李 寧

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

擠壓性圍巖隧道的圍巖軟弱，變形大且持續(xù)時間長，會在支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工、后期運營維護(hù)等方面產(chǎn)生一系列難題，其變形分級及控制對策亟待解決。雖然對擠壓性圍巖的研究取得了一些成果，但現(xiàn)行規(guī)范對變形分級、變形控制對策不能起到指導(dǎo)作用。目前，擠壓性圍巖隧道變形問題頻發(fā)，給設(shè)計和施工帶來了巨大挑戰(zhàn)。鑒于此，本文參考以往擠壓性圍巖變形分級，通過對以往典型隧道工程施工過程中的變形問題的系統(tǒng)總結(jié)，進(jìn)一步研究擠壓性圍巖隧道變形分級及控制對策，為類似工程提供參考。

1 擠壓性圍巖隧道的大變形

大變形是相對常規(guī)變形量而言的，屬于相對變形。不同的國家和行業(yè)規(guī)范(標(biāo)準(zhǔn))均預(yù)留了常規(guī)變形量，如表1所示。其中，變形量的上限為單線隧道120 mm、雙線隧道150 mm，約為其開挖跨度的2%。在擠壓性圍巖條件下支護(hù)發(fā)生超過常規(guī)變形量的變形便認(rèn)為發(fā)生了大變形。

表1 常規(guī)支護(hù)條件下的預(yù)留變形量 mm

2 擠壓性圍巖隧道變形分級

2.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

關(guān)于擠壓性圍巖隧道的變形分級，目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各分級標(biāo)準(zhǔn)相差較大。

1) HOEK等以相對變形、強(qiáng)度應(yīng)力比(即巖體單軸抗壓強(qiáng)度Rcm與原始地應(yīng)力P0的比值)為指標(biāo)進(jìn)行變形等級劃分[5]，見表2。

2)AYDAN等結(jié)合工程實例和理論，基于相對變形，進(jìn)行變形等級劃分[6]，見表3。

3)日本采用相對變形進(jìn)行變形等級劃分[7]，見表4。

4)JETHWA等結(jié)合工程實例和理論，采用強(qiáng)度應(yīng)力比進(jìn)行變形等級劃分[8]，見表5。

5)烏鞘嶺隧道以強(qiáng)度應(yīng)力比、原始地應(yīng)力為指標(biāo)進(jìn)行變形等級劃分[9]，見表6。

表2 HOEK變形等級劃分

表3 AYDAN變形等級劃分

表4 日本變形等級劃分

注：ηp，ηs，ηf分別為巖土材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線中硬化階段、屈服階段、軟化階段的極限應(yīng)變εp，εs，εf與彈性極限應(yīng)變εe的比值。

表5 JETHWA變形等級劃分

表6 烏鞘嶺隧道擠壓性圍巖變形等級劃分

6)蘭渝鐵路以相對變形、強(qiáng)度應(yīng)力比為指標(biāo)進(jìn)行變形等級劃分[10]，見表7。

表7 蘭渝鐵路擠壓性圍巖變形等級劃分

2.2 分級指標(biāo)

分級指標(biāo)主要有強(qiáng)度應(yīng)力比、原始地應(yīng)力、應(yīng)變、變形量、相對變形等?？紤]到擠壓性圍巖變形的實質(zhì)是圍巖在高地應(yīng)力作用下發(fā)生大變形，其變形量與所處環(huán)境的原始地應(yīng)力大小和圍巖強(qiáng)度直接相關(guān)。本文將強(qiáng)度應(yīng)力比作為變形潛勢指標(biāo)，相對變形作為變形驗證指標(biāo)，對擠壓性圍巖進(jìn)行分級。此外，擠壓性圍巖變形還與地質(zhì)構(gòu)造、地下水、層間結(jié)合物、巖層產(chǎn)狀、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、巖體完整性等指標(biāo)有關(guān)。這些指標(biāo)繁瑣且不易測定，本文不再贅述。

2.3 變形分級

鑒于擠壓性大變形隧道的復(fù)雜性，結(jié)合我國目前設(shè)計和施工，將擠壓性圍巖變形分級分為設(shè)計階段變形潛勢分級和施工階段變形驗證。

2.3.1 設(shè)計階段變形潛勢分級

設(shè)計階段根據(jù)隧道圍巖力學(xué)特性、地應(yīng)力條件等，采用強(qiáng)度應(yīng)力比對隧道變形潛勢進(jìn)行劃分(見表8)，從而進(jìn)行預(yù)設(shè)計。

表8 設(shè)計階段擠壓性圍巖隧道變形潛勢分級

2.3.2 施工階段變形驗證

施工階段根據(jù)相對變形和變形量驗證擠壓性圍巖變形潛勢分級，評判圍巖與支護(hù)措施的適應(yīng)性，并根據(jù)評判結(jié)果調(diào)整設(shè)計階段的分級，見表9。

表9 施工階段擠壓性圍巖隧道變形驗證

3 以往典型擠壓性圍巖隧道變形分級及工程對策

3.1 蘭渝鐵路木寨嶺隧道

蘭渝鐵路木寨嶺隧道大埋深段施工過程中發(fā)生極嚴(yán)重的變形，嶺脊核心段變形達(dá)100～300 cm，部分地段初期支護(hù)進(jìn)行了多次拆換[11]，相對變形4%～25%。按上述分級標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為Ⅱ,Ⅲ級大變形。

變形控制對策：嶺脊一般段采用錨(R38N自進(jìn)式鎖固錨桿，長8 m)、梁(H175型鋼鋼架)、噴(C30早高強(qiáng)噴射混凝土)、注(φ42注漿小導(dǎo)管，長4 m)聯(lián)合支護(hù)體系；嶺脊核心段設(shè)置超前小導(dǎo)洞進(jìn)行應(yīng)力釋放，采用圓形斷面、多層支護(hù)、分層施作，并設(shè)置緩沖層結(jié)構(gòu)使支護(hù)具有一定的讓壓特性(見圖1)，以適應(yīng)嶺脊核心段極高地應(yīng)力、變形量大、速率高、持續(xù)時間長等特點。

3.2 烏鞘嶺隧道

烏鞘嶺隧道通過F7區(qū)域性斷層及嶺脊志留系地層時變形較大，一般為300～700 mm，最大變形達(dá) 1 209 mm。相對變形5%～10%。按上述分級標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為Ⅱ,Ⅲ級大變形。

大變形主要控制對策：①變形極嚴(yán)重的F7斷層段設(shè)置迂回導(dǎo)坑進(jìn)行應(yīng)力釋放，采用圓形斷面，中長錨桿加固圍巖，多重支護(hù);二次襯砌采用大剛度的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。支護(hù)參數(shù)見表10。②對變形中等～嚴(yán)重的志留系千枚巖地層主要采取加大預(yù)留變形量、中長錨桿加固圍巖、加強(qiáng)支護(hù)剛度及強(qiáng)度等措施[12]。支護(hù)參數(shù)見表11。

圖1 嶺脊核心段襯砌斷面

表10 F7斷層段支護(hù)參數(shù)

注：噴射混凝土分2次施作，開挖后及時施作厚25 cm第1層噴射混凝土，待變形達(dá)10～15 cm時施作厚10 cm第2層噴射混凝土。

表11 志留系千枚巖地層支護(hù)參數(shù)

注： 埋深600 m以下地段采用φ22 mm錨桿，以上地段采用φ32 mm錨桿。

3.3 襄渝鐵路楊河隧道

襄渝鐵路楊河隧道的巖性為炭質(zhì)片巖，開挖后隧道發(fā)生極其嚴(yán)重的變形，單側(cè)最大變形達(dá)126 cm，相對變形12%，按上述分級標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為Ⅲ級大變形。

大變形主要控制對策[13-14]：優(yōu)化邊墻曲率，加大支護(hù)剛度和強(qiáng)度，在施工中應(yīng)突出“快”字，嚴(yán)格貫徹“短開挖、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、快成環(huán)”的原則，合理確定臺階長度和高度，及早形成環(huán)狀受力結(jié)構(gòu)。支護(hù)參數(shù)見表12。

表12 襄渝鐵路楊河隧道支護(hù)參數(shù)

3.4 蘭新鐵路大梁隧道

大梁隧道巖性為炭質(zhì)頁巖，施工中發(fā)生了大變形，最大變形87.8～101.0 cm，相對變形5.5%～6.5%，按上述分級標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為Ⅱ級大變形。主要采取了加強(qiáng)支護(hù)剛度、合理預(yù)留變形量、錨管超前預(yù)加固、中長錨桿加固圍巖等變形控制對策。大變形段支護(hù)參數(shù)見表13。

3.5 西成高鐵阜川隧道

阜川隧道巖性為碳質(zhì)頁巖，施工中發(fā)生了大變形，最大變形為81.4 cm，相對變形5%，按上述分級標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為Ⅱ級大變形。主要采用了加強(qiáng)支護(hù)剛度、合理預(yù)留變形量、錨管超前預(yù)加固、中長錨桿加固圍巖等變形控制對策。大變形段支護(hù)參數(shù)見表14。

表13 大梁隧道大變形段支護(hù)參數(shù)

表14 阜川隧道大變形段支護(hù)參數(shù)

4 擠壓性圍巖隧道變形控制技術(shù)

擠壓性圍巖隧道變形的主要控制對策有加大預(yù)留變形量、選擇合理斷面形式、加大支護(hù)剛度及強(qiáng)度、超前預(yù)加固、錨注補(bǔ)強(qiáng)、多重支護(hù)、超前導(dǎo)洞釋放應(yīng)力等。通過對以往典型擠壓性圍巖隧道變形分級及控制對策的系統(tǒng)總結(jié)，歸納出擠壓性圍巖隧道變形控制對策，見表15。

表15 擠壓性圍巖隧道變形控制對策

擠壓性圍巖強(qiáng)度低，具有明顯的流變特性，即使在很小的應(yīng)力狀態(tài)下也易發(fā)生持續(xù)性的大變形，且變形多在掌子面前方就已開始。因此，施工時應(yīng)堅持快挖快支快封閉，保護(hù)好原巖，防止圍巖劣化、強(qiáng)度進(jìn)一步降低，引起更大范圍的破壞和變形。

5 結(jié)論

1)本文在系統(tǒng)梳理與總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，以強(qiáng)度應(yīng)力比、相對變形為主要分級指標(biāo)，建立了擠壓性圍巖隧道設(shè)計階段變形潛勢分級，施工階段變形驗證的分級標(biāo)準(zhǔn)體系。

2)通過對以往典型擠壓性圍巖隧道工程施工過程中的變形問題的系統(tǒng)總結(jié)，提出了對應(yīng)于變形分級的擠壓性圍巖隧道變形控制對策。

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