秦 松

(中國鐵路總公司 工程管理中心,北京 100844)

隨著我國西北部山區(qū)鐵路、公路隧道的大規(guī)模建設(shè)，高地應(yīng)力、復(fù)雜圍巖等不良地質(zhì)環(huán)境帶來的隧道支護問題愈發(fā)凸顯，特殊變形破壞現(xiàn)象時常出現(xiàn)，嚴(yán)重影響隧道的施工及運營安全[1-2]。確定合理的初期支護體系對于控制圍巖變形及確保安全施工具有重要意義。對于高地應(yīng)力區(qū)隧道圍巖變形控制的關(guān)鍵科學(xué)問題已有大量研究，文獻[3-4]闡述了高地應(yīng)力條件下軟弱圍巖隧道初期支護的受力特性與可讓性支護原理，未討論初期支護破壞問題；文獻[5-8]論述了水平砂巖地質(zhì)條件下圍巖變形機理與穩(wěn)定性、支護體系力學(xué)特性及變形破壞的原因，但未具體歸納總結(jié)結(jié)構(gòu)的變形特點，也未提出針對性的變形控制措施，鑒于實踐中圍巖巖性、巖體結(jié)構(gòu)、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造等的多樣性，其研究結(jié)論有一定的局限性；文獻[9-10]主要討論與高地應(yīng)力有關(guān)的地質(zhì)問題及巖爆的判據(jù)、準(zhǔn)則等，未涉及初期支護變形破壞特征及其控制技術(shù)方面的內(nèi)容。

以上關(guān)于隧道初期支護的研究成果取得了一定的工程應(yīng)用效果，但無法系統(tǒng)反映初期支護的變形破壞特征，且對于高地應(yīng)力水平地層隧道初期支護設(shè)計尚缺乏研究。蒙華鐵路段家坪隧道位于節(jié)理發(fā)育的水平砂巖地層，且賦存于高地應(yīng)力環(huán)境，本文針對上述特定地質(zhì)條件下隧道初期支護變形破壞特征及成因，通過工程地質(zhì)調(diào)查、地應(yīng)力測試等手段進行深入系統(tǒng)研究，提出針對性的變形控制技術(shù)方案，并對其實施效果進行驗證及評價，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

蒙華鐵路是國內(nèi)最長運煤專線，線路全長 1 837 km，北起內(nèi)蒙古浩勒報吉站，終點到達江西省吉安市。段家坪隧道位于陜西省宜川縣境內(nèi)，為單洞雙線隧道，進口里程DK446+664.02，出口里程DK457+387.00，全長 10 722.98 m，隧道線間距設(shè)計為4 m，最大埋深約450 m，內(nèi)輪廓斷面尺寸為10.7 m×10.6 m。

圖1 典型斷面地質(zhì)素描

段家坪隧道洞身圍巖以三疊系上統(tǒng)厚層砂巖、粉砂巖夾薄層泥巖為主，巖層產(chǎn)狀272°∠2°，砂巖、粉砂巖節(jié)理裂隙較發(fā)育～很發(fā)育。優(yōu)勢節(jié)理裂隙主要有2組，產(chǎn)狀分別為190°∠90°和78°∠89°,砂巖、粉砂巖，灰白色，弱風(fēng)化，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層～厚層層狀構(gòu)造，層厚10～100 cm，節(jié)理裂隙較發(fā)育～發(fā)育，巖體較完整，呈大塊狀。泥巖，灰黑色，弱風(fēng)化，薄層狀構(gòu)造，層厚小于10 cm，巖體破碎，呈碎石狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，拱部、邊墻局部及底板底部偶夾少量薄層泥巖。泥巖具弱膨脹性，遇水易軟化，底板易開裂，典型斷面地質(zhì)素描見圖1。地下水主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水，且水量較少，開挖揭露主要為點狀水滴出，未成線。

該隧道DK454+230—DK453+400段拱部及仰拱初期支護破壞嚴(yán)重，環(huán)向初期支護承載力明顯削弱，雖累計變形量較小，但嚴(yán)重影響施工質(zhì)量與進度，極大威脅施工安全。

2 隧道開裂情況

隧道開挖過程中拱頂和洞壁巖石(塊)松脫、剝離，拱部圍巖自穩(wěn)性差，開挖完成后成洞性差，超挖較大。掌子面響炮后(或在支護過程中)有“噼啪”響聲，偶有震感。支護完成后，拱部開裂變形，初期支護混凝土局部脫皮掉落，拱架扭曲，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)超預(yù)警值。因上述原因，DK454+240—DK453+605段圍巖級別由原設(shè)計Ⅱ,Ⅲ級調(diào)整為Ⅲ,Ⅳ級，并加強了初期支護、二次襯砌施工措施：拱墻初期支護采用H230～H130格柵鋼架，間距0.75 m/榀～1.2 m/榀；仰拱初期支護鋼架封閉成環(huán)；打設(shè)徑向系統(tǒng)錨桿(管)釋放圍巖應(yīng)力；拱墻和仰拱采用鋼筋混凝土等。但隧道拱頂仍出現(xiàn)縱向開裂，初期支護混凝土脫殼開裂，鋼架向內(nèi)呈“S”形扭曲變形，部分段落仰拱初期支護鋼架出現(xiàn)扭曲上拱。

3 隧道區(qū)域高地應(yīng)力測試

3.1 高地應(yīng)力測試

段家坪隧道DK454+230—DK453+400段由于水平構(gòu)造應(yīng)力導(dǎo)致初期支護變形破壞，長830 m，總體埋深150～350 m。為探究構(gòu)造地應(yīng)力與初期支護變形破壞特征之間的內(nèi)在關(guān)系，為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分別在隧道1#斜井大里程方向DK452+650、2#斜井小里程方向DK453+830、2#斜井大里程方向DK454+330處各施作1個豎向地應(yīng)力測試鉆孔，共計3個測孔，采用水壓致裂法進行地應(yīng)力測量[11]。在每個鉆孔的下部完成4段 地應(yīng)力測量和2段應(yīng)力方向測量，測試結(jié)果見表1。

表1 段家坪隧道工程巖體強度應(yīng)力比評估結(jié)果

注：SH為最大水平主應(yīng)力；Sh為最小水平主應(yīng)力；SV為垂直主應(yīng)力；σmax為垂直洞軸線方向的最大初始應(yīng)力；RC為巖石單軸飽和抗壓強度，由室內(nèi)試驗測試確定。

3.2 隧址區(qū)初始地應(yīng)力狀態(tài)判定

隧道圍巖屬于堅硬巖～較硬巖，強度應(yīng)力比為4～7。另外，地應(yīng)力測試鉆孔揭露巖芯時有餅化現(xiàn)象，根據(jù)GB/T 50218—2014《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》[12]可判定段家坪隧道鉆孔附近圍巖處于高初始地應(yīng)力狀態(tài)。

現(xiàn)場測量的隧道走向約為121°，地應(yīng)力測量得到最大水平主應(yīng)力SH方向約為N79°E，最大水平主應(yīng)力方向與隧道軸線夾角約42°，該夾角顯然偏大。段家坪隧道與區(qū)域構(gòu)造位置關(guān)系，見圖2。

圖2 段家坪隧道與區(qū)域構(gòu)造平面位置關(guān)系示意

4 初期支護變形破壞特征及成因分析

初期支護變形破壞具有如下特征：①2#斜井施工時隨著地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力釋放，板狀巖層折斷，初期支護拱部與底板隨之隆起、開裂；②正洞掌子面開挖時仍偶有巖體悶響，拱部巖體有剝離和掉塊現(xiàn)象，形成“矩形拱”，同時受構(gòu)造應(yīng)力釋放及爆破振動的影響，除可觀察到的2組原生豎向節(jié)理外還將產(chǎn)生多組新生豎向節(jié)理，當(dāng)初期支護破壞部位距掌子面10～20 m時，即開挖過后3～5 d，或距離掌子面更遠還可能再次發(fā)生應(yīng)力釋放，此時伴隨近水平巖層的原生與新生豎向節(jié)理面沿平行于隧道軸線方向及豎直方向迅速擴展、延伸、張開、錯動，拱部混凝土龜裂、剝落，格柵鋼架主筋側(cè)向扭曲、向臨空面擠出；③初期支護拱部、仰拱、邊墻的變形機理不同。

4.1 初期支護變形特征

初期支護變形以拱部及仰拱豎向位移為主，凈空收斂變化較小，其主要特征為：①初期支護距掌子面約10～20 m時，拱頂下沉易發(fā)生突變，幅值1～2 cm；②同一測點突變持續(xù)時間較短，一般僅1 d。突變后沉降速率一般不大于 5 mm/d，之后逐漸趨于穩(wěn)定；③拱頂下沉突變與初期支護封閉成環(huán)不存在必然聯(lián)系；④初 期支護開裂段拱頂下沉最大累計值受工法影響較大。臺階法累計值基本都在5 cm以內(nèi)，三臺階法最大累計值約7 cm，全斷面法最大累計值8～9 cm；⑤支護參數(shù)調(diào)整段拱頂下沉最大累計值未超過10 cm，其它試驗段拱頂下沉累計值均未超過6 cm，見圖3。

圖3 2#斜井小里程方向高地應(yīng)力段落沿隧道掘進方向拱頂下沉累計值空間分布

4.2 初期支護變形破壞形態(tài)及成因分析

初期支護變形破壞主要發(fā)生在拱部、仰拱部位，邊墻凈空收斂變化較小。

1)拱部及仰拱初期支護混凝土脫殼、開裂原因

在最大水平構(gòu)造應(yīng)力垂直于隧道軸線分量的作用下及爆破振動影響下，拱部及仰拱水平砂巖層間發(fā)生剝離，巖層內(nèi)產(chǎn)生裂紋，緊貼初期支護的巖層會最先折斷，同時豎向節(jié)理面張開并縱向錯動，水平構(gòu)造應(yīng)力釋放的能量隨即作用在處于剪壓受力狀態(tài)的初期支護混凝土上，加速了混凝土的破壞。拱部及仰拱初期支護混凝土同時承受最大水平構(gòu)造應(yīng)力平行于隧道軸線的分量和垂直于隧道軸線的分量，易發(fā)生沿張開的豎向節(jié)理走向的剪壓破壞，破壞部位主要位于隧道中線附近1.5 m范圍內(nèi)，見圖4和圖5。拱部及仰拱初期支護混凝土破壞后初期支護承載力嚴(yán)重削弱，將進一步加速圍巖的破壞。因此，拱部及仰拱初期支護混凝土的脫殼、開裂與初期支護背后圍巖的層間剝離、斷裂，節(jié)理面張開及縱向錯動緊密相關(guān)，周邊圍巖在初期支護破壞前已開始初步碎裂，當(dāng)初期支護受力后兩者的破壞將互為不利條件致使對方破壞加劇，并最終在構(gòu)造應(yīng)力基本釋放完畢后趨于穩(wěn)定。

圖4 掌子面豎向節(jié)理發(fā)育

圖5 初期支護混凝土開裂掉塊

另外，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)仰拱初期支護的變形與破壞一般均比對應(yīng)的拱部初期支護破壞嚴(yán)重。其主要原因為：①拱部初期支護受施工工藝影響其背后不可避免地存在空洞或間隙，而仰拱初期支護在重力作用下其背后一般比較密實，地應(yīng)力將直接作用于仰拱初期支護；②下臺階與仰拱一起開挖施作，仰拱初期支護施作完成后隨即進行虛渣回填，不易覺察仰拱初期支護破壞，現(xiàn)場也未采取任何處理措施。

2)仰拱填充層表面裂縫成因

若仰拱填充施作完成后水平構(gòu)造應(yīng)力尚未釋放完畢，后續(xù)釋放的應(yīng)力會使仰拱填充表面沿大體平行于最大水平主應(yīng)力方向形成剪切裂縫[13]，見圖6。

圖6 高地應(yīng)力段仰拱填充層表面典型裂縫(平面)

3)拱部及仰拱初期支護格柵鋼架主筋失穩(wěn)機理

拱部及仰拱初期支護格柵鋼架主筋失穩(wěn)表現(xiàn)為向洞內(nèi)臨空面突起并側(cè)向扭曲。原因為：①初期支護混凝土脫殼、開裂后失去了對主筋的握裹力在最大水平構(gòu)造應(yīng)力垂直于隧道軸線分量作用下格柵鋼架主筋受壓失穩(wěn)。②洞周豎向節(jié)理發(fā)育，其在最大水平構(gòu)造應(yīng)力平行隧道軸線分量作用下節(jié)理面持續(xù)擴展延伸并錯動，格柵鋼架主筋受剪切發(fā)生側(cè)移破壞。

5 支護結(jié)構(gòu)變形破壞控制技術(shù)

5.1 支護參數(shù)調(diào)整

段家坪隧道高地應(yīng)力段(DK454+230—DK454+160)原設(shè)計施工參數(shù)見表2。

DK454+160—DK453+605段支護參數(shù)根據(jù)地質(zhì)情況及圍巖量測結(jié)果進行了多次調(diào)整(表3)，但均未能有效控制初期支護開裂，大部分情況為短期穩(wěn)定，之后支護結(jié)構(gòu)距離掌子面10～20 m時即出現(xiàn)開裂。

表2 段家坪隧道支護原設(shè)計施工參數(shù)

表3 段家坪隧道支護調(diào)整段施工參數(shù)

5.2 初期支護背后增設(shè)緩沖層

DK453+595—DK453+560段拱部及邊墻背后采用緩沖層施工技術(shù)，見圖7。本段采用臺階法施工，其中上臺階長度為8 m，高度為6.5 m；下臺階與仰拱同時開挖，同時施作初期支護。

圖7 初期支護背后土工布+高密度海綿敷設(shè)

施工方法如下：

1)拱墻采用H180格柵鋼架，間距0.75 m/榀，拱墻噴射C25混凝土，厚度為25 cm；仰拱采用H230格柵鋼架，間距0.75 m/榀，噴射C25混凝土，厚度為30 cm；拱部120°增設(shè)φ42超前小導(dǎo)管，壁厚3.5 mm，長4 m，環(huán)向間距40 cm，每3榀打設(shè)一環(huán)；全環(huán)采用縱向φ6×環(huán)向φ8雙層鋼筋網(wǎng)片，間距25 cm×25 cm。

2)初期支護背后拱墻設(shè)緩沖層，材料采用土工布+高密度海綿，厚度5～10 cm。

3)初期支護變形量測斷面間距5 m，每個斷面拱頂下沉測點1個，凈空收斂變化測線3組(邊墻底上1 m、初期支護拱頂下2 m、最大跨處，測絕對坐標(biāo))，同斷面監(jiān)測仰拱初期支護變形。在DK453+590,DK453+580,DK453+570設(shè)3個斷面，埋設(shè)土壓力盒、鋼筋計、混凝土應(yīng)變計，測試圍巖壓力與初期支護內(nèi)力。

5.3 初期支護加裝阻尼器

隧道DK453+452—DK453+385段采用加裝阻尼器施工技術(shù)[14]。

本段采用臺階法施工，其中上臺階長度為8 m，高度為6.5 m；下臺階與仰拱同時開挖，同時施作初期支護。施工方法如下：

1)拱墻采用H180格柵鋼架，間距0.75 m/榀，噴射混凝土厚度為25 cm；仰拱采用H230格柵鋼架，間距0.75 m/榀，噴射混凝土厚度為30 cm；全環(huán)采用縱向φ6×環(huán)向φ8雙層鋼筋網(wǎng)片，間距25 cm×25 cm；隧道拱頂和仰拱初期支護鋼架中心設(shè)置縱向阻尼器。鋼板型阻尼器豎板厚度為8 mm，高度為30 cm，間距為10～15 cm?？商峁?.0～12.0 MPa限阻峰值，1.0～1.5 MPa 恒阻值和20 cm恒阻變形量。

2)拱墻襯砌厚度為45 cm，仰拱襯砌厚度為50 cm，矢跨比調(diào)整為1∶6，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析確定襯砌配筋參數(shù)。

3)初期支護變形量測斷面間距為5 m。每個斷面拱頂下沉測點1個，凈空收斂變化測線3組(邊墻底上1 m、初期支護拱頂下2 m、最大跨處，測絕對坐標(biāo))。在DK453+550,DK453+540,DK453+530,DK453+385設(shè)4個斷面，埋設(shè)土壓力盒、鋼筋計、混凝土應(yīng)變計，測試圍巖壓力與初期支護內(nèi)力。

6 變形控制效果與評價

各種支護形式下的變形、開裂情況見表4?？梢姡髟囼灦蔚睦塾嬜冃沃刀荚谧冃卧试S值以內(nèi)；各試驗段拱架鋼筋應(yīng)力都在設(shè)計值的30%以內(nèi)，初期支護混凝土則出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，個別部位混凝土應(yīng)力超過了設(shè)計值和極限值，混凝土局部破壞。綜合判斷結(jié)構(gòu)整體基本安全。

注：1)表中變形與應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)均為各支護措施段的最大值，其他數(shù)據(jù)為大概率事件數(shù)據(jù)。2)拱頂僅在增設(shè)緩沖層段出現(xiàn)上升，應(yīng)與以水平應(yīng)力為主的高初始地應(yīng)力作用下初期支護的整體抬升有關(guān)。

基于支護原理及變形控制效果的橫向?qū)Ρ确治?，各種支護形式下變形控制效果與評價詳述如下：

1)調(diào)整支護參數(shù)段變形最大，開裂最嚴(yán)重，且開裂部位距離掌子面最近，說明不宜單獨采用調(diào)整支護參數(shù)來控制水平構(gòu)造應(yīng)力為主因的初期支護變形破壞。

2)調(diào)整支護參數(shù)、增設(shè)緩沖層、加裝阻尼器試驗段均在距離掌子面100 m左右趨于穩(wěn)定，說明豎向節(jié)理發(fā)育的水平砂巖夾泥巖地層構(gòu)造應(yīng)力空間影響范圍基本相同，但由于不同支護形式作用機理不同，水平構(gòu)造應(yīng)力釋放的劇烈程度有所差異。

3)增設(shè)緩沖層段提供了水平構(gòu)造應(yīng)力的釋放空間，允許初期支護背后圍巖適量位移，為初期支護混凝土強度提高爭取時間，初期支護承受經(jīng)前期釋放后剩余的高地應(yīng)力時強度、剛度較大，因此其受力最大，也未開裂。若圍巖屬于硬巖、極硬巖現(xiàn)場宜采用緩沖層來保護初期支護免遭破壞。

4)加裝阻尼器段的開裂部位均位于拱部，阻尼器使環(huán)向初期支護未完全封閉，在拱頂形成塑性鉸，水平構(gòu)造應(yīng)力在拱頂塑性鉸部位沿環(huán)向與縱向集中釋放，有效保護除拱頂塑性鉸部位外的其余初期支護。因此，初期支護變形較大，受力較小，開裂控制效果較好，在較硬、較軟巖圍巖條件下應(yīng)用效果較好。

7 結(jié)論

通過對初始高地應(yīng)力條件下緩傾砂巖夾泥巖隧道初期支護變形破壞特征、成因的分析以及不同支護形式變形控制效果的評價，得到主要結(jié)論如下：

1)段家坪隧道圍巖主要為硬質(zhì)砂巖，隧址區(qū)處于高初始地應(yīng)力狀態(tài)，最大水平主應(yīng)力與隧道軸線夾角偏大，且大于垂直主應(yīng)力，不利于隧道的穩(wěn)定。

2)采用“強支硬頂”的支護方案難以解決高地應(yīng)力水平砂巖地層隧道變形問題。拱部及仰拱初期支護混凝土發(fā)生剪壓破壞，拱部格柵鋼架主筋受壓失穩(wěn)、側(cè)移。拱部及仰拱初期支護破壞與其背后巖體的層間剝離、斷裂，節(jié)理面張開及縱向錯動緊密相關(guān)。周邊圍巖在初期支護破壞前已開始初步碎裂，當(dāng)初期支護受力破壞后，兩者互為不利條件致使對方破壞加劇，并最終在構(gòu)造應(yīng)力基本釋放完畢后趨于穩(wěn)定。

3)高地應(yīng)力隧道宜采用緩沖層作為地應(yīng)力釋放空間，可明顯減少對初期支護結(jié)構(gòu)的破壞，拱架參數(shù)應(yīng)根據(jù)實際情況調(diào)整，并預(yù)留注漿孔，在變形穩(wěn)定后對初期支護背后空隙進行注漿填充處理，對施作緩沖層的初期支護結(jié)構(gòu)安全性的系統(tǒng)評價可作為今后的研究重點。

4)對于高地應(yīng)力水平地層隧道，阻尼器作為環(huán)向初期支護拱部的塑性鉸，是地應(yīng)力釋放和變形的集中點。整體來看，雖然初期支護變形較大，但受力較小，初期支護開裂控制效果較好。深入開展阻尼器在初始高地應(yīng)力隧道中的應(yīng)用研究將具有重要的現(xiàn)實意義。