鄭 偉 張 磊

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

六盤水至沾益鐵路三聯(lián)隧道為設計速度 160 km/h的雙線隧道，全長 12 214 m，是全線第二長隧道。隧道處于云貴高原中部低中山地貌，最大埋深約280 m，隧道通過地層為二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組(P2β)玄武巖夾凝灰?guī)r；宣威群(P2xn)砂巖夾頁巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖、煤層；三迭系下統(tǒng)飛仙關組(T1f)砂巖夾泥巖、頁巖。全隧通過6條斷層及1個向斜，縱斷面如圖1所示。

三聯(lián)隧道1號斜井工區(qū)在玄武巖夾凝灰?guī)r與煤系地層接觸帶附近(D1K 305+940～D1K 307+120)施工時，雖對支護措施進行了逐步加強，但初支變形未能得到有效控制，平導及正洞初期支護均出現(xiàn)大變形，正洞甚至出現(xiàn)了二次襯砌開裂、隧底隆起等現(xiàn)象，具有典型的擠壓性大變形的特點。后經(jīng)對現(xiàn)場情況、變形原因進行分析，采用數(shù)值理論計算等方法，綜合制定變形控制措施，效果良好，可為類似工程提供一定參考。

1 施工變形特征及原因分析

1.1 施工變形特征

1號斜井工區(qū)施工揭示D1K 305+945～D1K 306+120段巖性以紫紅色凝灰?guī)r為主，局部夾玄武巖，凝灰?guī)r全風化，施工過程中多處地段出現(xiàn)初期支護變形較大現(xiàn)象，雖對支護措施、支護剛度逐步加強，但變形依然較大。從變形特征分析，段內(nèi)拱頂沉降均在17 cm左右，其周邊收斂量較為突出，單側最大收斂值約為55 cm，該段初期支護在隧道開挖后距掌子面1倍洞徑范圍內(nèi)變形收斂仍屬正常值范圍，但在距掌子面1.5～2倍洞徑(從時間上開挖初支后30～35 d)處，仰拱開挖后初期支護封閉成環(huán)反而極易發(fā)生邊墻變形加劇，特別是填充面以上2.5 m及5.5 m兩個位置；其主要表現(xiàn)形式為混凝土開裂、掉塊；型鋼鋼架局部出現(xiàn)外突、扭(壓)曲、折斷現(xiàn)象；連接鋼板螺栓剪切破壞，初期支護變形侵限嚴重；該變形趨勢與普通軟巖地段在初支成環(huán)后變形速率明顯減小的變形規(guī)律不一致，具有蠕變、臺階性應力釋放等特征；應力釋放時間長，局部地段甚至在二襯施作完畢1年后發(fā)生隧底隆起現(xiàn)象。

圖1 三聯(lián)隧道縱斷面示意圖

1.2 變形原因分析

(1)變形段地質(zhì)條件復雜，位于木嘎斷層和上土木斷層擠壓夾持區(qū)內(nèi)，且位于玄武巖夾凝灰?guī)r與煤系地層小角度不整合接觸帶附近。

(2)本段隧道最大水平主應力值為6.87 MPa，線路走向與最大主應力方向呈大角度相交，且最大主應力主要為構造應力，凝灰?guī)r、泥頁巖及煤層強度低，巖石天然單軸抗壓強度平均值約為1 MPa，強度應力比為0.15，屬極高強度應力比狀態(tài)。

(3)全風化的凝灰?guī)r巖體強度低，完整性差，巖質(zhì)軟，遇水后強度急劇降低，自穩(wěn)性極差，且具有一定的膨脹性，膨脹荷載約為0.35 MPa。

2 變形控制措施探討

2.1 支護理念對比

針對前期出現(xiàn)的變形情況，過程中先后按不同的大變形處理理念進行了試驗：按“先放后抗、及時封閉”的原則施作A試驗段，采用雙層支護；按“以抗為主”的原則施作B試驗段，采用剛度較大的單層支護；總結前兩個試驗段優(yōu)缺點后施作C試驗段，優(yōu)化支護參數(shù)及工法，如表1～表3所示。

表1 試驗段范圍表

表2 單層支護參數(shù)表

表3 雙層支護參數(shù)表

從各試驗段的成果資料分析，單層支護由于剛度較小，初期支護變形往往過大，侵入二襯凈空；雙層支護雖能將變形控制到可接受范圍，但第一層支護易發(fā)生變形速率過大甚至失穩(wěn)現(xiàn)象，第二層支護需等下臺階開挖后方能施作，錨索施工周期較長，無法及時對塑性區(qū)進行控制，且需施作二次支護，工序較多[1-2]；采用剛度較大的單層支護在配合采用雙側壁導坑工法后能有效的控制支護變形，實現(xiàn)段內(nèi)工序轉(zhuǎn)換平衡。但不管是單層還是雙層支護，施作后支護變形始終不能完全收斂。

若待初期支護完全收斂后再施作二次襯砌，變形長期累計勢必會侵入二襯凈空，初期支護變形過大可能會導致其失效甚至拆換，為此考慮及時施作二次襯砌，讓初期支護和二次襯砌共同作用抵抗圍巖壓力。

2.2 二襯結構設計

2.2.1 數(shù)值分析

對初支和二襯同時作用時的結構受力狀態(tài)進行分析，采用地層結構方法建立二維實體模型，考慮鋼架和錨桿的作用，模擬圍巖和支護結構的共同變形。考慮到模型的對稱性，此處取一半進行計算，地層結構模型，如圖2所示。

圖2 地層結構模型(二維對稱模型)

計算中的支護結構的材料物理力學參數(shù)，如表4所示。

表4 材料物理力學參數(shù)表

凝灰?guī)r地層的物理力學參數(shù),如表5所示。

表5 圍巖參數(shù)表

原始地應力場參數(shù)，如表6所示。

表6 原始地應力場參數(shù)表

2.2.2 計算結果

考慮初期支護和二次襯砌共同承受初期支護變形13 cm后的殘余應力，此時二襯施做后邊墻單側收斂約為3 mm，拱頂下沉約為3 mm即達到平衡穩(wěn)定狀態(tài)。平衡狀態(tài)下圍巖的應力，如圖3所示。

圖3 圍巖應力云圖

根據(jù)內(nèi)力計算結果，二次襯砌僅需構造配筋(4φ18主筋)即可滿足要求。但考慮到極高地應力區(qū)域應力釋放的不確定性、持久性以及地下水環(huán)境變化可能產(chǎn)生的凝灰?guī)r軟化、膨脹力等復雜的地質(zhì)物理化學因素，數(shù)值計算難以模擬這些因素，因此，二襯進行加強，采用厚度為55 cm、配筋為5φ25的二襯結構，其受力和安全性，如表7所示。

表7 襯砌結構受力及安全系數(shù)統(tǒng)計表

由表7可知，各點安全系數(shù)均大于2.0，滿足規(guī)范要求，且有一定的富余，因此二襯是安全的。

2.3 變形控制措施

根據(jù)試驗段成果資料及結構計算結論，對后續(xù)段落的施工工法、支護參數(shù)、二襯結構等進行了優(yōu)化，其具體支護參數(shù)及代表斷面，如表8、表9所示。其典型斷面如圖4所示。

表8 系統(tǒng)支護參數(shù)表

表9 洞身鋼架及超前支護對照表

圖4 典型斷面示意圖(mm)

2.3.1 施工工法

采用雙側壁導坑法預留核心土施工[3]，其主要目的和作用為：導洞先行，利于先行施作邊墻的錨索，盡早發(fā)揮錨索的張拉力，在初支成環(huán)時使其達到使用條件，進一步抑制塑性區(qū)的發(fā)展[4]。小斷面步步成環(huán)更有利于控制塑性區(qū)的發(fā)展，同時設置核心土有利于掌子面前方圍巖的穩(wěn)定，控制其早期變形[5-6]，是雙側壁導坑法施工的一個突出優(yōu)點，每次成環(huán)都是對塑性區(qū)發(fā)展的一次控制，能夠有效避免支護突變性、臺階性變形，實現(xiàn)各工序間的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換[7]。

2.3.2 系統(tǒng)支護

采用主動+被動的支護型式來控制和約束塑性區(qū)的發(fā)展，發(fā)揮系統(tǒng)錨桿、仰拱基底錨桿、邊墻錨索的主動支護作用，約束圍巖變形、控制塑性區(qū)、加強支護抗力，增加初期支護的可靠度[8-9]。

2.3.3 鋼架及超前支護

采用剛度較大的單層H175型鋼鋼架+超前中管棚的加強支護形式，其主要作用為：增強了初始鋼架的抗力，從第一時間就開始控制其塑性區(qū)的發(fā)展[10-11]；較少的施工工序，有利于平行作業(yè)，能較快形成有效支護體系。

2.3.4 二次襯砌

采用與初期支護共同抵抗初期支護變形13 cm后的殘余應力的加強型二次襯砌(55 cm厚的鋼筋混凝土襯砌)，通過理論計算和現(xiàn)場實際施作后，結構安全可靠，二襯在施作后變形速率小，且在1個月左右時間內(nèi)變形速率就已趨于0，襯砌表面未出現(xiàn)結構性裂縫。

3 現(xiàn)場內(nèi)力監(jiān)測

為進一步驗證初期支護及二次襯砌的受力狀態(tài)及可靠度，選取3個斷面進行時長5年的內(nèi)力測試工作，主要包括:初支與圍巖和初支與襯砌接觸壓力、初支鋼架和噴混凝土內(nèi)力、襯砌混凝土內(nèi)力、仰拱襯砌混凝土內(nèi)力,并對襯砌安全性進行了檢算。

各測點測試數(shù)據(jù)，如表10～表12所示。

表10 初支鋼架內(nèi)外側測點應力最大值

表11 襯砌混凝土內(nèi)外側測點應力最大值

表12 仰拱襯砌混凝土內(nèi)外側最大值

通過各斷面測點歷時長5年的應力監(jiān)測得出的時程曲線知,各斷面測點測試數(shù)據(jù)均已穩(wěn)定,且無異常;該段襯砌混凝土表面無開裂與滲漏水。測點的安全系數(shù)值均滿足《鐵路隧道設計規(guī)范》中“抗拉安全系數(shù)大于2.4，抗壓安全系數(shù)大于2.0”的要求，結構安全性滿足要求。

4 結論及建議

(1)高地應力軟巖段可允許初期支護在可控范圍內(nèi)產(chǎn)生較大的變形，釋放一定的應力，但應避免噴射混凝土應力和鋼架應力超過其強度設計值而失效。

(2)對于高地應力軟巖大變形地段，采用與工程措施匹配的工法能最大程度發(fā)揮措施的有效性，如本工點采用的雙側壁導坑法盡早發(fā)揮邊墻錨索作用，從而抑制支護變形。

(3)通過計算及長期測試成果表明，采用加強型的二次襯砌，與初期支護共同作用來抵抗初期支護變形一定程度后的殘余應力是可行的，但是對于二次襯砌結構設計及施作時機應通過數(shù)值分析、工程類比后綜合確定。

(4)軟巖大變形是隧道工程常見的比較棘手的地質(zhì)問題，工程中應根據(jù)實際情況結合理論數(shù)值分析后確定支護理念及支護參數(shù)，制定科學有效的處理方案。