肖廣智

(中國鐵路總公司工程管理中心, 北京 100844)

0 引言

目前，在隧道施工中普遍重視、強(qiáng)調(diào)初期支護(hù)和襯砌的作用，而對加固圍巖、充分發(fā)揮圍巖自身承載能力方面重視不夠，或施作不到位，致使在軟弱圍巖施工時(shí)開挖分部較多，總變形量較大，在高地應(yīng)力軟巖、硬質(zhì)破碎巖隧道施工時(shí)發(fā)生大變形[1]，超過正常施工預(yù)留變形量，而必須拆換初期支護(hù)，不但大大降低施工工效，也造成了較大的施工安全隱患。產(chǎn)生這一問題的原因?yàn)椋?1)對控制變形的機(jī)制認(rèn)識不足； 2)未配備相應(yīng)施工設(shè)備; 3)未掌握相應(yīng)施工工藝。

針對隧道變形控制的問題，國內(nèi)已有大量的研究。肖廣智[1]、關(guān)寶樹[2]、張梅等[3]、趙勇[4]對軟弱圍巖隧道變形機(jī)制與控制技術(shù)進(jìn)行了全面且系統(tǒng)的探討； 劉欽[5]、王云龍[6]、李磊等[7]、李波[8]從機(jī)制和變形控制方面對不同巖性的隧道進(jìn)行了研究；史克臣[9]、萬明富等[10]分析了大斷面、大跨隧道開挖變形特征，并制定了相應(yīng)的變形控制方法。

黃林偉等[11]通過數(shù)值計(jì)算優(yōu)化開挖工法和支護(hù)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對軟巖隧道大變形的施工控制；丁遠(yuǎn)振等[12]通過對成蘭柿子園隧道進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，得到了軟巖大變形隧道的支護(hù)應(yīng)力特征與變形特征；鄒翀等[13]以木寨嶺隧道為例，通過現(xiàn)場試驗(yàn)研究分析高地應(yīng)力、軟巖隧道變形控制方法；彭峰等[14]、孫洋等[15]分別研究了核心土加固和施作加長錨桿等措施來控制軟巖變形的效果； Pietro Lunardi[16]針對軟弱破碎地質(zhì)，采取預(yù)約束和加固掌子面控制隧道變形實(shí)現(xiàn)全斷面開挖。

然而,以上研究成果均未明確提出主動控制變形的概念，也未系統(tǒng)形成具有普遍適用性的主動控制變形技術(shù)。本文通過相關(guān)工程調(diào)研，結(jié)合近年來部分鐵路隧道的實(shí)踐和工程試驗(yàn)，提出主動控制變形的理念，簡要介紹主動控制變形關(guān)鍵技術(shù)，以期推動隧道設(shè)計(jì)施工技術(shù)的發(fā)展。

1 主動控制變形技術(shù)調(diào)研

1.1 主動控制變形概念

鋼拱架和噴射混凝土組成的初期支護(hù)、二次襯砌通常被稱為被動支護(hù)，錨桿、錨索以及注漿加固地層因充分發(fā)揮圍巖自身承載能力，被稱為主動支護(hù)，采用主動支護(hù)措施控制圍巖變形通常稱為主動控制變形[17-19]。

1.2 煤礦行業(yè)主動控制變形技術(shù)

煤礦行業(yè)20世紀(jì)70年代初期在巖巷推廣應(yīng)用錨桿支護(hù)技術(shù)，90年代初期淘汰金屬鋼架支護(hù)，推廣應(yīng)用錨桿支護(hù)技術(shù)，巷道主動支護(hù)技術(shù)的核心在“錨”，錨桿發(fā)揮了巨大作用。兗礦集團(tuán)經(jīng)過多年的技術(shù)積累，在遵循《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》等國家標(biāo)準(zhǔn)、《煤礦巷道錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范》等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基本原則下，形成《兗礦集團(tuán)煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范》《煤巷錨桿支護(hù)材料標(biāo)準(zhǔn)》等企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋了錨桿支護(hù)技術(shù)管理體制、地質(zhì)力學(xué)評估及煤巷圍巖穩(wěn)定性分類、錨桿設(shè)計(jì)、支護(hù)材料、錨桿施工、支護(hù)監(jiān)測和質(zhì)量檢測等環(huán)節(jié)，對樹脂錨桿螺紋鋼桿體、扭矩螺母、錨固劑和鋼筋網(wǎng)提出了明確的技術(shù)要求。

1)樹脂錨桿桿體采用高強(qiáng)度、高延伸率的熱軋左旋螺紋鋼和精軋連續(xù)螺紋鋼，由鋼廠定制生產(chǎn)，適應(yīng)煤礦巷道地應(yīng)力高、變形大的特點(diǎn)； 扭矩螺母有阻尼式、銷釘式(見圖1)和壓片式(見圖2)； 錨固劑由樹脂膠泥和固化劑2部分分隔包裝成卷形，由工廠生產(chǎn)，施工時(shí)裝入錨桿孔混合后3～5 min將錨桿和巖體錨固在一起，初始錨固力在40 kN以上； 錨桿端頭采用扭矩螺母和墊片施加預(yù)應(yīng)力，將鋼筋網(wǎng)片等錨固達(dá)到主動支護(hù)的目的，錨桿端頭設(shè)置讓壓環(huán)，當(dāng)錨桿抗拔力達(dá)到一定程度時(shí)，讓壓環(huán)壓縮變形，達(dá)到圍巖應(yīng)力釋放的目的。

(a) (b)

圖2 壓片式扭矩螺母Fig. 2 Sheet type torque nut

2)由專業(yè)化加工廠生產(chǎn)錨桿桿體、鋼筋網(wǎng)片、菱形金屬網(wǎng)和經(jīng)緯金屬網(wǎng)等(見圖3—6)。桿體專用鋼材、樹脂錨固劑、扭矩螺母、墊片和讓壓環(huán)等統(tǒng)一采購； 每批錨桿等成品在出廠前進(jìn)行檢驗(yàn)，合格后簽發(fā)產(chǎn)品合格證，包裝好后按規(guī)定存儲。

圖3 磨平桿體螺紋Fig. 3 Screw thread planishing of anchor body

圖4 錨桿滾絲安裝螺母Fig. 4 Nut installation on anchor

圖5 錨墊板Fig. 5 Anchor gasket

圖6 菱形編網(wǎng)Fig. 6 Rhombic net

3)采用單體風(fēng)動錨桿鉆機(jī)或液壓錨桿鉆機(jī)成孔、人工插入錨固劑、鉆孔頂入桿體、氣動扳手緊固扭矩螺母的施工工藝。巷道爆破開挖完成后，即可安裝鋼筋網(wǎng)片，然后錨桿鉆機(jī)鉆孔，人工塞入樹脂錨固劑，錨桿鉆機(jī)頂入錨桿，氣動扳手帶動扭矩螺母旋轉(zhuǎn)桿體，將錨固劑中的樹脂膠泥和固化劑充分混合、固化，當(dāng)錨固達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)扭矩螺母中的銷釘脫落，螺母通過墊片將鋼筋網(wǎng)錨固于圍巖。錨桿長度在3 m左右時(shí)，單根錨桿的施工時(shí)間為7～15 min。邊墻錨網(wǎng)和拱部錨網(wǎng)如圖7和圖8所示。

圖7 邊墻錨網(wǎng)Fig. 7 Sidewall anchor net

圖8 拱部錨網(wǎng)Fig. 8 Arch anchor net

1.3 國外主動控制變形技術(shù)

挪威和瑞典是使用噴錨襯砌較早的國家。挪威約有長160 km的干線公路隧道采用噴射混凝土或鋼纖維噴射混凝土作為永久襯砌；瑞典的斯德哥爾摩地鐵區(qū)間及地鐵車站亦大量使用單層錨噴襯砌技術(shù)(如圖9所示)；瑞士修建的費(fèi)爾艾那隧道約有97%的支護(hù)都采用單層錨噴襯砌技術(shù)。

(a)

(b)

Fig. 9 Single-layered sprayed lining structure of Stockholm Metro Station

日本非常重視錨桿對圍巖的加固和控制變形的作用，對錨桿的施工工藝要求非常嚴(yán)格(如圖10—12所示)。例如： 為了保證設(shè)置的錨桿位置居中，采用金屬構(gòu)件固定錨桿，確保錨桿居中和注漿效果； 為了保護(hù)防水板，在錨頭上設(shè)置泡沫保護(hù)襯墊，防止防水層被錨頭劃破等。

圖10 錨桿整齊排列、編號Fig. 10 Arranging and numbering of anchor bolt

圖11 錨桿卡Fig. 11 Anchor bolt clip

圖12 錨桿后泡沫保護(hù)蓋Fig. 12 Bubble protection cap

2 鐵路隧道主動控制變形技術(shù)

在以往的鐵路隧道施工中由于缺乏施工設(shè)備，錨桿施作普遍不到位，未充分發(fā)揮錨桿的作用，繼而對錨桿的作用還存在爭論。近年來，部分鐵路隧道在主動控制變形技術(shù)的支撐下實(shí)現(xiàn)了大斷面機(jī)械化快速施工、特大斷面安全施工，在高地應(yīng)力軟巖大變形隧道施工中有效控制了圍巖變形，保證了施工安全，加快了施工進(jìn)度。

2.1 大斷面機(jī)械化快速施工

鄭萬鐵路設(shè)置試驗(yàn)段，采用漲殼式注漿錨桿穩(wěn)定圍巖，采用主動控制變形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了Ⅳ、Ⅴ級圍巖全斷面機(jī)械化快速施工。

2.1.1 漲殼式注漿錨桿穩(wěn)定圍巖機(jī)制

通過旋緊螺母使錨桿前端漲殼頭漲開，與圍巖有效接觸，給錨桿施加一定的初始張拉力，第一時(shí)間對圍巖的松弛和變形進(jìn)行約束；通過便捷快速的注漿工序，使錨桿桿體注漿飽滿，使錨桿與孔壁粘結(jié)牢固，形成摩擦阻力阻止圍巖發(fā)生位移；最終形成應(yīng)力拱效應(yīng)，使圍巖成為承載體而不是施載體。

2.1.2 漲殼式注漿錨桿工裝及機(jī)具配置

包括三臂鑿巖臺車、注漿組合車、氣動扳手、孔口測力計(jì)、頻率讀數(shù)儀和錨桿索檢測儀等。

2.1.3 漲殼式注漿錨桿施工工藝現(xiàn)場試驗(yàn)

錨桿工序(含鉆孔、錨桿推送、施加初始張拉力和注漿等)用時(shí)5 min 左右，是傳統(tǒng)錨桿用時(shí)的1/3，大大節(jié)約了工序時(shí)間；可以施加40 kN 以上的初始張拉力，第一時(shí)間對圍巖的松弛和變形進(jìn)行約束；注漿水灰比控制在0.3～0.4，注漿壓力控制在0.5～1.2 MPa，能夠確保錨桿桿體注漿飽滿。

2.2 特大斷面安全施工

京張高鐵八達(dá)嶺長城站大跨段為花崗巖地層，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖，開挖跨度32.7 m，開挖面積509.98 m2，是目前世界上最大的暗挖交通隧道，采用主動控制變形技術(shù)，建立剛?cè)岵?jì)、多重防護(hù)的圍巖自承載體系，改變了傳統(tǒng)的被動支護(hù)模式。剛?cè)岵?jì)、多重防護(hù)的圍巖自承載體系是采用普通錨桿、預(yù)應(yīng)力錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索、格柵鋼架和噴射混凝土等柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)對圍巖進(jìn)行加固，形成圍巖承載拱，承擔(dān)圍巖全部荷載；剛性的二次襯砌結(jié)構(gòu)作為安全儲備，滿足圍巖自承載圈長期穩(wěn)定性的要求。八達(dá)嶺車站支護(hù)如圖13和圖14所示。

施工期間大跨段圍巖變形監(jiān)測結(jié)果表明，最大值僅12.8 mm，滿足預(yù)控要求，確保了施工安全和結(jié)構(gòu)安全。

2.3 高地應(yīng)力軟巖隧道變形控制

在高地應(yīng)力軟巖隧道施工中，采用錨桿、長錨桿和錨索等主動控制變形的措施是有效控制變形的關(guān)鍵。

圖13 八達(dá)嶺車站支護(hù)斷面Fig. 13 Cross-section of support of Badaling Station

圖14 八達(dá)嶺車站現(xiàn)場施工照片F(xiàn)ig. 14 Construction site photo of Badaling Station

2.3.1 部分鐵路隧道案例

南昆鐵路家竹箐隧道[20]軟巖大變形段采用了8 m長的系統(tǒng)錨桿加固地層主動控制圍巖變形，輔以改善隧道形狀、加大邊墻曲率等措施。蘭武二線烏鞘嶺隧道[21]F7斷層軟巖大變形段采用了長(6 m)、短(4 m)錨桿結(jié)合主動控制圍巖變形，輔以雙層初期支護(hù)等措施。蘭渝鐵路木寨嶺隧道嶺脊段采用長、中、短相結(jié)合的3種錨固體系： 1)長。預(yù)應(yīng)力錨索，每側(cè)5根，縱向間距1.4 m，長18 m。2)中。自進(jìn)式錨桿，每榀鋼架10根，作為鎖固錨桿，長8 m。3)短。徑向注漿小導(dǎo)管，環(huán)縱向間距1.2 m×1.2 m，長4 m。

2.3.2 成蘭鐵路隧道工程試驗(yàn)

成蘭鐵路對軟巖大變形隧道開展了系統(tǒng)的科研和現(xiàn)場工程試驗(yàn)，試驗(yàn)前期主要強(qiáng)調(diào)“先柔后剛”、“先放后抗”，采取鋼架+噴混凝土支護(hù)措施，對于錨桿的變形控制效果認(rèn)識不足，對于如何發(fā)揮圍巖承載的針對性不強(qiáng)。通過對茂縣、楊家坪、躍龍門和云吞堡等隧道的研究、試驗(yàn)后逐步認(rèn)識到，隧道開挖后圍巖塑性變形破壞是產(chǎn)生圍巖壓力的原因，支護(hù)的目的就是為了限制塑性區(qū)的發(fā)展，發(fā)揮圍巖自承能力。支護(hù)措施應(yīng)從如何減少圍巖塑性破壞出發(fā)，主動加固圍巖，因此課題組提出了變形主動控制理念，形成了“加深地質(zhì)，主動控制，強(qiáng)化錨桿，工法配合，優(yōu)化工藝”的變形控制施工技術(shù)。其主動控制變形關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)如下。

1)強(qiáng)化錨桿，強(qiáng)調(diào)錨桿施工效率及錨固力發(fā)揮的及時(shí)性:

①合理選擇錨桿類型。對于錨桿鉆孔后一定時(shí)間內(nèi)圍巖能夠自穩(wěn)、不會立刻發(fā)生塌孔縮孔的，選用普通中空錨桿；對于錨桿鉆孔后孔壁易發(fā)生塌孔、無法在鉆桿拔出后送入桿體的，選用自鉆式中空錨桿(見圖15)。中空錨桿從錨固端部返漿，注漿質(zhì)量容易控制。

(a) 自鉆式中空注漿錨桿示意

(b) 中空錨桿實(shí)物

②配置專用機(jī)械設(shè)備。人工機(jī)具打設(shè)錨桿，角度受限，施工進(jìn)度慢，質(zhì)量不易保證，大變形地段應(yīng)配置高效率的專業(yè)錨桿鉆機(jī)或鑿巖臺車，可以實(shí)現(xiàn)全角度錨桿施工， 8～10 m長的錨桿施作時(shí)間可控制在10～20 min，現(xiàn)場采用的鉆機(jī)如圖16所示。

(a)

(b)

③優(yōu)化錨桿參數(shù)。采用地質(zhì)雷達(dá)、聲波測試法等方法探明松動區(qū)，明確不同等級、不同斷面的隧道圍巖松動圈，為確定錨桿參數(shù)提供依據(jù)。

④長短錨桿結(jié)合，形成群錨效應(yīng)。短錨桿施作便捷快速，用于初期變形控制，限制淺部圍巖松弛的發(fā)展，為長錨桿創(chuàng)造施作時(shí)機(jī)； 長錨桿錨入彈性區(qū)，將組合拱支護(hù)結(jié)構(gòu)懸吊于深部穩(wěn)定巖體，使淺部圍巖和深部圍巖共同作用，協(xié)調(diào)變形。長短錨桿合理組合，形成群錨效應(yīng)，可以有效限制隧道圍巖的塑性區(qū)發(fā)展，約束圍巖變形速率，保證隧道施工安全,見圖17。

圖17 長短錨桿結(jié)合Fig. 17 Long and short anchor bolts

躍龍門隧道3號斜井工區(qū)嚴(yán)重變形段，采用雙層支護(hù)+長短錨桿結(jié)合的措施(見圖18)，二次支護(hù)施作完成后基本控制了圍巖變形，圍巖變形最大速率在0.4 mm/d以內(nèi)。

在躍龍門隧道3號斜井工區(qū)進(jìn)行了不同工程措施控制變形對比試驗(yàn)，見表1。從表1可以看出，H175+長短錨桿結(jié)合的支護(hù)方式，其變形控制較其他措施更為有效。

⑤快錨固，早承載。早期短錨桿可采用藥包水泥、樹脂錨固劑等快速錨固盡快形成承載力；中后期長錨桿采用快凝水泥砂漿?？炷嗌皾{錨桿現(xiàn)場試驗(yàn)表明早強(qiáng)錨桿使邊墻圍巖壓力減小56%，使拱架拱部應(yīng)力減小36%，拱頂下沉和邊墻位移分別減小47.2%、41.8%。

表1躍龍門隧道3號斜井試驗(yàn)段(按正洞斷面)最終變形量控制對比

Table 1 Comparison of final deformation control amount of test section of inclined No. 3 of Yuelongmen Tunnel (in main tunnel cross-section)

里程埋深/m截至2016年6月最終變形量/mm拱頂下沉上臺階中臺階下臺階采取的主要措施+255424.77484.6471.6427.5415.8格柵+工20b+8 m砂漿錨桿+235432.92500.6520.4744.1430.2雙層工20b+8 m砂漿錨桿+225438.72396.7397.9526.8315.5H175+8 m自進(jìn)式錨桿+215446.02158319.9489.8155.8H175+長短錨桿結(jié)合

2)優(yōu)化工法，盡量少分步，實(shí)現(xiàn)大斷面開挖，盡早封閉仰拱成環(huán):

①掌子面自穩(wěn)性差時(shí)，采用微臺階施工，初期支護(hù)盡快封閉成環(huán)。

②掌子面自穩(wěn)性較好時(shí)，采用臺階法施工，盡量少分臺階，盡可能減少鋼架接頭等工序銜接薄弱環(huán)節(jié)。下臺階盡量帶仰拱一次開挖成型，初期支護(hù)盡快封閉形成整體。

躍龍門隧道開挖方法由三臺階優(yōu)化為二臺階，減少了開挖步數(shù)，減小了對圍巖的擾動，使初期支護(hù)早封閉，控制圍巖壓力和拱架應(yīng)力，有效控制隧道變形，同時(shí)還提高了施工進(jìn)度和施工效率，見圖19。三臺階法與二臺階法施工綜合對比見表2。

(a) 三臺階

(b) 二臺階

Table 2 Comparison between three-bench method and two-bench method

3)優(yōu)化工藝，主動控制變形：

①優(yōu)化超前支護(hù)布置。圍巖在未開挖掌子面前已發(fā)生變形，大變形段尤其如此，因此，根據(jù)圍巖穩(wěn)定性條件，擴(kuò)大超前加固的范圍。

②加強(qiáng)鋼架縱向連接。大變形段變形發(fā)展迅速，前后施工鋼架即可能存在較大的變形差異，通過加強(qiáng)縱向連接增加其整體性，如圖 20所示。

圖20 加強(qiáng)鋼架縱向連接Fig. 20 Longitudinal connection of reinforced steel frame

③優(yōu)化鋼架鎖腳。大變形段應(yīng)加強(qiáng)鎖腳錨固能力，宜采用樹脂錨桿等快錨鎖腳；將以控制鋼架基腳沉降為主的鎖腳調(diào)整為控制收斂為主；在鋼架接頭上下均布置多組鎖腳錨桿。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

1)在隧道施工中，主動控制圍巖變形，充分發(fā)揮、調(diào)動圍巖的自承載作用，是隧道現(xiàn)代修建技術(shù)的核心理念。

2)采用主動控制圍巖變形技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)軟弱圍巖大斷面機(jī)械化快速施工，解決超大斷面設(shè)計(jì)施工技術(shù)難題，有效控制高地應(yīng)力軟巖隧道變形，避免大變形的發(fā)生，保證施工安全和進(jìn)度。

3)錨桿、錨索以及注漿加固地層等是主動控制圍巖變形的關(guān)鍵技術(shù)措施，必須配置大型機(jī)械設(shè)備，掌握成套施工工藝，確保錨固的及時(shí)性和有效性。

3.2 建議

1)進(jìn)一步研究軟弱圍巖的蠕變特性、長期變形及圍巖壓力變化規(guī)律。

2)進(jìn)一步研究軟巖大變形隧道初期支護(hù)變形控制標(biāo)準(zhǔn)、二次襯砌施作時(shí)機(jī)及二次襯砌受力演化和防開裂措施。

3)推廣、普及錨桿施工專用設(shè)備，完善錨桿配套施工工藝。