鄒 翀，張民慶，李沿宗，張文新

(1.中鐵隧道集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，河南洛陽 471009;2.鐵道部工管中心，北京 100844)

0 引言

伴隨著我國鐵路建設(shè)的大發(fā)展，隧道修建時(shí)穿越高地應(yīng)力軟巖地層已不可避免，如蘭渝二期木寨嶺鐵路隧道。高地應(yīng)力軟巖隧道施工時(shí)，圍巖易發(fā)生大變形，而開挖方法的選擇是控制圍巖變形的重要影響因素。工程經(jīng)驗(yàn)表明，開挖方法選擇不當(dāng)極易導(dǎo)致軟巖大變形的發(fā)生，甚至造成更為嚴(yán)重的后果。目前，國內(nèi)外學(xué)者針對特定地質(zhì)環(huán)境下圍巖及隧道發(fā)生變形的機(jī)制、變形控制技術(shù)等方面已做了大量的研究工作。文獻(xiàn)［1－3］就地下洞室開挖對圍巖的擾動進(jìn)行了理論分析及公式推導(dǎo)。文獻(xiàn)［4－5］通過數(shù)值模擬方法對高地應(yīng)力下隧道開挖圍巖應(yīng)力及位移演變進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)［6－8］就不同高地應(yīng)力軟巖隧道施工變形控制進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)［9－13］主要針對木寨嶺鐵路隧道施工情況總結(jié)了軟弱圍巖大變形的控制措施。目前，對于高地應(yīng)力軟巖大變形施工控制技術(shù)的研究已較成熟，但在高地應(yīng)力軟巖地層，通過現(xiàn)場試驗(yàn)的方法來進(jìn)行超前導(dǎo)洞法與三臺階法的比選研究還不多見，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)比較缺乏，相關(guān)結(jié)論也較少。因此，本文在木寨嶺隧道高地應(yīng)力軟巖地質(zhì)環(huán)境下開展現(xiàn)場試驗(yàn)，分析研究超前導(dǎo)洞法與三臺階法的變形規(guī)律及變形控制效果具有重要意義，其結(jié)果可為木寨嶺隧道及類似工程的修建提供技術(shù)指導(dǎo)，進(jìn)一步完善地下工程修建技術(shù)。

1 工程概況

蘭渝鐵路木寨嶺隧道位于甘肅省定西市，起于漳縣大草灘鎮(zhèn)止于岷縣梅川鎮(zhèn)，線路基本呈北南走向，坡度12.8‰，全長19 020 m。木寨嶺隧道為雙洞單線，正洞開挖面積80.77 m2。木寨嶺隧道洞身穿越的板巖及炭質(zhì)板巖區(qū)，占全隧的46.53%，全線Ⅳ級和Ⅴ級圍巖占全隧84.5%以上。特殊不良地質(zhì)段段落長大、影響面寬，木寨嶺7#斜井洞內(nèi)地應(yīng)力測試結(jié)果表明，該處地應(yīng)力高達(dá)14～17 MPa，且以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹29°～39°E，與隧道軸線方向(N35°E)呈小角度相交，屬高地應(yīng)力區(qū)，極易發(fā)生圍巖大變形，施工難度很大，風(fēng)險(xiǎn)極高。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)段地質(zhì)

為了分析超前導(dǎo)洞法與三臺階法施工在高地應(yīng)力軟巖環(huán)境下對變形的控制效果，分別選取木寨嶺隧道正洞右線DYK187+996～DYK188+034段和DYK188+045～+075段進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。超前導(dǎo)洞法與三臺階法試驗(yàn)段地質(zhì)均主要以二疊系下統(tǒng)板巖夾砂巖夾炭質(zhì)板巖為主，薄層到中厚層，弱風(fēng)化，破碎，地下水不發(fā)育，都屬Ⅴ級軟巖地層。

2.2 超前導(dǎo)洞法試驗(yàn)方案

超前導(dǎo)洞設(shè)置于隧道斷面中部位置，距隧道拱頂開挖輪廓線200cm，超前導(dǎo)洞采用直墻斷面，斷面尺寸為450 cm×450 cm(寬×高)。

超前導(dǎo)洞法總體施工順序?yàn)閷?dǎo)洞掛洞門(明洞)—導(dǎo)洞開挖支護(hù)(長38 m)—導(dǎo)洞支護(hù)拆除—正洞擴(kuò)挖—正洞支護(hù)。導(dǎo)洞采用全斷面法開挖，正洞擴(kuò)挖采用三臺階法施工，臺階長度為4～6 m，上、中、下臺階高度分別為 3.2，3.0，4.0 m，擴(kuò)挖后及時(shí)對拱頂下沉，上、中、下臺階收斂進(jìn)行監(jiān)測，超前導(dǎo)洞與正洞位置尺寸關(guān)系及監(jiān)測點(diǎn)布置如圖1所示。

超前導(dǎo)洞支護(hù)情況:16 cm厚網(wǎng)噴C25混凝土+U型鋼支撐。

正洞擴(kuò)挖支護(hù)情況:全環(huán)H175型鋼+格柵鋼架，鋼架間距0.5～0.8 m，預(yù)留40 cm 變形量;R32N自進(jìn)式系統(tǒng)錨桿，拱部長 4.5 m、邊墻長6 m，1.2 m ×1.0 m，R32N自進(jìn)式鎖腳錨桿16根，長6 m;C30早高強(qiáng)噴射混凝土厚33 cm，設(shè)φ22雙層連接筋、φ8雙層鋼筋網(wǎng)。

2.3 三臺階法試驗(yàn)方案

采用三臺階法施工時(shí)，臺階長度為4～6 m，上、中、下臺階高度分別為 3.2，3.0，4.0 m，開挖后及時(shí)對拱頂下沉，上、中、下臺階收斂進(jìn)行變形監(jiān)測，臺階分布及監(jiān)測點(diǎn)布置如圖2所示。

初期支護(hù)情況:全環(huán)H175型鋼+格柵鋼架，鋼架間距0.5～0.8 m，預(yù)留40 cm變形量，斷面型式采用V級軟巖斷面，上半斷面C30早高強(qiáng)混凝土封閉掌子面5cm;R32N自進(jìn)式系統(tǒng)錨桿拱部長4.5m、邊墻長6m，1.2×1.0 m，R32N自進(jìn)式鎖腳錨桿16根，長6 m;C30早高強(qiáng)噴射混凝土厚33cm，設(shè)φ22雙層連接筋、φ8雙層鋼筋網(wǎng)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 超前導(dǎo)洞法試驗(yàn)分析

試驗(yàn)段超前導(dǎo)洞于2010年9月3日開始施工，到2010年10月10日正洞擴(kuò)挖支護(hù)結(jié)束，共耗時(shí)38d，導(dǎo)洞段施工如圖3所示。

圖3 超前導(dǎo)洞法施工圖Fig.3 Pilot tunneling

超前導(dǎo)洞試驗(yàn)段監(jiān)測斷面累計(jì)變形值如表1所示。由表1可知:正洞下、中臺階水平收斂明顯大于上臺階，水平收斂最大值約為150 mm，拱頂下沉最大值約為60 mm;通過對試驗(yàn)段各測點(diǎn)變形值進(jìn)行平均后得出，試驗(yàn)段平均拱頂下沉值為35.59 mm，上、中、下臺階平均收斂值分別為 63.74，118.31，118.30 mm。各監(jiān)測斷面變形曲線如圖4所示。由圖4可看出:隧道各部分隨著正洞擴(kuò)挖的進(jìn)行，上、中臺階變形趨勢大多相對平緩，未出現(xiàn)變形突然增大現(xiàn)象，而下臺階變形速率隨著仰拱的開挖出現(xiàn)增大，在仰拱開挖封閉后，各臺階變形速率明顯減小，并趨于穩(wěn)定。

表1 超前導(dǎo)洞法試驗(yàn)段監(jiān)測斷面累計(jì)變形值統(tǒng)計(jì)表Table 1 Deformation occurring in pilot tunneling mm

圖4 各監(jiān)測斷面變形曲線Fig.4 Deformation curves of different monitoring cross-sections

3.2 三臺階法試驗(yàn)分析

試驗(yàn)段從2010年10月29日開始上臺階施工，到2010年12月4日下臺階施工完成，除去停工時(shí)間，實(shí)際施工27 d，三臺階法現(xiàn)場施工試驗(yàn)如圖5所示。

圖5 三臺階法施工Fig.5 Bench excavation method

3.2.1 三臺階法變形情況分析

三臺階法試驗(yàn)段監(jiān)測斷面變形值如表2所示。由表2可知:最大拱頂下沉為60～75 mm，平均值為67.94 mm;最大水平收斂值約為154 mm，上、中、下三臺階平均收斂值分別為126.89，139.05，103.47mm，與下臺階相比，上、中臺階收斂值相對較大。各監(jiān)測斷面變形曲線如圖6所示。由圖6可看出:上、中臺階初期變形速率較大，在仰拱初期支護(hù)完成后，其變形速率明顯減小，變形基本趨于穩(wěn)定。

表2 臺階法試驗(yàn)段監(jiān)測斷面變形值統(tǒng)計(jì)表Table 2 Deformation occurring in tunneling by bench excavation method mm

圖6 各監(jiān)測斷面變形曲線Fig.6 Deformation curves of different monitoring cross-sections

3.2.2 三臺階法變形規(guī)律分析

根據(jù)三臺階法施工工序，各測點(diǎn)變形可以分為4部分，即:1)上臺階開挖到中臺階開挖前的變形值;2)中臺階開挖到下臺階開挖前的變形值;3)下臺階開挖到仰拱封閉前的變形值;4)仰拱封閉到施作二次襯砌前的變形值。為了分析三臺階法施工時(shí)各工序?qū)λ淼雷冃蔚挠绊?，把測點(diǎn)變形數(shù)據(jù)分解開，如表3所示。

表4和圖7為三臺階開挖各工序之間的圍巖變形值占累計(jì)變形值的比例。由表4和圖7可看出:三臺階法開挖時(shí)，對于拱頂下沉及上臺階收斂，上臺階開挖到中臺階開挖前和下臺階開挖到仰拱封閉前變形值較大，占累計(jì)變形值的80%左右，是發(fā)生變形的主要時(shí)間段;對于中臺階收斂，中臺階開挖到下臺階開挖前和下臺階開挖到仰拱封閉前均是變形發(fā)展的主要階段，占累計(jì)變形值的95%左右;對于下臺階收斂，下臺階開挖到仰拱封閉前是變形發(fā)展的主要階段，占累計(jì)變形值的95%左右;各臺階變形在仰拱封閉到二次襯砌施作前變形均很小，占累計(jì)變形值比例均在7%以下，說明隧道開挖后及早封閉對控制隧道變形極為有利，在可能的情況下，應(yīng)盡量縮短各工序作業(yè)時(shí)間，及時(shí)使初期支護(hù)封閉成環(huán)是軟巖變形控制的重要措施。

3.3 試驗(yàn)綜合效果比較

3.3.1 變形控制效果

超前導(dǎo)洞法與三臺階法試驗(yàn)結(jié)果表明:采用這2種施工方法施工，隧道最大變形均為水平收斂，最大值均控制在180mm以下，且仰拱開挖封閉后變形均得到有效控制，并趨于收斂。由此說明，在木寨嶺隧道高地應(yīng)力軟巖環(huán)境下，采用這2種施工方法均能有效控制圍巖變形。

表3 三臺階法各工序之間的圍巖變形值Table 3 Deformation occurring at different steps of bench excavation method mm

表4 三臺階開挖各工序之間的圍巖變形值占累計(jì)變形值的比例Table 4 Ratio of deformation occurring at different steps of bench excavation to the total %

圖7 三臺階開挖各工序之間的圍巖變形值占累計(jì)變形值的比例Fig.7 Ratio of deformation occurring at different steps of bench excavation to the total

從變形控制效果方面看，超前導(dǎo)洞法與三臺階法對隧道變形的實(shí)際控制效果有不同之處:前者中、下臺階變形速率相對較大，上臺階變形速率較小，而后者體現(xiàn)出上、中臺階變形速率相對較大，下臺階變形速率較小。試驗(yàn)結(jié)果表明，2種施工方法下，中臺階處變形值均比較大，是變形控制的重點(diǎn)階段，因此，取中臺階處變形平均值來進(jìn)行比較分析(如表5所示)，超前導(dǎo)洞法由于前期導(dǎo)洞對應(yīng)力進(jìn)行了調(diào)整和釋放，正洞擴(kuò)挖后變形有一定程度地減小。

表5 超前導(dǎo)洞法與三臺階法軟巖段變形控制效果對比Table 5 Comparison and contrast between deformation controlling effect of pilot tunneling method and that of bench excavation method mm

3.3.2 施工效率

從施工效率方面看，超前導(dǎo)洞法由于要進(jìn)行超前導(dǎo)洞的施工，施工效率略低于三臺階法，如表6所示。采用超前導(dǎo)洞法擴(kuò)挖施工時(shí)，施工進(jìn)尺約為1.0 m/d，采用三臺階法施工時(shí)，施工進(jìn)尺約為1.3 m/d，施工效率可提高30%。

綜上所述，從變形控制效果方面看，木寨嶺隧道高地應(yīng)力軟巖段采用超前導(dǎo)洞法與三臺階法相差不大;從施工效率看，三臺階法要略優(yōu)于超前導(dǎo)洞法。總之，木寨嶺隧道高地應(yīng)力軟巖段采用超前導(dǎo)洞法與三臺階法施工時(shí)，最大變形值均控制在180 mm以下，且均在仰拱封閉后趨于穩(wěn)定，說明超前導(dǎo)洞法與三臺階法均是高地應(yīng)力軟巖環(huán)境下有利于變形控制的施工方法。

表6 超前導(dǎo)洞法與三臺階法軟巖段施工效率對比Table 6 Comparison and contrast between tunneling efficiency of pi lot tunneling method and that of bench excavation method

4 結(jié)論與討論

通過對蘭渝二期木寨嶺隧道高地應(yīng)力軟巖段進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，得出如下主要結(jié)論。

1)在本文所述初期支護(hù)參數(shù)情況下，木寨嶺隧道高地應(yīng)力軟巖段采用超前導(dǎo)洞法和三臺階法施工時(shí)，前者體現(xiàn)中、下臺階變形速率較大，后者體現(xiàn)上、中臺階變形速率較大，都表現(xiàn)出邊墻中部圍巖變形最大，隧道邊墻中部是施工變形控制的重點(diǎn)。

2)木寨嶺隧道高地應(yīng)力軟巖段采用超前導(dǎo)洞法和三臺階法施工時(shí)，最大變形值均控制在180 mm以下，且圍巖變形均在仰拱封閉后趨于穩(wěn)定，這說明兩者均是高地應(yīng)力軟巖環(huán)境下有利于變形控制的施工方法。

3)木寨嶺隧道高地應(yīng)力軟巖段采用超前導(dǎo)洞法與三臺階法施工相比，兩者施工變形控制效果程度相近，但超前導(dǎo)洞法在施工效率方面略低于三臺階法;同時(shí)，也說明在高地應(yīng)力區(qū)域，最大主應(yīng)力方向與隧道軸線成較小夾角時(shí)，采用三臺階法施工，既達(dá)到變形控制效果，也能加快施工進(jìn)度。

4)木寨嶺隧道高地應(yīng)力軟巖段三臺階法施工時(shí)各工序階段的變形規(guī)律表明:在最大主應(yīng)力方向與隧道軸線成較小夾角情況下，隧道變形總體可控;隧道開挖后及早施作仰拱對隧道變形控制極為有利，在可能的情況下，應(yīng)盡量縮短各工序作業(yè)時(shí)間，及時(shí)使初期支護(hù)封閉成環(huán)是軟巖變形控制的重要措施。

由于客觀條件的局限性，本文僅在木寨嶺隧道高地應(yīng)力軟巖段做了超前導(dǎo)洞法與三臺階法施工現(xiàn)場試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果能真實(shí)地反映2種施工方法在木寨嶺隧道高地應(yīng)力軟巖段的變形控制情況，可為木寨嶺隧道高地應(yīng)力軟巖段的快速通過提供指導(dǎo)，同時(shí)也可為類似工程建設(shè)提供技術(shù)參考。在有條件的情況下還應(yīng)在其他類似的隧道開展更多現(xiàn)場試驗(yàn)，尤其是最大主應(yīng)力方向與隧道軸線成大角度相交的情況，獲取更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來揭示和補(bǔ)充2種施工方法在高地應(yīng)力軟巖環(huán)境下的施工變形規(guī)律，使研究成果更加具有普遍意義，為高地應(yīng)力軟巖隧道施工提供技術(shù)支持和指導(dǎo)。

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