李占先

(中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250014)

0 引言

軟弱圍巖是指用通常的初期支護(hù)及簡易的小導(dǎo)管支護(hù)不能控制開挖后的圍巖變形，而需要采用“有針對性地控制變形對策”(即所謂的輔助工法)的圍巖［1-3］。軟弱圍巖隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，施工中不可預(yù)測變形的因素較多。目前，國內(nèi)外很多學(xué)者及研究人員針對錨桿及鋼拱架對圍巖的支護(hù)作用效果進(jìn)行了有益研究［4-6］，盡管很多科研人員和施工人員對其不斷研究總結(jié)，形成了治理軟弱圍巖隧道病害的常規(guī)技術(shù)，但對于軟弱隧道圍巖鋼拱架變形破壞方式及原因仍然認(rèn)識不清［7-10］。為此，文章結(jié)合云桂鐵路軟弱圍巖隧道工程，對硐室初支“S”形變形進(jìn)行分析和總結(jié)，并制定其對策，從而使硐室變形得到有效控制，確保了隧道施工安全。此研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義與理論指導(dǎo)意義，可為今后類似軟弱破碎圍巖工程建設(shè)提供參考。

1 工程概況

新建云(昆明)桂(南寧)鐵路那達(dá)二號隧道為雙線隧道，進(jìn)口里程為DK172+326，出口里程為DK173+250，全長924 m，隧道最大埋深約為72 m。全隧為Ⅴ級淺埋段，除明洞外其余地段均采用Ⅴ級B型復(fù)合襯砌。進(jìn)口13 m明洞，臺階式洞門，出口15 m斜切延伸段，斜切式洞門。隧道地層巖性:上覆第四系全新統(tǒng)坡殘積層粉質(zhì)粘土，下覆基巖為三疊系中統(tǒng)百逢組第四段(T2b4)頁巖夾砂巖;地質(zhì)構(gòu)造:隧道范圍內(nèi)左側(cè)有右江大斷裂，巖層有扭曲，節(jié)理較發(fā)育，多呈張開型，節(jié)理面充填少量褐黃色粘土。隧道最大埋深45 m，地表無較大的起伏變化，絕大部分埋深約32 m，屬淺埋隧道。

初期支護(hù)參數(shù):全環(huán)工型鋼鋼架(型號為Ⅰ20)及拱部超前大管棚(型號為φ100)或超前小導(dǎo)管預(yù)注漿加強(qiáng)支護(hù)，拱墻為C25纖維混凝土，仰拱為C25素混凝土，均為26 cm厚，φ8鋼筋網(wǎng)(網(wǎng)格20 cm×20 cm)，拱墻錨桿長度為4 m，拱部和邊墻分別采用φ25，φ22中空注漿錨桿，邊墻φ22中空注漿錨桿。

2 施工過程中變形情況

根據(jù)那達(dá)二號出口斷面DK172+955斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，其開挖后20 d左右圍巖的位移收斂情況如圖1所示。

由圖1可知:1)DK172+955的拱頂三個點(diǎn)的累計沉降在開挖后3 d出現(xiàn)較大的位移，拱頂1的回彈最大，拱頂2和拱頂3均出現(xiàn)一定程度的回彈，是由于圍巖從三向應(yīng)力狀態(tài)在較短的時間內(nèi)轉(zhuǎn)化為平面應(yīng)力狀態(tài)，其首先要在應(yīng)力缺失的一面發(fā)生較大的位移，其次圍巖的變形對其周圍的圍巖會起到一個約束作用，圍巖與圍巖之間會相互制約，從而達(dá)到一個新的平衡，這就是圍巖的自穩(wěn)能力。2)隧道的偏壓會對洞頂三個點(diǎn)的位移產(chǎn)生不同的影響，圍巖應(yīng)力較高的一側(cè)會抵消一部分圍巖的自我約束力繼續(xù)下沉變形，而圍巖應(yīng)力較低的一側(cè)會受到圍巖應(yīng)力較高一側(cè)的反推作用，產(chǎn)生較大的回彈位移;初期支護(hù)增強(qiáng)了圍巖的整體強(qiáng)度，并能對圍巖提供一定的支護(hù)反力，發(fā)揮圍巖的自我穩(wěn)定作用，這種圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用，直到支護(hù)提供的阻力與圍巖作用力達(dá)到平衡為止，是一個空間與時間的變化過程，從而形成一個力學(xué)上的隧道圍巖穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體系。

圖1 DK172+955拱頂累計沉降時程曲線圖

客觀上該段隧道埋深較淺僅25 m，地表有一自右至左的溝槽，且洞身位于半山坡位置，屬地勢偏壓。洞內(nèi)圍巖強(qiáng)風(fēng)化，圍巖破碎，有地下水滲出，軟化了圍巖，圍巖松動圈增大，自成拱能力降低，初期支護(hù)承受了較大的圍巖持續(xù)變形壓力。

對于上述工況采用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，本構(gòu)關(guān)系采用摩爾—庫侖模型，選用八節(jié)點(diǎn)六面體網(wǎng)格單元，單元數(shù)為4 521個。

與此同時，針對那達(dá)2號隧道圍巖穩(wěn)定性開展了相應(yīng)的數(shù)值模擬研究，圖2，圖3分別給出了隧道圍巖開挖后應(yīng)力和位移分布圖。由圖可知:1)在隧道開挖后，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)承受應(yīng)力分布不對稱;2)由于支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的不對稱性，從而造成隧道圍巖變形的不對稱。以上分析結(jié)論與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)所得到的結(jié)果基本一致。

圖2 隧道開挖后豎向、水平應(yīng)力分布圖

圖3 隧道開挖后豎向、水平位移分布圖

3 應(yīng)對措施

針對軟弱圍巖隧道施工過程中，基于支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、圍巖變形及數(shù)值分析，揭示了隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)——鋼拱架S形變形原因，以此結(jié)合現(xiàn)場施工工藝與隧道地質(zhì)條件，采用以下施工措施:

1)上臺階掌子面暫停掘進(jìn)施工，且掛網(wǎng)噴錨封閉。

2)中臺階增設(shè)工型鋼臨時仰拱與大拱腳內(nèi)斜撐，且型鋼間掛網(wǎng)噴射混凝土厚24 cm。

3)加強(qiáng)已施工襯砌到掌子面段之間的圍巖監(jiān)控量測，及時掌握圍巖變形情況，以便采取應(yīng)急處理措施。

4)鋼架變形段DK155+326.3～DK155+317.1用斷面儀檢查初期支護(hù)斷面，看其是否侵限。若侵限，則做換拱處理。當(dāng)換拱時，考慮到該段已經(jīng)變形，在換拱前對該段進(jìn)行徑向小導(dǎo)管注漿加固，小導(dǎo)管長度4.0 m，間距0.8 m ×0.8 m，梅花形布置，注漿壓力0.5 MPa ～1.0 MPa，1∶1 水泥漿液。注漿完畢后，施工該段仰拱，待仰拱施工完畢后，跳模施工該段襯砌，待前一模襯砌施工完畢后再逐榀拆除侵限段鋼拱架，換拱完成后施工該段二次襯砌。

5)當(dāng)掌子面恢復(fù)掘進(jìn)施工時，為減少爆破震動對圍巖的影響，采用破碎錘破除圍巖。為增強(qiáng)鋼架承受圍巖壓力的能力，鋼架間距由原設(shè)計的0.8 m/榀調(diào)整為0.6 m/榀，加強(qiáng)鋼架整體受力能力，在鋼架內(nèi)側(cè)增設(shè)縱向φ22螺紋鋼作為連接筋，環(huán)向間距1.0 m。

6)控制上、中、下三臺階的長度均在5.0 m以內(nèi)，初期支護(hù)在盡可能短的時間內(nèi)形成閉合結(jié)構(gòu)，仰拱、襯砌緊跟施工。

7)增加預(yù)留變形量，預(yù)留量由以前的30 cm，調(diào)整至40 cm，允許圍巖有較大的變形，防止因變形過大，預(yù)留量不足導(dǎo)致初期支護(hù)侵限。

4 結(jié)語

文章結(jié)合軟弱圍巖隧道實(shí)際工程，通過現(xiàn)場監(jiān)測分析、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析和數(shù)值分析等技術(shù)手段，揭示了隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)——鋼拱架變形機(jī)理，進(jìn)而針對那達(dá)2號隧道施工工藝提出了有效的施工措施和注意事宜，遏制圍巖的進(jìn)一步變形，防止安全質(zhì)量事故的發(fā)生。由上述分析得出的結(jié)論是:

1)由于噴射混凝土撓度變形小，圍巖應(yīng)力分布不均勻，當(dāng)圍巖應(yīng)力過大時，使得噴射混凝土不均勻受力，造成變形開裂。

2)初期支護(hù)中，由于噴射混凝土、鋼架、錨桿、鋼板等變形不協(xié)調(diào)，致使連接鋼板以上50 cm～150 cm范圍內(nèi)，鋼架剛度不足呈現(xiàn)“S”變形。

3)以上研究成果，對類似工程的施工起到重要的指導(dǎo)和借鑒，具有重要的研究意義和應(yīng)用價值。

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