王君順

(蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅蘭州　730000)

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淺埋黃土隧道初期支護(hù)侵限段的結(jié)構(gòu)安全分析與應(yīng)對措施

王君順

(蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅蘭州730000)

摘要:新建大頭峴黃土隧道出口淺埋段地表為耕地，間歇性澆水和地表降水導(dǎo)致圍巖土體抗剪強(qiáng)度降低，加之施工工序的不緊湊等原因引起初期支護(hù)下沉變形并侵入二次襯砌。本文應(yīng)用有限元軟件MIDAS/GTS對初期支護(hù)侵限段結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行了分析。依據(jù)分析結(jié)果，建議根據(jù)初期支護(hù)下沉侵限程度分別采取措施:對初期支護(hù)侵限≤5 cm且變形基本穩(wěn)定段不做處理;對初期支護(hù)侵限≤10 cm且變形基本穩(wěn)定段通過增強(qiáng)配筋進(jìn)行處理;對初期支護(hù)侵限＞10 cm的段落宜進(jìn)行換拱處理。這樣可減小大面積換拱帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，并節(jié)約投資。

關(guān)鍵詞:隧道初支侵限結(jié)構(gòu)安全處理措施

我國黃土地層分布廣泛，隨著國家基礎(chǔ)建設(shè)力度的加大，黃土地區(qū)修建的隧道及其他地下工程不斷增多。淺埋黃土隧道受其特殊的地質(zhì)條件及施工不規(guī)范等因素影響，致使隧道施工時(shí)極易出現(xiàn)拱頂下沉、邊墻下塌、噴射混凝土剝落，支護(hù)鋼拱架扭曲變形，鎖腳錨管扭曲，造成初期支護(hù)(簡稱初支)結(jié)構(gòu)變形，侵入二次襯砌(簡稱二襯)結(jié)構(gòu)。以往常規(guī)的處理方法是對侵限部位換拱，但對于淺埋黃土隧道而言，進(jìn)行大面積的換拱安全風(fēng)險(xiǎn)大，易產(chǎn)生塌方。本文依托實(shí)際工程，對淺埋黃土鐵路隧道施工中初期支護(hù)侵限問題進(jìn)行研究，以期為類似工程的侵限處治進(jìn)行指導(dǎo)。

1　工程概況

大頭峴隧道位于甘肅省黃土梁峁丘陵區(qū)及沙溝高階地，隧區(qū)內(nèi)地形起伏較大，溝壑縱橫，山體黃土覆蓋。該隧道為中川至馬家坪線重點(diǎn)控制工程，埋深為0～80 m，該隧道出口段( 170 m)下穿一耕地(為水澆地)，地形平坦，埋深12 m。襯砌結(jié)構(gòu)形式如圖1。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)和綜合勘察資料，隧道出口淺埋段地層巖性為砂質(zhì)黃土，成分以粉粒為主，手搓砂感強(qiáng)，土質(zhì)均勻，純凈，可見孔隙，局部可見少量白色鈣質(zhì)菌絲，稍濕～潮濕，疏松～稍密。圍巖自穩(wěn)能力及成洞條件差，易坍塌，圍巖級別為Ⅴ級。

圖1襯砌結(jié)構(gòu)形式(單位: cm)

2初支下沉及地表開裂情況

2. 1初支下沉情況

隧道施工出口淺埋段時(shí)，隧道拱部及邊墻部位發(fā)生不同程度的下沉，最大下沉發(fā)生在拱部(拱頂下沉侵限15 cm)，兩側(cè)邊墻呈對稱狀發(fā)生下沉變形，侵入二次襯砌的限界(圖2)，造成拱部及邊墻部位噴射混凝土開裂，剝落掉塊，局部鋼拱架扭曲變形。

2. 2地表開裂情況

隧道內(nèi)圍巖與初支發(fā)生嚴(yán)重變形后，洞頂?shù)乇硭淼乐芯€兩側(cè)各出現(xiàn)1條與隧道中心線平行的縱向裂縫，最大裂縫寬度達(dá)15 cm。隨著掌子面的開挖掘進(jìn)，掌子面前方已有可見裂縫產(chǎn)生，且不斷向前延伸發(fā)展，兩條縱向裂縫間伴隨著一些橫向裂縫。由于拱頂?shù)南鲁粒谱用嫱９て陂g，在掌子面前方地表出現(xiàn)1條橫向裂縫，與縱向裂縫連通，形成懷抱式橫向裂縫。

圖2侵限部位(單位: cm)

3初支侵限原因及結(jié)構(gòu)安全分析

3. 1初支侵限原因

首先，淺埋黃土隧道開挖過程也是地層內(nèi)應(yīng)力重新分布的過程，開挖前土體處于天然應(yīng)力平衡狀態(tài)，開挖時(shí)隧道周邊圍巖失去原有支撐，除向洞內(nèi)產(chǎn)生徑向位移外，也會在開挖面產(chǎn)生較大的縱向位移。這種徑向和縱向位移的共同作用改變了原有土體的應(yīng)力平衡。應(yīng)力的重新調(diào)整，使得掌子面周圍一定范圍內(nèi)土體產(chǎn)生位移，引起圍巖變形，致使初支下沉、地表沉降［1］。

其次，隧道出口淺埋段為耕地，其結(jié)構(gòu)疏松～稍密，壓縮性偏高，由于間歇性澆地及地表降水，在地表形成不同程度的徑流，雨水滲入黃土孔隙中，軟化土體，誘發(fā)圍巖破壞。雨水滲入對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:①結(jié)構(gòu)。雨水滲入導(dǎo)致土體含水率增加，含水率的增加使得土粒間黏聚力下降，土體的抗剪強(qiáng)度降低，削弱了圍巖的有效應(yīng)力，極大地影響圍巖的成拱能力。②荷載。雨水滲透集聚使得圍巖重度增加，隧道結(jié)構(gòu)所承受的圍巖壓力增大，使隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)乃至初支變形侵限、局部坍塌。

再次，現(xiàn)場施工時(shí)施工單位只注重了開挖、支護(hù)進(jìn)度，沒有完全遵照新奧法中“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測”的施工原則，工序不緊湊，仰拱沒有及時(shí)封閉成環(huán)，造成初支沉降［2-5］。

3. 2初支侵限結(jié)構(gòu)安全分析

隧道淺埋段地表為常年水澆地，土質(zhì)疏松，對初支侵限段落均按換拱處理的話，一方面不能保證節(jié)點(diǎn)工期且增加成本，另一方面大面積換拱存在隧道塌方的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

1)計(jì)算參數(shù)及方法

計(jì)算所涉及的材料主要為巖土、支護(hù)結(jié)構(gòu)。圍巖級別為Ⅴ級，其物理力學(xué)指標(biāo)及襯砌混凝土參數(shù)參照《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》( TB 10003—2005)取值，見表1、表2。

表1圍巖物理力學(xué)指標(biāo)

表2襯砌混凝土參數(shù)

通過對已施工完的初支侵限段落的分類統(tǒng)計(jì)，二次襯砌厚度分別取45 cm(工況1)、40 cm(工況2)、35 cm(工況3)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。利用有限元理論，襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算以局部變形理論為基礎(chǔ)，采用荷載—結(jié)構(gòu)模型，應(yīng)用破損階段法，對構(gòu)件截面強(qiáng)度及裂縫寬度進(jìn)行驗(yàn)算。計(jì)算中采用梁單元模擬襯砌，用布置于各節(jié)點(diǎn)上的彈性連桿單元來模擬圍巖與襯砌的相互約束，彈性連桿只承受壓力，彈性連桿受壓時(shí)的反力即為圍巖對襯砌的反力。

2)安全性評價(jià)

參照《黃土隧道工程》［6］中“按豎向、水平圍巖壓力合力比算法，淺埋黃土隧道二次襯砌荷載分擔(dān)比例在51%～53%之間，平均荷載分擔(dān)比例約為50%”。本計(jì)算考慮淺埋，土柱厚度較厚，計(jì)算時(shí)隧道二次襯砌承擔(dān)荷載取上層土柱豎向力的80%，計(jì)算結(jié)果用于襯砌配筋，對結(jié)構(gòu)而言相對保守，實(shí)施后有利于結(jié)構(gòu)安全。

利用有限元理論，襯砌結(jié)構(gòu)按梁單元?jiǎng)澐钟邢拊W(wǎng)格，由于計(jì)算地面基本水平，襯砌結(jié)構(gòu)受力具有對稱性，其隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見表3。

表3襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力

根據(jù)規(guī)范，二次襯砌是承載主體，要求不允許出現(xiàn)較大的變形與開裂，二次襯砌配筋時(shí)要求最小安全系數(shù)＞2，最大裂縫寬度＜0. 2 mm。本文各工況計(jì)算結(jié)果見表4。

表4計(jì)算結(jié)果匯總

從表3、表4可以看出，襯砌結(jié)構(gòu)拱頂受力最不利，且工況3安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求;采用荷載—結(jié)構(gòu)法計(jì)算，在邊界條件不變的前提下，襯砌結(jié)構(gòu)受力變化甚小;在同樣襯砌材料和配筋的情況下，襯砌結(jié)構(gòu)同一部位的安全系數(shù)隨著襯砌厚度的變小而減小，這一趨勢主要體現(xiàn)在最大跨以上部位，最大跨以下部位影響較小;裂縫寬度隨著襯砌厚度的變小而增大，主要體現(xiàn)在襯砌結(jié)構(gòu)受力最不利的拱頂部位。

4　侵限段落工程處理措施

通過對襯砌結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析，以及對已施工完初支侵限段落的分類統(tǒng)計(jì)，分別采取以下工程措施:

1)初支侵限≤5 cm，即二襯厚度≥40 cm，變形收斂已基本穩(wěn)定段，不做任何處理。

2)初支侵限≤10 cm，即二襯厚度≥35 cm，變形收斂已基本穩(wěn)定段，通過增強(qiáng)配筋進(jìn)行處理。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)拱墻范圍內(nèi)主筋采用φ22鋼筋，間距為125 mm時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)及裂縫寬度均滿足規(guī)范要求。

3)初支侵限＞10 cm，二襯厚度＜35 cm的段落宜進(jìn)行換拱處理。具體方法如下。

①侵限換拱處理應(yīng)遵循“加固先導(dǎo)、先撐后破、重在開口、嚴(yán)禁爆破”的原則［7-9］。

②對局部變形收斂未基本穩(wěn)定的地段徑向注漿，確保拆除安全和換拱后初支變形在可控范圍之內(nèi)。徑向注漿采用φ42鋼花管，長3. 5 m，間距1. 2 m× 1. 2 m，壓注水灰比為0. 5∶1的水泥漿。

③鑿除侵限段初支鋼拱架時(shí)，對鋼拱架兩端節(jié)點(diǎn)各增加4根鎖腳錨管對其錨固，鎖腳錨管長4. 0 m，錨管內(nèi)壓注水灰比為0. 5∶1的水泥漿，注漿壓力為0. 8～1. 5 MPa，鎖腳錨管采用L形鋼筋與鋼架滿焊。

④對于侵限的初支部分，首先在侵限鋼架左右兩側(cè)25 cm處各設(shè)一榀I18型鋼鋼架套拱，鋼架立在強(qiáng)度滿足要求的仰拱上，確保套拱不下沉或滑動，鋼架與初支表面空隙處用木楔或其他物品楔緊，以保證各備用鋼架完全受力。

⑤在侵限鋼架周圍鑿孔打散初支結(jié)構(gòu)，再人工采用風(fēng)鎬進(jìn)行開鑿，盡量少采用破碎錘進(jìn)行大面積擾動。將侵限部位初支鑿除到設(shè)計(jì)位置(保證二襯厚度45 cm)，拆除變形鋼架后，立即嵌入已預(yù)制成型的鋼架并用長4. 0 m的鎖腳錨管錨固。鎖腳錨管、連接鋼筋等施作完畢后，立即復(fù)噴C25混凝土至設(shè)計(jì)位置，待初支穩(wěn)定后，方可拆除備用鋼架。換拱鋼架應(yīng)自上而下分節(jié)施作，同時(shí)應(yīng)特別注意鎖腳錨管、縱向連接鋼筋、墻腳墊塊的施工質(zhì)量。

⑥換拱采用逐榀更換，待前一榀整環(huán)初支完成后，才進(jìn)行下一榀鋼拱架的拆換工作。

⑦為保證施工安全，拆換鋼架時(shí)應(yīng)自上而下鑿出原初期支護(hù)并擴(kuò)挖至預(yù)留變形量不小于10 cm處，初噴4 cm厚C25混凝土，安裝新拱架并及時(shí)施作鎖腳錨管和縱向連接鋼筋后復(fù)噴C25混凝土至設(shè)計(jì)厚度。新鋼架材料、規(guī)格與原設(shè)計(jì)保持一致，鎖腳錨管采用長4 m的φ42鋼管，于鋼架分節(jié)處每側(cè)各設(shè)2根，縱向連接鋼筋采用φ22鋼筋，環(huán)向間距1 m。

⑧初支侵限段落的地表裂縫和陷穴采用原狀土換填夯實(shí)，并在表層施作30 cm厚的二八灰土封層，以免地表水匯集下滲。

5　結(jié)語

1)淺埋黃土隧道初期支護(hù)下沉侵限的現(xiàn)象，是多種影響因素共同作用的結(jié)果。

2)隧道淺埋段原設(shè)計(jì)的初期支護(hù)與二次襯砌均符合規(guī)范要求，具有較高的安全儲備。因此，一旦初期支護(hù)下沉侵限，不必盲目地進(jìn)行大面積的換拱，可對侵限段落分類統(tǒng)計(jì)歸整，通過襯砌結(jié)構(gòu)受力分析，采取有針對性的工程處理措施。

3)淺埋段大面積換拱存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。在保證襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)和裂縫寬度滿足要求的前提下，初期支護(hù)下沉侵限≤10 cm，即二次襯砌厚度≥35 cm時(shí)，通過加強(qiáng)襯砌配筋，可以對初期支護(hù)下沉侵限段不進(jìn)行換拱處理。

該隧道現(xiàn)已通車運(yùn)營，采取文中的措施原則和方法既保證了工期，節(jié)約了投資，還減小了大面積換拱帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)。

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(責(zé)任審編葛全紅)

Analysis of lining safety in clearance invaded by primary support section and its countermeasure for shallow buried tunnel in loess stratum

WANG Junshun

( Lanzhou Railway Survey and Design Institute Co．，Ltd．，Lanzhou Gansu 730000，China)

Abstract:T he shallow buried section at the exit of the newly-built Datouxian loess tunnel is covered by cultivated land，therefore rainfall and interim irrigation weaken the shear strength of the soil mass．At the same time，the inconsistent construction procedure and other factors at play contribute to the settlement and deformation of the primary support，which further invades into the secondary lining．In this light，the paper introduces the finite-element software M IDAS/GT S in the reliability analysis of the infringed section．T he results point out that differentiated measures need to be applied in accordance with the settlement and clearance invasion occurred．For 5 cm or less clearance invasion，whose deformation has reached a stable stage，no treatment measure is needed; for 10 cm or less clearance invasion，whose deformation has too reached a stable stage，better reinforcement is suggested; and for more than 10 cm clearance invasion，arch replacement shall be performed．T he differentiated approach reduces the risks in large-scale arch replacement and helps cut investment．

Key words:T unnel; Clearance invaded by primary support; Structural safety; Countermeasure

作者簡介:王君順( 1983—)，男，工程師，碩士。

收稿日期:2015-09-10;修回日期: 2015-11-20

文章編號:1003-1995( 2016) 02-0069-04

中圖分類號:U455

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．17