王洪坤

(中鐵二十局集團(tuán)有限公司, 陜西西安 710016)

由于黃土本身的特殊性質(zhì)，黃土在干濕循環(huán)變化間產(chǎn)生力學(xué)差異巨大[1]，導(dǎo)致黃土隧道初期支護(hù)拱腰處噴射混凝土開裂、剝落，鋼架變形、扭曲甚至剪斷，形成安全隱患，引起工人恐慌，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，給設(shè)計和施工帶來嚴(yán)重困擾。因此探尋黃土隧道初期支護(hù)變形破壞規(guī)律與合理的支護(hù)參數(shù)及開挖工法，對提高隧道設(shè)計的合理性和施工的安全性具有一定的指導(dǎo)意義。

1 工程實例

工程案例均為初期支護(hù)完成，噴射混凝土強度達(dá)到設(shè)計值，監(jiān)控量測信息反饋拱頂沉降和洞身收斂接近完成，回歸分析判定圍巖、初支穩(wěn)定，在停止監(jiān)控量測的情況下，由于黃土含水率增大而發(fā)生大變形[11]。變形由圍巖應(yīng)力調(diào)整擠壓初支結(jié)構(gòu)，引起鋼架間噴射混凝土在張拉力作用下隆起鼓包，在臺階分界處結(jié)構(gòu)薄弱面縱向開裂，裂縫不斷向鋼架延伸擴(kuò)展，最終以應(yīng)力集中形式剪切作用在鋼架上，鋼架受力發(fā)生變形撓曲將荷載傳遞至鎖腳錨管端部，鎖腳錨管再將端部荷載擴(kuò)散到圍巖中。力在傳遞過程中任何一個環(huán)節(jié)抵抗能力不足，則該節(jié)點變形破壞突出。變形一旦發(fā)生持續(xù)時間長，沒有突變性，變形量大，但也能保持穩(wěn)定，變形隨著時間的推移而增長，但速率逐漸變小直至穩(wěn)定。

1.1 型鋼拱架結(jié)構(gòu)支撐實例

寶蘭客專南山堡隧道全長3 497m，位于甘肅省通渭縣南山村，為單洞雙線隧道，設(shè)斜井一座，全長571m。隧道穿越老黃土地層先后三段發(fā)生初期支護(hù)大變形，其中一段位于正洞，兩段位于斜井輔助坑道內(nèi)，均為Ⅳ級圍巖，埋深約90～120m。

XK0+571～XK0+541段，斷面60.57m2，臺階法施工，開挖時土體天然含水率約20 %，洞身局部潮濕偶有滴水。初期支護(hù)完成約14d，發(fā)現(xiàn)拱腰臺階分界施工縫下側(cè)初期支護(hù)混凝土縱向開裂，裂紋寬2～5mm，長約30cm。發(fā)現(xiàn)裂縫，當(dāng)即補設(shè)測點，針對初支變形較大位置進(jìn)行監(jiān)控量測。持續(xù)觀察發(fā)現(xiàn)裂紋始于相鄰鋼架的中間位置，走向與線路平行，隨著時間推移向鋼架方向延伸和加寬，局部伴有少量斜向、橫向裂縫及錯臺。監(jiān)控量測數(shù)據(jù)信息顯示，常規(guī)測點累計沉降最大值31mm、收斂最大值43mm圍巖漸趨穩(wěn)定，補測點監(jiān)測收斂最大值4mm/d。

支護(hù)參數(shù)為：拱墻設(shè)φ22砂漿錨桿，長3.0m,梅花形布置，拱墻設(shè)φ8鋼筋網(wǎng)，間距20cm×20cm，拱墻設(shè)I16型鋼鋼架，間距1榀/m，φ42鎖腳錨管長3m，鋼架之間用φ22縱向連接筋焊接在一起其環(huán)相間距1.0m，C25噴射混凝土厚22cm，C30襯砌混凝土厚30cm。

分析圍巖含水率偏高偶有水漬、滴水，隧道開挖撓動造成周圈土體松動利于賦水，致使洞身周圍黏質(zhì)黃土泥化，甚至泥化為流塑體，力學(xué)強度急劇降低，土體擠壓隧道結(jié)構(gòu)，上臺階初期支護(hù)施工縫薄弱部位受張拉隆起開裂[7]。判定初支結(jié)構(gòu)拱腰部位剛度不足需補強，考慮斜井通道對該工點施工安全影響極大，采取及時補強支護(hù)措施，采用雙層鋼架支護(hù)以保證施工安全。二層支護(hù)不設(shè)錨桿其他參數(shù)不變，補強支護(hù)鋼架設(shè)與初期支護(hù)鋼架錯位布設(shè)。處理后結(jié)構(gòu)呈穩(wěn)定狀態(tài)，后期優(yōu)化取消了C30襯砌混凝土。

DK867+930～DK867+942段斷面138.1m2，三臺階法施工，位于斜井進(jìn)入正洞的交叉口處，開挖時天然含水率約14 %，襯砌先預(yù)留，待斜井口封閉時整體施做，該段兩端二次襯砌均嚴(yán)格遵守二次襯砌安全步距的要求跟進(jìn)掌子面。初期支護(hù)完成約6個月后，發(fā)現(xiàn)交叉口對面正洞初支面拱部及邊墻上部縱向裂紋，約2～5mm寬，最長的約40cm，持續(xù)觀察發(fā)現(xiàn)裂紋始于相鄰鋼架的中間位置，大部分走向與線路平行，局部伴有少量斜向、橫向裂縫，隨著時間推移裂縫有所擴(kuò)展，同時沿鋼架輪廓位置出現(xiàn)環(huán)向裂紋，鋼架有剝離跡象。恢復(fù)監(jiān)控量測并補點監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)拱頂無沉降，洞身收斂速率為3mm/d。

該段支護(hù)參數(shù)為：拱墻設(shè)φ25中空錨桿，邊墻設(shè)φ22砂漿錨桿，長3.5m,梅花形布置1.2m×1.2m，拱墻設(shè)φ6.5鋼筋網(wǎng)，間距20cm×20cm,拱墻設(shè)I18型鋼鋼架，間距1榀/m，φ42鎖腳錨管長3.5m，鋼架之間用φ22縱向連接筋焊接在一起其環(huán)相間距1.0m，C25噴射混凝土厚25cm，C30襯砌混凝土厚45cm。

分析近期降雨地表水下滲，另隧道施工灑水降塵濕度過大，洞內(nèi)外溫差原因斜井交叉段產(chǎn)生水霧濕潤初期支護(hù)面，水分透過初期支護(hù)混凝土滲入，致使黃土含水率加大，自身承載力降低，圍巖應(yīng)力調(diào)整擠壓隧道，致使邊墻上部和拱腰下部初期支護(hù)混凝土張拉開裂，鎖腳錨管隨鋼架剪切變形頂裂鋼架混凝土保護(hù)層[3]。判定初支結(jié)構(gòu)邊墻及拱腰部位剛度不足需補強，采取破除初支表面8cm厚混凝土，在裂縫上下30cm位置增設(shè)4組8根3.5m長錨管固定鋼架，增設(shè)一層鋼筋網(wǎng)片和縱向連接筋，然后噴射混凝土修復(fù)支護(hù)面。處理完到一年后施工二次襯砌未出現(xiàn)異常。

XK0+541～XK0+491段，斷面36.98m2，臺階法施工，開挖時土體天然含水率約14 %。支護(hù)完成3年后發(fā)現(xiàn)拱腰臺階分界處噴射混凝土裂紋6～12mm，擴(kuò)展極為緩慢，考慮隧道正洞貫通后斜井不作為施工通道，洞內(nèi)的支護(hù)變形不危及施工運輸安全，結(jié)合前兩段處理經(jīng)驗，沒及時處理，而是做了2年的觀察，裂紋集中在邊墻臺階施工縫下側(cè)，以縱向裂縫為主，伴有環(huán)向、斜向裂縫，裂紋慢慢發(fā)展由鼓包撕裂到縱向貫通，再到劈裂形成4～12cm的錯臺，鋼筋網(wǎng)與鋼架分離，混凝土破裂剝落，但一直保持穩(wěn)定(圖1)。

圖1 斜井初支拱部大變形

該段支護(hù)參數(shù)為：支護(hù)參數(shù)：拱墻設(shè)φ22砂漿錨桿，長2.5m,梅花形布置，拱墻設(shè)φ8鋼筋網(wǎng)，間距25cm×25cm,拱墻設(shè)I14型鋼鋼架，間距1榀/m，φ42鎖腳錨管長2.5m，鋼架之間用φ22縱向連接筋焊接在一起其環(huán)相間距1.0m，C25噴射混凝土20cm厚。

分析黃土受季節(jié)循環(huán)的降雨滲水影響，圍巖多次應(yīng)力調(diào)整擠壓初期支護(hù)，支護(hù)混凝土在反復(fù)張拉力作用下疲勞受損開裂[4]，這個力不大但反復(fù)作用，其傳遞到鋼架和鎖腳錨桿的組合受力體上不足以造成鋼架錨管形變，只是緩慢促進(jìn)支護(hù)混凝土劈裂錯臺。判定初期支護(hù)結(jié)構(gòu)偏弱，采取增設(shè)二次襯砌以分擔(dān)圍巖壓力的方案，清除破損碎裂混凝土，噴射混凝土表面修復(fù)，然后施做二次襯砌。處理后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，達(dá)到了新的平衡。

1.2 格柵鋼架結(jié)構(gòu)支撐實例

蒙華鐵路陽山隧道全長11 668m，位于延安市寶塔區(qū)麻洞川鄉(xiāng)，為單洞雙線隧道，穿越老黃土地層。

DK390+520～DK390+786發(fā)生初期支護(hù)大變形段長235m，為Ⅳ級圍巖，埋深約126～139m，開挖面積普通段101.4m2，下錨段107.3m2。三臺階法施工(三臺階三步開挖法)，仰拱封閉距離掌子面1.5倍洞徑，開挖時土體自然含水率約15 %。初期支護(hù)施工完成1個半月后，在仰拱襯砌工作面發(fā)現(xiàn)中臺階上部鋼架間局部初期支護(hù)開裂，裂紋約2～5mm寬，縱向為主多集中在中臺階上部拱墻環(huán)向長0.8m范圍內(nèi)。發(fā)現(xiàn)裂紋后，即刻恢復(fù)該段監(jiān)控量測，并在裂紋集中部位加設(shè)測線，嚴(yán)格按監(jiān)控量測規(guī)程實施監(jiān)測。約一周時間，鋼架間噴射混凝土緩緩鼓包，上下臺階施工縫位置形成主裂紋，裂紋向鋼架發(fā)展延伸，接著鋼架主筋凸起扭曲劈裂初支混凝土，縱向裂縫沿隧道走向縱向貫通。初期支護(hù)大變形現(xiàn)象由仰拱襯砌工作面快速向大小里程蔓延。約三周時間，隧道235m長未襯砌段，拱腰兩側(cè)上臺階縱向施工縫處裂紋貫通，上、中臺階處形成錯臺，中臺階頂部隆起突出，裂縫周圍多處出現(xiàn)濕漬，局部出現(xiàn)間斷性水滴，個別格柵鋼架主筋剪斷，斷而不塌。監(jiān)控量測信息顯示，拱頂和邊墻測線沉降收斂數(shù)據(jù)均不超標(biāo)，補設(shè)測線收斂速率5mm/d直到錯臺形成漸企穩(wěn)定。監(jiān)控量測數(shù)據(jù)信息顯示，拱頂沉降和拱腰收斂無異常漸趨穩(wěn)定，邊墻測線數(shù)據(jù)分布圖出現(xiàn)拐點，補測點監(jiān)測收斂最大值速率12mm/d。

該段支護(hù)參數(shù)為：拱墻設(shè)縱向φ6環(huán)向φ8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20cm×20cm,全環(huán)設(shè)四肢φ22(h=150mm)型格柵鋼架，間距1榀/m，φ42鎖腳錨管長4m，鋼架之間用φ22縱向連接筋焊接在一起，連接筋內(nèi)外交叉布置環(huán)相間距1.0m，C25噴射混凝土厚22cm，C30二次襯砌厚45cm。

變形發(fā)生時，仰拱初期支護(hù)封閉成環(huán)距離掌子面13m，二次襯砌仰拱、拱墻距離掌子面分別為167m、263m。由于變形大，范圍廣，業(yè)主組織參建各方做了搶險處置。(1)停止掘進(jìn)，封閉掌子面，設(shè)φ6鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格為25cm×25cm，采用噴射10cm厚C25砼封閉，并預(yù)留一個30cm×30cm觀察口。在上臺階設(shè)置臨時仰拱，對變形較大處支撐φ800mm臨時鋼管支柱。(2)為限制變形避免產(chǎn)生大面積的垮塌事故，初支開裂段間隔10m施做全環(huán)封閉二層鋼架支護(hù)加固圈。每組加固圈由5榀I20a鋼架組成，鋼架間距1m/榀，加固圈間凈距5m，鋼架應(yīng)緊貼初支面。鋼架縱向采用φ22連接筋，環(huán)向間距1m；加固圈拱墻范圍設(shè)縱φ6×環(huán)φ8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格為20cm×20cm；全環(huán)噴射C25砼封閉，厚24cm。(3)在三組加固圈內(nèi)做應(yīng)力監(jiān)測，隧道初支變形開裂段，隧頂?shù)乇碓鲈O(shè)兩個鉆孔補勘地質(zhì)，隧道內(nèi)采集圍巖壓力、含水率以及做原位測試等。(4)同時對變形段落的初支鋼架，鎖腳錨管，噴射混凝土等隨機(jī)做破壞性抽檢(圖2)。

圖2 陽山隧道初支大變搶險處置

地質(zhì)補堪、應(yīng)力采集、原位測試、初支結(jié)構(gòu)質(zhì)量破壞檢驗均未得到初支大變形破壞的強有力理論支撐，排除人為原因后。分析(1)隧道頂耕地土質(zhì)疏松易積水，而季節(jié)性凍土阻礙了冬季雨雪等地表水下滲，在地表形成冰晶和水膜，整個冬季的降水被儲存在地表淺層[8]；(2)4月底由于升溫融化下滲，加上雨季來臨，連續(xù)降雨補給下滲；(3)黃土垂直節(jié)理發(fā)育，滲透快，而隧道開挖撓動圍巖形成松動滯水區(qū)域[9]。三個因素疊加造成隧址區(qū)土體含水率迅速增大，物理力學(xué)指標(biāo)變差，土體強度降低，土層在自重和上覆附加荷載的作用下，產(chǎn)生應(yīng)力調(diào)整，并作用在初支上，應(yīng)力到了一定程度導(dǎo)致初支薄弱部位發(fā)生破壞。搶險處置二層鋼架支護(hù)加固的地方變形得到有效控制達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。二層鋼架支護(hù)加固段之間各段落上、中臺階施工縫處變形開裂繼續(xù)擴(kuò)展，中臺階頂部隆起錯臺侵入二襯范圍厚度18～32cm，少數(shù)鋼架主筋甚至被剪斷但未坍塌，繼而達(dá)到新的穩(wěn)定變形趨于停止。黃土層含水率增大到22 %后成流塑態(tài)，圍巖應(yīng)力大調(diào)整導(dǎo)致初期支護(hù)混凝土破損，牽動鋼架剪切變形把力傳遞給鎖腳錨管，鎖腳錨管端部剛度大于鋼架剛度而未隨鋼架變形，最終鋼架在鎖腳錨桿下緣凸起扭曲變形，應(yīng)力得于適當(dāng)釋放后，圍巖整體再次趨于穩(wěn)定[2]。判定初期支護(hù)結(jié)構(gòu)強度剛度在圍巖應(yīng)力調(diào)整時不足以與之抗衡，需做補強、加強處理，處理方案如下：

DK390+786～DK390+647段，對變形侵限段按先加固再拆換的原則進(jìn)行，先在拆換節(jié)段上下50cm位置，補打雙排4根鎖腳錨管固定鋼架[10]，再對開裂剝落部位每邊擴(kuò)寬50cm進(jìn)行人工鑿除，用φ28鋼筋代替原設(shè)計φ22主筋進(jìn)行焊連，與原有格柵主筋搭接焊，焊縫長度不小于50cm，格柵預(yù)留中間空隙采用“口”字型與兩側(cè)重新加固的主筋焊接。拱架更換部位噴射混凝土厚度由原設(shè)計22cm調(diào)整為30cm。拆除二層支護(hù)局部侵限范圍段采用風(fēng)鎬鑿除，滿足二襯厚度要求。換拱完成后，在更換部位正中設(shè)置監(jiān)控量測點，按照2.5m一個斷面加密監(jiān)測豎向拱架變形情況，變形基本完成時及時施做二次襯砌。鋼架大變形如圖3所示。

圖3 大變形處清除松散混凝土后

DK390+647～DK390+520段經(jīng)過兩個月的圍巖應(yīng)力釋放初支結(jié)構(gòu)變形后二次趨于穩(wěn)定。該段為一般錨段，為減少拆換，降低施工風(fēng)險，加快施工進(jìn)度，研究決定變更設(shè)計襯砌類型，縮小斷面凈空。相當(dāng)于把二次襯砌凈空調(diào)整到85cm厚，這樣就把二層加強支護(hù)鋼架和大變形隆起錯臺部分都甩在變更后的45cm厚二次襯砌背后。將一般錨段往調(diào)整到小里程未開挖段。

2 變形控制探索試驗與分析

陽山隧道整個初支拱部大變形段235m長，歷時3個月處治完成，造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失，也帶來較大社會負(fù)面影響。后繼施工，推測隧道小里程方向地質(zhì)條件等同已處理的大變形段，具備嚴(yán)重的拱腰大變形條件，必須采取加強措施，為此接下來做了兩段試驗。

2.1 降低圍巖級別以加強支護(hù)參數(shù)

DK390+520～DK390+080段，原設(shè)計Ⅳ級圍巖調(diào)整為Ⅴ級圍巖，支護(hù)按Ⅴc型，支護(hù)參數(shù)為：拱墻設(shè)φ8鋼筋網(wǎng)，間距20cm×20cm,全環(huán)設(shè)四肢φ25(h=230mm)型格柵鋼架，間距0.6榀/m，φ42鎖腳錨管長4m，鋼架之間用φ22縱向連接筋焊接在一起，，連接筋內(nèi)外交叉布置環(huán)相間距1.0m。C25噴射混凝土27cm厚，C30混凝土二次襯砌50cm厚。結(jié)果表明支護(hù)結(jié)穩(wěn)定未產(chǎn)生變形開裂現(xiàn)象，但結(jié)構(gòu)是否過強仍然未知，所以又嘗試著優(yōu)化。

2.2 收斂約束原理讓壓支護(hù)結(jié)構(gòu)

DK390+080～DK389+080段，原設(shè)計Ⅳ級圍巖支護(hù)按Ⅴ土型。引入高地應(yīng)力支護(hù)結(jié)構(gòu)大變形處理理念，采取抗放結(jié)合結(jié)構(gòu)，吸收能量引導(dǎo)變形[5-6]。在支護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)上中臺階分界處設(shè)置通長限阻器，利用低碳鋼板較好的變形延伸能力和峰后承載能力，通過在受力過程中鋼板的屈服塑性變形，實現(xiàn)限制結(jié)構(gòu)內(nèi)力、釋放圍巖壓力，限阻器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 鋼板型限阻器與結(jié)構(gòu)連接示意

試驗結(jié)果顯示大部分段落圍巖收斂過程中限阻器在環(huán)向壓縮發(fā)生彈簧性變形，然后平衡達(dá)到穩(wěn)定，一部分段落限阻器和初支結(jié)構(gòu)均未受壓變形，少部分段落限阻器未變形但險阻器上下緣與之相連的混凝土撕裂剝落甚至鋼架主筋凸起扭曲，限阻器變形如圖5所示。判斷支護(hù)體系穩(wěn)定初支結(jié)構(gòu)安全，總體來說讓壓支護(hù)結(jié)構(gòu)實施效果良好，方案先進(jìn)合理，經(jīng)濟(jì)效果顯著，但限阻器結(jié)構(gòu)仍需優(yōu)化以使結(jié)構(gòu)變形全產(chǎn)生在限阻器上。

3 結(jié)束語

(1)老黃土承載力較高，但遇水軟化，強度喪失，對初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，形成應(yīng)力調(diào)整，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)適當(dāng)加強。

(2)易形成飽和態(tài)老黃土隧道，初期支護(hù)變形持續(xù)時間較

圖5 限阻器變形

長，易在拱腰位置形成剪切破壞，型鋼抗剪切能力強，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)先選擇型鋼鋼架，謹(jǐn)慎采用格柵鋼架。

(3)針對黃土隧道的初期支護(hù)受力特性，監(jiān)控量測洞身收斂測線的布置應(yīng)與其他地層隧道區(qū)別，調(diào)整到鎖腳錨管下側(cè)。

(4)黃土隧道二次襯砌應(yīng)盡早施做，必要時拱頂沉降和洞身收斂未回歸也施做。