尤顯明， 李沿宗

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司， 河南 洛陽(yáng) 471009)

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極高地應(yīng)力軟巖隧道超前導(dǎo)洞應(yīng)力釋放及多層支護(hù)變形控制技術(shù)

尤顯明， 李沿宗

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司， 河南 洛陽(yáng) 471009)

為了解決極高地應(yīng)力軟巖隧道大變形控制難題，以蘭渝鐵路木寨嶺隧道嶺脊核心段施工為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，得到如下主要結(jié)論： 1)提出了“先放后抗，抗放結(jié)合，錨固加強(qiáng)”的變形控制理念； 2)得出了該隧道嶺脊核心段“超前導(dǎo)洞應(yīng)力釋放+圓形4層支護(hù)結(jié)構(gòu)+徑向注漿+長(zhǎng)錨桿+長(zhǎng)錨索”綜合變形控制方案； 3)超前導(dǎo)洞應(yīng)力釋放效果明顯，正洞累計(jì)變形減小幅度約為34%； 4)得到了圓形多層支護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律； 5)累計(jì)變形均控制在設(shè)計(jì)預(yù)留變形量?jī)?nèi)，保證了該隧道嶺脊核心段大變形控制效果。

高地應(yīng)力軟巖隧道； 超前導(dǎo)洞應(yīng)力釋放； 多層支護(hù)； 變形控制

0 引言

近年來(lái)，鐵路隧道的大量建設(shè)促進(jìn)了隧道修建技術(shù)的大發(fā)展，而極高地應(yīng)力軟巖地區(qū)修建隧道時(shí)仍會(huì)面臨圍巖和結(jié)構(gòu)大變形控制方面的難題，復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境也給隧道施工帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)，如蘭渝鐵路木寨嶺隧道嶺脊核心段施工就遭遇了大變形控制難題，該隧道嶺脊核心段處于極高地應(yīng)力軟巖環(huán)境，在前期采取“單層初期支護(hù)+二次襯砌”和“雙層初期支護(hù)+二次襯砌”支護(hù)結(jié)構(gòu)模式下，初期支護(hù)發(fā)生多次極大變形，拆換極為頻繁，且二次襯砌混凝土在施作一段時(shí)間后不斷產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，給結(jié)構(gòu)安全帶來(lái)了極大威脅，不得不再次對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆換施工。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)高地應(yīng)力軟巖隧道施工變形機(jī)制、變形控制以及施工組織等方面已做了大量的研究工作。如： 文獻(xiàn)[1-5]就軟巖大變形機(jī)制進(jìn)行了分析，文獻(xiàn)[6-10]就軟巖大變形隧道支護(hù)措施與方法等進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[11-15]就隧道軟巖大變形控制及施工技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。這些成果對(duì)一般高地應(yīng)力軟巖隧道的安全施工可進(jìn)行較好的指導(dǎo)，但并不能完全解決極高地應(yīng)力軟巖隧道的變形控制難題，本文結(jié)合蘭渝鐵路木寨嶺隧道嶺脊核心段特殊地質(zhì)環(huán)境，綜合考慮結(jié)構(gòu)安全性及施工效率，對(duì)施工及變形控制方案進(jìn)行進(jìn)一步探索和研究，以期解決該高地應(yīng)力軟巖隧道嶺脊核心段大變形控制及結(jié)構(gòu)安全性難題。

1 隧道嶺脊核心段工程及地質(zhì)概況

2 變形控制方案分析

2.1 變形控制方案的提出

蘭渝鐵路木寨嶺隧道嶺脊核心段前期采用三臺(tái)階法施工，由于變形極大，基于“以抗為主”的變形控制理念，曲墻支護(hù)結(jié)構(gòu)由“單層初期支護(hù)+二次襯砌”增強(qiáng)為“雙層初期支護(hù)+二次襯砌”結(jié)構(gòu)?！皢螌映跗谥ёo(hù)+二次襯砌”結(jié)構(gòu)參數(shù)主要為： 單層初期支護(hù)主要為H175型鋼，間距0.7 m，噴C30混凝土，厚33 cm，二次襯砌為40 cm鋼筋混凝土?！半p層初期支護(hù)+二次襯砌”結(jié)構(gòu)主要參數(shù)為： 雙層初期支護(hù)主要為H175型鋼，間距0.7 m，噴C30混凝土，第1層厚33 cm，第2層厚25 cm，二次襯砌為60 cm鋼筋混凝土。但在上述條件下，即使支護(hù)結(jié)構(gòu)不斷增強(qiáng)仍不能長(zhǎng)期有效地控制變形的發(fā)展(見圖1)，初期支護(hù)累計(jì)變形平均值在2 300 mm左右，局部最大達(dá)到3 500 mm以上，二次襯砌施作后已出現(xiàn)不同程度開裂，極大影響結(jié)構(gòu)安全。為了保證變形控制效果和支護(hù)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期安全，根據(jù)嶺脊核心段工程與地質(zhì)環(huán)境，基于“先放后抗、抗放結(jié)合、錨固加強(qiáng)”的變形控制理念，經(jīng)設(shè)計(jì)與施工單位共同研究，在該隧道嶺脊核心剩余施工段采用“超前導(dǎo)洞應(yīng)力釋放+圓形4層支護(hù)結(jié)構(gòu)+徑向注漿+長(zhǎng)錨桿+長(zhǎng)錨索”變形控制方案，同時(shí)施工過(guò)程中充分利用監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。實(shí)施里程范圍如表1所示。

(a) 拱架開裂

(b) 混凝土脫落

名稱位置圓形開挖里程范圍共計(jì)里程/m圓形擴(kuò)挖段左線DK180+995～DK181+275280右線DYK181+013～+257244

2.2 超前導(dǎo)洞應(yīng)力釋放方案

超前導(dǎo)洞斷面為7 m×6.8 m(寬×高)，采用2臺(tái)階法施工，臺(tái)階長(zhǎng)度約為5 m，開挖臺(tái)階布置如圖2所示。開口段采用仰拱封閉成環(huán)，變形較大時(shí)采用套拱多次噴混凝土抑制變形發(fā)展，主要支護(hù)參數(shù)為H175型鋼，間距0.7 m/榀，拱墻噴C30混凝土，厚33 cm，仰拱采用C30混凝土，厚103 cm。超前導(dǎo)洞開挖支護(hù)完成后，在保證安全的基礎(chǔ)上，讓其自由變形，釋放時(shí)間大約3個(gè)月。

圖2 開挖臺(tái)階布置(單位： m)

2.3 圓形擴(kuò)挖變形控制施工方案

2.3.1 開挖參數(shù)

圓形擴(kuò)挖段施工時(shí)，首先在小導(dǎo)洞位置回填洞渣反壓，然后三臺(tái)階法擴(kuò)挖至設(shè)計(jì)斷面，臺(tái)階高度3～5 m，長(zhǎng)度4～7 m，開挖進(jìn)尺0.7 m，圓形擴(kuò)挖斷面如圖3所示。

綜上所述，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)與科技的高速發(fā)展，人們的生活水平得到極大的改善，社會(huì)各界越來(lái)越重視食品的安全性，因此食品檢測(cè)技術(shù)一定會(huì)逐漸成熟起來(lái)。作為近兩年興起的食品檢測(cè)技術(shù)之一，高效液相色譜技術(shù)能夠應(yīng)用在高氨基酸、甜味劑、防腐劑、色素、農(nóng)藥殘留及獸藥殘留等多方面的檢測(cè)，應(yīng)用相當(dāng)廣泛，值得推廣使用。

圖3 圓形擴(kuò)挖段三臺(tái)階與導(dǎo)洞位置示意圖(單位： cm)

2.3.2 支護(hù)參數(shù)

為了保證蘭渝鐵路木寨嶺隧道嶺脊核心段變形控制效果和結(jié)構(gòu)安全，圓形擴(kuò)挖段支護(hù)方案主要采用“4層支護(hù)+徑向注漿+長(zhǎng)錨索+長(zhǎng)錨桿”。4層支護(hù)參數(shù)(見圖4)主要為： 第1層支護(hù)采用H175型鋼鋼架，0.7 m/榀，噴33 cm厚C30混凝土，預(yù)留變形量50 cm； 第2層支護(hù)采用H175型鋼鋼架，0.7 m/榀，與第1層交錯(cuò)布置，噴25 cm厚C30混凝土，預(yù)留變形量60 cm； 第3層采用噴鋼筋(φ22主筋)混凝土(C35)支護(hù)，厚40 cm，預(yù)留變形量15 cm； 第4層二次襯砌為φ22鋼筋C35混凝土，厚70 cm。

錨固參數(shù)主要為： 拱墻采用φ42小導(dǎo)管徑向注漿，長(zhǎng)4.0 m，環(huán)向間距1.2 m×1.2 m； 邊墻設(shè)4×φ15.2 mm錨索，長(zhǎng)15 m，錨固段5 m、自由段9.5 m、張拉段0.5 m，10根/環(huán)，環(huán)距2.8 m； 邊墻設(shè)R38N自進(jìn)式錨桿，長(zhǎng)8 m，每環(huán)8根，縱向間距為0.7 m，均在第2層初期支護(hù)上施作。

圖4 圓形擴(kuò)挖斷面設(shè)計(jì)參數(shù)(單位： cm)

2.3.3 施工工序

根據(jù)實(shí)際施工條件，施工工序主要為： 洞渣回填導(dǎo)洞—上臺(tái)階開挖及第1層初期支護(hù)—中臺(tái)階左右側(cè)開挖及第1層初期支護(hù)—拆除小導(dǎo)洞—上中臺(tái)階第2層初期支護(hù)—上中臺(tái)階徑向注漿、中臺(tái)階長(zhǎng)錨桿施工—下臺(tái)階左側(cè)開挖及第1、2層初期支護(hù)—拆除導(dǎo)洞剩余初期支護(hù)及仰拱—下臺(tái)階右側(cè)開挖及第1、2層初期支護(hù)—下臺(tái)階徑向注漿—仰拱施工—長(zhǎng)錨索、剩余長(zhǎng)錨桿施工—拱墻第3層初期支護(hù)—施工第4層拱墻襯砌。

2.3.4 施工縱向布局

為了進(jìn)行平行施工作業(yè)，提高施工效率，滿足機(jī)械作業(yè)空間要求的同時(shí)利于變形控制，經(jīng)過(guò)優(yōu)化分析得到： 上、中、下臺(tái)階長(zhǎng)分別為5、7、4 m，仰拱步距30 m，長(zhǎng)錨桿、長(zhǎng)錨索施工步距39 m，第3層支護(hù)施工步距46 m，二次襯砌施工步距56 m。具體施工布局如圖5所示。

圖5 圓形擴(kuò)挖段施工布局示意圖(單位： m)

3 超前導(dǎo)洞應(yīng)力釋放效果分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，超前導(dǎo)洞典型斷面拱頂沉降與凈空收斂統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 超前導(dǎo)洞變形統(tǒng)計(jì)(平均值)

由統(tǒng)計(jì)可知，超前導(dǎo)洞拱頂沉降平均值為320～650 mm，最大為952 mm； 上臺(tái)階收斂變形平均值為510～1 010 mm，最大為2 032 mm； 下臺(tái)階累計(jì)收斂變形平均值為430～690 mm，變形累計(jì)值大，說(shuō)明對(duì)應(yīng)力進(jìn)行了較為充分的釋放。

為了分析超前導(dǎo)洞應(yīng)力釋放效果，將超前導(dǎo)洞應(yīng)力釋放段與普通段典型斷面第1層和第2層初期支護(hù)前10 d變形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如表3所示。

通過(guò)對(duì)比可以看出，擴(kuò)挖段已施工典型斷面第1層支護(hù)和第2層支護(hù)前10 d上臺(tái)階收斂變形值、變形速率與普通段相比有所減小，第1層減小幅度約為11.7%，第2層減小幅度約為22.3%，累計(jì)減小34%，充分說(shuō)明在蘭渝鐵路木寨嶺隧道嶺脊核心段采用超前導(dǎo)洞提前應(yīng)力釋放，對(duì)于正洞擴(kuò)挖時(shí)變形的控制有明顯作用。

4 圓形支護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，各段平均變形統(tǒng)計(jì)如表4所示。該表中變形為各階段變形值，變形速率為各階段平均變形速率。

圓形擴(kuò)挖段第1層支護(hù)變形累計(jì)值及速率均很大，平均值分別為拱頂沉降187 mm、速率21 mm/d，上臺(tái)階收斂482 mm、速率52.0 mm/d，中臺(tái)階收斂661 mm、速率110 mm/d； 各部位相比較，中臺(tái)階收斂累計(jì)值和變形速率較大，是變形控制的重點(diǎn)部位。第2層支護(hù)后因進(jìn)行仰拱、長(zhǎng)錨桿、長(zhǎng)錨索施工，測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng),平均累計(jì)變形也最大,達(dá)到1 153 mm，但平均變形速率明顯減小，其減小幅度達(dá)到50%以上，收斂速率為20 mm/d左右，數(shù)值仍偏大，不能抵抗圍巖變形。第3層支護(hù)施作后變形累計(jì)值及速率均明顯減小，平均變形速率大部分控制在2 mm/d左右，說(shuō)明3層支護(hù)完成后對(duì)變形的控制效果明顯，同時(shí)也基本達(dá)到設(shè)計(jì)施作第4層模注鋼筋混凝土襯砌的條件。

典型斷面DYK181+040變形歷時(shí)曲線如圖6所示。

圖6 典型斷面變形歷時(shí)曲線(2016年)

Fig. 6 Time-history deformation curves of typical section (in 2016)

由圖6可知，圓形擴(kuò)挖段正洞典型斷面上臺(tái)階累計(jì)收斂最大，且各測(cè)點(diǎn)變形持續(xù)較快發(fā)展，上中臺(tái)階第2層支護(hù)及仰拱施工完成后，變形速率明顯減小，說(shuō)明及時(shí)施作各層支護(hù)及仰拱、縮短工序時(shí)間是變形控制的關(guān)鍵。

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

極高應(yīng)力區(qū)嶺脊核心段由于地應(yīng)力高、圍巖極為軟弱、地質(zhì)條件復(fù)雜，大變形的有效控制仍然是工程界面臨的一大難題，本文根據(jù)蘭渝鐵路木寨嶺隧道嶺脊核心段現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)及施工環(huán)境，對(duì)變形控制方案進(jìn)行了探索和研究，得到如下主要結(jié)論：

1)提出了隧道嶺脊核心段 “先放后抗、抗放結(jié)合、錨固加強(qiáng)”的變形控制理念，采用“超前導(dǎo)洞應(yīng)力釋放+圓形4層支護(hù)結(jié)構(gòu)+徑向注漿+長(zhǎng)錨桿+長(zhǎng)錨索”的變形控制方案，優(yōu)化了施工工序和縱向施工布局，保證了變形控制效果。

2)在極高地應(yīng)力軟巖環(huán)境下，采取超前導(dǎo)洞應(yīng)力釋放后，正洞擴(kuò)挖初期支護(hù)結(jié)構(gòu)累計(jì)變形和變形速率均大幅減小，減小幅度約34%，說(shuō)明超前導(dǎo)洞應(yīng)力釋放對(duì)正洞變形的控制效果較為顯著。

3)通過(guò)對(duì)隧道嶺脊核心段各部位比較，上中臺(tái)階收斂累計(jì)值和變形速率較大，是變形控制的重點(diǎn)部位，且隨著初期支護(hù)的加強(qiáng)，變形速率不斷減小，第2層初期支護(hù)及長(zhǎng)錨桿、長(zhǎng)錨索施作后變形速率明顯減小，減小幅度約為第1層初期支護(hù)變形速率的50%以上，第3層初期支護(hù)施作后，平均變形速率大部分控制在2 mm/d，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)施作第4層鋼筋混凝土條件。

4)針對(duì)高地應(yīng)力軟巖隧道，采取超前導(dǎo)洞進(jìn)行應(yīng)力釋放后，正洞擴(kuò)挖施工時(shí)及時(shí)施作各層支護(hù)及仰拱、縮短工序時(shí)間是變形控制的關(guān)鍵。

5.2 討論

針對(duì)高地應(yīng)力軟巖隧道，本文采用超前釋放、圓形多層支護(hù)和錨固加強(qiáng)等綜合措施進(jìn)行變形控制，在該領(lǐng)域尚屬首次，其成果可為后續(xù)類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況來(lái)看，多層初期支護(hù)及錨固系統(tǒng)全部施作完成后變形速率雖控制在了2 mm/d，但并沒(méi)有完全收斂，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期安全性有待進(jìn)一步評(píng)估； 極高地應(yīng)力軟巖環(huán)境下隧道變形控制措施及結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期安全性問(wèn)題，有必要進(jìn)一步通過(guò)理論和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方式進(jìn)行探索。

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Stress Releasing and Deformation Control Technology of Multilayer Supportfor Pilot Heading of a Soft Rock Tunnel with Extremely High Ground Stress

YOU Xianming, LI Yanzong

(ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)

The control of large deformation of soft rock tunnel with extremely high ground stress is always a difficulty. As a result, field test and data analysis are carried out for core mountain ridge section of Muzhailing Tunnel on Lanzhou-Chongqing Railway. Some conclusions are drawn as follows: 1) The deformation control idea of “release first and then resistance, combination of release and resistance, and anchoring reinforcement” is put forward. 2) The tunnel deformation control scheme of “pilot heading stress releasing+four layers of circular supporting structure+radial grouting+long anchor bolt+long anchor cable” is adopted for the core mountain ridge section. 3) The stress releasing effect of pilot heading is obvious; and the accumulated deformation of main tunnel is decreased about 34%. 4) The deformation law of circular multilayer support structure is obtained. 5) The effect of the large deformation control has been ensured.

soft rock tunnel with high ground stress; stress releasing of pilot heading; multilayer support; deformation control

2016-06-29;

2016-10-08

尤顯明(1968— )，男，河南輝縣人，1990年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院，隧道及地下工程專業(yè)，本科，教授級(jí)高級(jí)工程師，現(xiàn)從事隧道及地下工程方面的管理工作。E-mail： yxm680924@sina.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.07.008

U 455.4

B

1672-741X(2017)07-0832-06