)價(jià)提供依據(jù)，課題組在二次襯砌施工三個(gè)月后對(duì)各斷面的相應(yīng)項(xiàng)目進(jìn)行了跟蹤測(cè)試。

因此，未來(lái)的企業(yè)發(fā)展要贏得市場(chǎng)，就要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)企業(yè)發(fā)展的固有思路，立足于企業(yè)品牌形象的“畫(huà)像”，打造自身特色品牌價(jià)值。

圖10 DK85+122斷面二次襯砌鋼筋應(yīng)力量測(cè)結(jié)果(單位:MPa)

圖11 DK85+122斷面左墻腰二次襯砌鋼筋應(yīng)力—時(shí)間曲線

從測(cè)試結(jié)果可以看出，各測(cè)點(diǎn)的數(shù)值都已基本趨于穩(wěn)定，在一定范圍內(nèi)略有波動(dòng)，但整體數(shù)值波動(dòng)不大，結(jié)構(gòu)表面無(wú)裂縫、無(wú)滲跡，說(shuō)明截至測(cè)試時(shí)間，隧道結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)良好、結(jié)構(gòu)安全。

同時(shí)部分?jǐn)嗝娴臏y(cè)試數(shù)據(jù)也顯示出數(shù)值仍在緩慢增長(zhǎng)的特點(diǎn)，襯砌圍巖壓力值基本處于Ⅴ級(jí)～Ⅵ級(jí)圍巖規(guī)范值內(nèi)。說(shuō)明此種圍巖條件下圍巖壓力增長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，長(zhǎng)期圍巖壓力值也較大，襯砌結(jié)構(gòu)剛度應(yīng)適當(dāng)加大，從圍巖與結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期作用出發(fā)，襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載圍巖壓力需取全部規(guī)范圍巖壓力值。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)該客運(yùn)專線太行山隧道5#斜井工區(qū)正洞強(qiáng)風(fēng)化膏溶角礫巖區(qū)段現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得到以下結(jié)論:

1)拱腰錨桿0～1.5 m深度附近受壓。其余部分受拉力，最大拉力值約為23.12 kN，位于深度3.5 m附近，拱腳錨桿均受拉力，最大拉力值104 kN，位于深度1.5 m附近，墻腰錨桿所受軸力均很小;圍巖壓力測(cè)試結(jié)果除個(gè)別點(diǎn)外均較小，最大值為0.144 MPa，圍巖壓力拱部大于邊墻;鋼架應(yīng)力值較大，主要為壓力，最大值為166.34 MPa，拱部大于邊墻;初支混凝土應(yīng)力除個(gè)別點(diǎn)外均較小，最大值為9.49 MPa，拱部大于邊墻，沒(méi)觀察到開(kāi)裂或壓屈現(xiàn)象;初支與二次襯砌間接觸壓力除個(gè)別點(diǎn)外均較小，最大值為0.427 MPa;二次襯砌鋼筋應(yīng)力值較小，最大壓力值為30.52 MPa，拉力值均較小，邊墻大于拱部;二次襯砌混凝土應(yīng)力較小，最大壓應(yīng)力為1.16 MPa，拱部大于邊墻，沒(méi)觀察到開(kāi)裂或壓屈現(xiàn)象。支護(hù)應(yīng)力、壓力數(shù)據(jù)未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，但個(gè)別錨桿軸力接近錨桿的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，個(gè)別點(diǎn)初支噴混凝土應(yīng)力、初支圍巖壓力、初支與二次襯砌間接觸壓力較大。推薦仍采用原設(shè)計(jì)的Ⅴ級(jí)膏溶角礫巖復(fù)合式襯砌參數(shù)。

2)一般情況下，初支拱部支護(hù)壓力、支護(hù)應(yīng)力大于邊墻;二次襯砌拱部壓力、應(yīng)力小于邊墻。

3)二次襯砌施作前，初支的壓力、應(yīng)力一直處于緩慢增長(zhǎng)階段，直至二次襯砌施作后才逐漸趨于穩(wěn)定。初期支護(hù)的壓力、應(yīng)力穩(wěn)定時(shí)間比二次襯砌長(zhǎng)。

4)二次襯砌作為承載結(jié)構(gòu)，而不是安全儲(chǔ)備，承受了一定的壓力、應(yīng)力。拱部圍巖壓力主要由初支承擔(dān)，而邊墻圍巖壓力主要由二次襯砌承擔(dān)。施作二次襯砌后，二次襯砌開(kāi)始逐步承擔(dān)部分荷載，鋼架應(yīng)力、錨桿軸力、圍巖壓力及噴混凝土應(yīng)力總體上均出現(xiàn)下降趨勢(shì)，并最終趨于穩(wěn)定。這說(shuō)明在膏溶角礫巖隧道支護(hù)系統(tǒng)中，二次襯砌適當(dāng)承擔(dān)一定比例的圍巖壓力，與初支、圍巖共同作用，在改善圍巖、初支受力狀態(tài)及增加初支與圍巖的穩(wěn)定性方面起著十分重要的作用。

5)測(cè)試結(jié)果中，仰拱施作對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)的改善并不是很明顯，這主要是由于臺(tái)階長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)、仰拱施工嚴(yán)重滯后，導(dǎo)致支護(hù)閉合時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。為改善結(jié)構(gòu)的受力，建議在保證施工機(jī)械效率的前提下盡量縮短臺(tái)階長(zhǎng)度、下臺(tái)階開(kāi)挖后應(yīng)使支護(hù)結(jié)構(gòu)盡早閉合。

結(jié)合施工情況，強(qiáng)風(fēng)化膏溶角礫巖區(qū)段隧道斷面形狀、支護(hù)參數(shù)合理，施工方法基本正確，隧道結(jié)構(gòu)安全，積累了強(qiáng)風(fēng)化膏溶角礫巖隧道設(shè)計(jì)與施工的經(jīng)驗(yàn)。

[1]鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院.膏溶角礫巖工程特性及隧道結(jié)構(gòu)與施工安全對(duì)策研究[R].天津:鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院，2008。

[2]董新平，李建華.膏溶角礫巖條件下鐵路單線隧道斷面形式分析[J].鐵道建筑，2009(9):71-73.

[3]劉志春，孫明磊，賈曉云，等.烏鞘嶺隧道 F4～F7斷層區(qū)段壓力、應(yīng)力實(shí)測(cè)與分析[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，19(2):13-17.