姚正源

(上?？辈煸O(shè)計研究院〈集團〉有限公司，上海 200093)

1 工程概況

兩水隧道位于蘭渝鐵路第5標段，起止樁號里程為DK357+082～DK362+090，隧道全長4928.35 m，為雙線單洞鐵路隧道。隧道洞身穿過地層主要為志留系中、上統(tǒng)炭質(zhì)千枚巖、炭質(zhì)千枚巖夾板巖、灰?guī)r。炭質(zhì)千枚巖呈深灰、灰黑色，含炭質(zhì)，石英充填，鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，具絲絹光澤，污手。受構(gòu)造影響，褶皺發(fā)育，薄片、薄層狀巖層被節(jié)理切割成碎塊狀，巖體破碎，穩(wěn)定性差，巖體強度低于5 MPa，屬極軟巖，局部地段有滲水現(xiàn)象。表層風化層厚4～6 m，存在孤石、圍巖松散、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定易于造成滑坡、坍塌，處理不當會出現(xiàn)大坍塌。隧道圍巖巖性以灰?guī)r與千枚巖互層，千枚巖層理及節(jié)理裂隙較發(fā)育。

針對兩水隧道這樣的有圍巖大變形情況的復雜地質(zhì)情況隧道，在實際施工中采用了雙層初期支護及單層二次襯砌的施工關(guān)鍵技術(shù)對隧道進行開挖。

2 雙層初期支護

2.1 基本機理

雙層初支的第一層支護和第二層支護在受力過程中的受荷載情況是不同的。隧道向前開挖時，掌子面正前方的圍巖應力已經(jīng)有所釋放，這一段圍巖處于初始應力階段，直到施作第一層初期支護后圍巖的應力釋放開始受到約束，隨著施工進程的推進，圍巖應力釋放速度逐漸減慢，此時的第一層初支的變形速率也隨之降低。跟進施作第二層初支，第二層初期支護的力學傳遞機理為：(1)圍巖變形造成的擠壓應力。隧道開挖后，圍巖體由于受到擾動產(chǎn)生了應力釋放，由初始應力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎螒顟B(tài)，同時圍巖體進入塑性變形。施作第一層初支后，圍巖體和初期支護結(jié)合，圍巖體的變形受到了初期支護的約束，圍巖的擠壓應力傳遞到了初期支護上。第一層初期支護由于受力而產(chǎn)生了變形，這種變形隨著圍巖應力的不斷釋放而增長，在隧道工程中伴隨有第一層初期支護開裂、鋼架彎曲變形等現(xiàn)象。而后施作第二層初期支護，這樣第一層和第二層支護協(xié)同作用形成了雙層初支結(jié)構(gòu)。在理論上，這樣的支護結(jié)構(gòu)既能讓圍巖體的應力得到一定量的釋放，又能承擔圍巖變形產(chǎn)生的對支護結(jié)構(gòu)的擠壓應力，充分體現(xiàn)了對荷載在不同時空中支護的觀念。(2)承受第一層初期支護傳遞的應力。第一層初期支護在圍巖的持續(xù)變形下自身也在產(chǎn)生著持續(xù)變形，由于第二層初期支護對第一層初支的約束性，使得第二層初期支護受到擠壓。雙層支護之間的混凝土成為了力學傳遞的介質(zhì)，由于變形的不均勻性，雙層支護之間存在著剪應力。這樣的應力傳遞使得雙層支護共同受力，共同變形。

2.2 技術(shù)特點

雙層初期支護主要改善了3個方面的問題：(1)傳統(tǒng)的初期支護和二次襯砌的設(shè)計方法，實際變形量高于設(shè)計預留變形量，侵限情況頻發(fā)。采用了雙層初期支護和單層二次襯砌的設(shè)計后，累積變形量可以控制在600 mm以下，部分墻腰區(qū)域累積變形量可以控制在200 mm以下，基本符合了炭質(zhì)千枚巖圍巖隧道在Ⅴ級圍巖的情況下的累積變形量要求。(2)傳統(tǒng)的初期支護和二次襯砌的設(shè)計方法，不能有效地控制隧道斷面的變形速率，二次襯砌施作后受力較大容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。采用了雙層初期支護和單層二次襯砌的設(shè)計后，在整個隧道斷面雙層初期支護完成封閉成環(huán)后，斷面的變形速率基本都可以控制在2.0 mm/d左右，基本滿足了施作二次襯砌的條件。第二層初期支護可以緊跟第一層初期支護施作，也可以平行作業(yè)，施工進度不受影響，施工安全性得到了提高。(3)傳統(tǒng)的初期支護和二次襯砌的設(shè)計方法，在兩水隧道進口工段換拱情況頻發(fā)，施工進度不能得到保障，基本上只能達到每個月掘進20 m的進度指標。采用了雙層初期支護和單層二次襯砌的設(shè)計后，由于變形情況的改善，和結(jié)構(gòu)承載能力的提高，基本上杜絕了拆換拱的現(xiàn)象，同時能夠保證隧道進口段施工滿足每個月40～50 m的進度指標，滿足了隧道開挖要求。

2.3 施工流程

雙層初期支護施作的關(guān)鍵在于施工各工序要緊湊進行，第一次初期支護開挖的各臺階長度要嚴格控制，適當時候可以采用微臺階法開挖掌子面，盡量地縮短施作第二層初期支護時掌子面與支護的距離，也就是縮短仰拱和掌子面的距離，防止隧道斷面不能及時封閉成環(huán)，不能有效地控制應力的發(fā)展和圍巖大變形，造成第一層初期支護變形或者侵限現(xiàn)象，導致二次初期支護無法施作的被動情況。雙層初期支護施工圖，如圖1～3所示。

雙層支護的施工工藝流程主要有3個步驟：(1)第一層初期支護。掌子面微臺階法上臺階開挖后施作第一層初期支護，整個上臺階斷面噴射3～5 cm厚的C25混凝土。全斷面設(shè)立H175型鋼鋼架，鋼架間距0.5 m，在H175型鋼鋼架拱腳底部大約高30 cm處，緊貼著型鋼鋼架兩側(cè)邊緣，傾角30°往下設(shè)?89 mm鋼管鎖腳錨桿，對鋼架進行鎖固，每榀鋼拱架在左右兩側(cè)各設(shè)置1根，長3 m。復噴射C25混凝土至設(shè)計厚度30 cm，在拱腳處初期支護的混凝土層厚度可以適當加厚。隧道拱墻設(shè)置雙層Φ8鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格尺寸20 cm×20 cm。掌子面下臺階開挖后施作第一層初期支護，方法和上臺階一致。(2)第二層初期支護。第一層初期支護拱墻施工完成后，利用鋪掛防水板臺架安裝第二層初期支護設(shè)I18型鋼鋼架，鋼架間距1.0 m，一次可以安裝3～4榀。第二層初期支護噴射C25混凝土，厚度20 cm。在I18型鋼鋼架拱腳底部大約高30 cm處，緊貼著型鋼鋼架兩側(cè)邊緣，傾角30°往下設(shè)?22 mm砂漿鎖腳錨桿，對鋼架進行鎖固，每榀鋼拱架在左右兩側(cè)各設(shè)置1根，長1.5 m。拱墻設(shè)置單層Φ8鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格尺寸20 cm×20 cm，采用Φ22螺紋鋼筋縱向連接，環(huán)向間距1.0 m。(3)二次襯砌。根據(jù)要求在拱頂下沉速率和周邊收斂速率滿足每天變形量<2 mm的情況下才可以施作二次襯砌，采用了雙層初期支護和仰拱施作后，變形速率有了明顯的收斂，基本復合了每天變形<2 mm的要求。二次襯砌環(huán)向主筋采用Φ22鋼筋，主筋間距為20 cm,縱向鋼筋采用Φ14鋼筋，縱筋間距為20 cm，箍筋采用Φ8鋼筋。二次襯砌，采用C35鋼筋混凝土，拱墻厚度為60 cm。

圖1 第一層初期支護

圖2 第二層初期支護

圖3 二次襯砌

2.4 施工要求

兩水隧道在雙層初期支護的施工中有如下的要求：雙層初期支護所使用的混凝土是早強型混凝土，混凝土要能夠抵抗剪應力的作業(yè)，防止雙層支護由于過大變形產(chǎn)生剪切破壞，同時還要保證第一層初期支護和第二層初期支護之間有一定的粘結(jié)強度。

3 應力分析

3.1 第一層初期支護應力分析

由圖4、圖5可知，DK359+735斷面處第一層支護混凝土層應力在仰拱處達到最大值，最大值為9.80 MPa，其次是左拱腰處應力值為7.12 MPa，最小應力值為0.13 MPa出現(xiàn)在左墻腰處?？偟膩碚f，隧道斷面左側(cè)應力大于右側(cè)，并不是對稱分布。左拱腰處應力在初期處于比較復雜的應力情況，1個月后進入增長階段，在2個月后進入穩(wěn)定階段，呈現(xiàn)出臺階特征。仰拱處應力初期發(fā)展非常緩慢，在40 d后還是進入增長階段，在將近3個月時進入穩(wěn)定階段，呈現(xiàn)出廠字形特征。左拱腳處應力在15 d后進入增長階段，在30 d左右進入穩(wěn)定階段，整個應力變化時間短增長快，呈現(xiàn)出拋物線形特征。

圖4 DK359+735斷面第一層初支混凝土層應力時間曲線

圖5 DK359+735斷面第一層初支混凝土層應力橫斷面分布(MPa)

3.2 第二層初期支護應力分析

由圖6、圖7可知，DK359+735斷面處第二層初期支護混凝土層應力在右拱腳處達到最大值，最大值為12.01 MPa，其次是左拱腰處應力值為7.10 MPa，最小應力值為0.06 MPa出現(xiàn)在右墻腳處?？偟膩碚f，第二層支護混凝土層應力值在斷面分布較為平均，圖形基本為圓形。右拱腳處應力在2～3 d后開始進入增長階段，整體增長速率較為快速，在大約40 d后進入穩(wěn)定狀態(tài)，呈現(xiàn)拋物線形分布。左拱腰處應力在2～3 d后開始進入增長階段，整體增長速率較為緩慢，在30 d后進入穩(wěn)定狀態(tài)，呈現(xiàn)廠字形分布。

圖6 DK359+735斷面第二層支護混凝土層應力時間曲線

3.3 二次襯砌應力分析

由圖8、圖9可知，DK359+735斷面處二襯混凝土應力在右拱腰處達到最大值，最大值為2.28 MPa，其次是左拱腳處應力值為2.15 MPa，最小應力值為0.31 MPa出現(xiàn)在左墻腳處?？偟膩碚f，二襯混凝土應力值在2.5 MPa以下，在左右拱腰處應力值較大，左右邊墻處應力值較小。隧道斷面各點的應力時間曲線較為相似，應力在增長開始后的7 d基本趨于穩(wěn)定，總體呈現(xiàn)S形分布。測點右墻腰處由于應力原件故障數(shù)據(jù)未測得。

圖8 DK359+735斷面二襯混凝土應力時間曲線

圖9 DK359+735斷面二襯混凝土應力橫斷面分布(MPa)

4 結(jié)論

(1)混凝土層的應力時間曲線主要特征是發(fā)展時間較長，發(fā)展較為緩慢。邊墻部位為受力較小部位，應力值不大且增長速度較為緩慢。仰拱應力情況與拱頂應力情況較為相似。總的來說，應力時間曲線都處于波動變化狀態(tài)，隨著施工的進展應力有所改變。

(2)壓力計監(jiān)測數(shù)據(jù)拉應力為負值，壓應力為正值。兩水隧道支護結(jié)構(gòu)各個測設(shè)斷面應力值都為正數(shù)，說明了整個結(jié)構(gòu)都處于受壓狀態(tài)，無受拉狀態(tài)出現(xiàn)。在兩水隧道這樣的軟巖隧道中，由于工程地質(zhì)條件差、圍巖較松散，圍巖基本沒有自穩(wěn)能力，所以支護結(jié)構(gòu)主要成為受壓構(gòu)件。

(3)在初期支護斷面，圍巖完整段噴射混凝土應力值應該為負值，即初期支護成型后反作用于圍巖；圍巖穩(wěn)定性差的斷面噴射混凝土應力值應該為正值，即圍巖對初期支護施加應力。第一層初期支護噴射混凝土層應力值都為正值，與兩水隧道圍巖穩(wěn)定性差、圍巖級別為Ⅴ級軟巖的工程地質(zhì)情況吻合。

(4)由各測設(shè)斷面的壓力時間曲線可以看出，沒有出現(xiàn)應力先增長后下降的“卸載”現(xiàn)象。說明整個隧道結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)支護結(jié)構(gòu)下沉的情況，沒有出現(xiàn)支護結(jié)構(gòu)應力調(diào)整再分配情況。

(5)由各測設(shè)斷面的壓力時間曲線可以看出，變化趨勢基本都是“快速增長—緩慢增長—基本穩(wěn)定”，表明兩水隧道雙層初期支護和單層二次襯砌的支護方式選擇是合理的，該支護方式在軟巖隧道中具有較大的應用空間。