殷洪波

摘 要：軟巖隧道擠壓變形是施工中的突出難題，文章以昆玉鐵路寶峰隧道為例，基于現(xiàn)場(chǎng)正洞及斜井隧道大變形情況，結(jié)合有限元極限分析法，對(duì)比分析了不同斷面形式下泥質(zhì)板巖隧道大變形特征，并針對(duì)不同的斷面形式，提出了不同的加強(qiáng)支護(hù)措施保持隧道的穩(wěn)定性，為軟巖環(huán)境下隧道支護(hù)提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高地應(yīng)力 大變形 極限分析法

1.工程概況

寶峰隧道穿越云南省昆明市晉寧縣與玉溪市紅塔區(qū)兩地，全長(zhǎng)7377m，隧道穿越元古界昆陽(yáng)群板巖夾砂巖地層，該巖層呈褐黃、褐紅、灰綠、暗紫灰色，薄層狀，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，受構(gòu)造影響，隧道地應(yīng)力較大，為典型軟巖隧道。在施工過(guò)程中，隧道正洞及斜井均發(fā)生了不同程度的大變形。

通過(guò)對(duì)比正洞與斜井的大變形發(fā)現(xiàn)，對(duì)于正洞隧道，隧道的拱頂及邊墻均有不同程度的大變形發(fā)生，且隧道的拱頂沉降值大于單側(cè)邊墻的橫向變形，即在昆玉鐵路寶峰隧道正洞出口處泥質(zhì)板巖地層中，主要發(fā)生的是以拱頂沉降為主導(dǎo)且伴隨有邊墻變形的初期支護(hù)大變形現(xiàn)象；而對(duì)于斜井隧道，隧道變形主要因邊墻收斂為主，且大部分段落隧道拱頂變形很小。

2.基于極限分析法的大變形機(jī)理分析

發(fā)生大變形段的隧道埋深在80～120m之間，為了便于分析，取埋深為100m進(jìn)行計(jì)算。以現(xiàn)有圍巖及地應(yīng)力條件為基礎(chǔ)，引入強(qiáng)度折減法計(jì)算毛洞狀態(tài)下隧道的破壞形態(tài)以及安全系數(shù)。計(jì)算斷面分為兩種：一種為正洞曲邊墻斷面；一種為斜井直邊墻斷面。圍巖采用相同的計(jì)算參數(shù)，見(jiàn)表1。

強(qiáng)度折減法的實(shí)質(zhì)是在外荷載一定的條件下，不斷折減材料強(qiáng)度，直至所分析對(duì)象不斷逼近其承載極限，也就是發(fā)生破壞與不破壞之間的臨界狀態(tài)，此時(shí)的材料強(qiáng)度折減系數(shù)可以理解成研究對(duì)象為防止特定破壞類(lèi)型所具備的安全富裕度（安全系數(shù)）。在計(jì)算時(shí)應(yīng)對(duì)表征土體抗剪強(qiáng)度的材料參數(shù)即土體的內(nèi)摩擦角（φ）與粘聚力（c）按式（1）進(jìn)行折減。

式（2）中：τ′-為折減后的土體抗剪強(qiáng)度，kPa；c′-為折減后的土體粘聚力，kPa；φ′-為折減后的土體內(nèi)摩擦角，°；F-為強(qiáng)度折減系數(shù)。

對(duì)于剪切破壞機(jī)制為主的材料，當(dāng)材料破壞時(shí)，存在一個(gè)臨界的塑性剪應(yīng)變值作為界定破壞的依據(jù)，因此完全可以通過(guò)塑性剪應(yīng)變來(lái)定義一個(gè)評(píng)價(jià)材料變形破壞過(guò)程中損傷程度的指標(biāo)，本次以塑性剪切應(yīng)變值的發(fā)展作為圍巖破壞趨勢(shì)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)圍巖剪切強(qiáng)度及剪切模量計(jì)算得出當(dāng)塑形剪切應(yīng)變>3.4e-3時(shí)即可認(rèn)為圍巖破壞，經(jīng)過(guò)計(jì)算正洞斷面毛洞狀態(tài)下安全系數(shù)為0.6，斜井?dāng)嗝姘踩禂?shù)為0.7。正洞和斜井?dāng)嗝嫠苄约羟袘?yīng)變?cè)茍D分別見(jiàn)圖1和圖2。

分析圖1和圖2可看出：

（1）對(duì)于隧道斷面變形，正洞斷面中隧道變形主要表現(xiàn)為拱頂沉降，邊墻收斂較拱頂沉降程度較輕。斜井?dāng)嗝嬷幸赃厜κ諗繛橹鳎绊敵两挡幻黠@。整體變形趨勢(shì)與現(xiàn)場(chǎng)變形基本吻合。

（2）由圖1可看出，正洞隧道破壞主要分為兩部分：拱部圍巖形成的類(lèi)似于塌落拱的破壞以及邊墻處的圍巖剪切滑移破壞。形成的塌落拱高度約為1.5倍隧道高度，故若不增加輔助措施，僅靠初期支護(hù)，是無(wú)法保證隧道施工期間穩(wěn)定的。

（3）由圖2可看出，斜井隧道主要以?xún)蓚?cè)邊墻剪切滑移破壞為主，破壞范圍約為1倍隧道寬度，在增加輔助措施時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮保證邊墻處的穩(wěn)定。

正洞及斜井開(kāi)挖區(qū)域無(wú)構(gòu)造應(yīng)力，其主應(yīng)力為圍巖自重作用引起的豎向應(yīng)力，故本工程中隧道大變形的主要原因?yàn)樵谧灾貞?yīng)力場(chǎng)作用下邊墻兩側(cè)剪切滑移破壞而產(chǎn)生的擠壓變形，其主要表現(xiàn)形式為邊墻兩側(cè)向內(nèi)收斂形成大變形，破壞形式如圖2所示（直墻斷面形式）。但對(duì)于相同條件下的曲墻邊墻并未發(fā)生嚴(yán)重的剪切滑移破壞，這主要是因?yàn)榍鷫嗝嫘问綄?duì)破壞形態(tài)的改變：當(dāng)斷面設(shè)置為曲墻時(shí)，人為將直邊墻斷面圍巖剪切滑移破壞范圍挖除，使剪切滑移面由邊墻遷移至墻腳，故由墻腳剪切滑移破壞帶動(dòng)拱部整體下移，形成如圖1所示的破壞形式。

3.支護(hù)措施討論

根據(jù)上述分析，由于正洞及斜井的破壞形態(tài)的不同，其對(duì)應(yīng)的支護(hù)控制措施也不盡相同。

本工程中對(duì)于正洞的支護(hù)控制理念為控制拱部變形以及通過(guò)支護(hù)措施抑制墻腳發(fā)生剪切滑移破壞，故采取的主要方案及措施為：設(shè)置三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工，全環(huán)設(shè)I22b工字鋼鋼架，縱向間距0.5m；拱部設(shè)φ42mm超前小導(dǎo)管注漿加固，每根長(zhǎng)3.5m，環(huán)向間距0.3m，縱向間距2m。各臺(tái)階腳均設(shè)置縱向槽鋼和4根φ42mm鎖腳錨管，縱向連接鋼筋間距0.5m“Z”字形布置，當(dāng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示日變形量>5mm或累計(jì)變形量>100mm時(shí)，應(yīng)增加橫、豎支撐以限制變形，必要時(shí)在變形較大部位實(shí)施局部徑向φ42mm鋼花管注漿加固措施。

本工程中對(duì)于斜井的支護(hù)控制理念為控制斜井邊墻位移，通過(guò)加強(qiáng)支護(hù)剛度、增加錨桿長(zhǎng)度等方式防止直邊墻處發(fā)生剪切滑移破壞，故采取的主要方案及措施為：設(shè)置臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工，全環(huán)設(shè)I22b工字鋼鋼架，縱向間距0.5m；邊墻處打設(shè)3.5m長(zhǎng)錨桿，當(dāng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示日變形量>5mm或累計(jì)變形量>100mm時(shí)，應(yīng)增加豎支撐以限制變形，必要時(shí)在變形較大部位實(shí)施局部徑向φ42mm鋼花管注漿加固。

由于大變形是圍巖巖性、地下水以及地質(zhì)構(gòu)造等共同作用的結(jié)果，在保證支護(hù)強(qiáng)度的同時(shí)還應(yīng)全面考慮：

（1）加強(qiáng)施工期間的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，預(yù)判前后施工存在的風(fēng)險(xiǎn)，地質(zhì)預(yù)報(bào)以超前探孔為主，在探明前方地質(zhì)條件的同時(shí)，能提前疏排地下水。地下水發(fā)育時(shí)增加超前探孔至3～5孔。

（2）加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)工作及數(shù)據(jù)整理分析，其成果信息應(yīng)及時(shí)反饋以指導(dǎo)施工，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果適時(shí)調(diào)整預(yù)留變形量；當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示變形較大時(shí)，及時(shí)采取橫、豎支撐及徑向加固等措施限制變形進(jìn)一步發(fā)展。

（3）目前各工區(qū)變形以拱部初支突降為主，主要發(fā)生在中、下臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施工中應(yīng)加強(qiáng)超前支護(hù)、鎖腳錨管、系統(tǒng)錨桿、縱向連接筋、縱向墊腳槽鋼的施工工藝，確保施工質(zhì)量。

（4）掌子面存在地下水時(shí)，應(yīng)及時(shí)將地下水歸槽，各臺(tái)階基底積水應(yīng)及時(shí)抽排，避免積水軟化基底；各臺(tái)階鋼架腳與臺(tái)階面的空隙應(yīng)采用混凝土墊塊或型鋼或木板等墊實(shí)，不得懸空或放在虛碴上。

（5）施工中應(yīng)做到快速施工，快速封閉成環(huán)，仰拱、二襯緊跟。

4.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，不同的斷面形式，大變形的表現(xiàn)形式不同。在本工程中，正洞與斜井圍巖條件基本相同，地應(yīng)力條件也基本相同，但曲邊墻斷面的大變形表現(xiàn)形式為拱頂沉降為主，直邊墻斷面的表現(xiàn)形式為邊墻收斂為主；對(duì)于正洞的支護(hù)控制理念為控制拱部變形以及通過(guò)支護(hù)措施抑制墻腳發(fā)生剪切滑移破壞，對(duì)于斜井的支護(hù)控制理念為控制斜井邊墻位移，通過(guò)加強(qiáng)支護(hù)剛度、增加錨桿長(zhǎng)度等方式防止直邊墻處發(fā)生剪切滑移破壞，必要時(shí)也宜調(diào)整為曲墻結(jié)構(gòu)。

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