鐘友江， 劉世杰， 吳建和

(中鐵二局集團有限公司， 四川 成都 610032)

0 引言

高地應力軟巖大變形隧道具有變形量大、變形速率快、變形持續(xù)時間長的特征，因而與一般隧道不同，初期支護的設計和施工普遍遵循“放抗結(jié)合”的原則[1-3]。對于如何實現(xiàn)“放抗結(jié)合”的設計和施工原則，長期以來廣大隧道工程技術(shù)人員積極探索，尤其是近幾年，通過蘭渝鐵路、西成鐵路等多個大變形隧道的實踐總結(jié)，逐漸形成了一套有效應對高地應力軟巖大變形問題的設計和施工技術(shù)。概括起來就是隧道斷面采用受力結(jié)構(gòu)更優(yōu)的圓形或近圓形，初期支護采用雙層結(jié)構(gòu)、2次施作，初期支護及早封閉成環(huán)，二次襯砌在圍巖變形趨于收斂后適時施作。其中的雙層支護結(jié)構(gòu)施作是在開挖時預留較大的變形量，為雙層初期支護預留足夠的施作斷面，開挖后立即施作第1層初期支護結(jié)構(gòu)并開展監(jiān)控量測，在圍巖應力部分釋放后再適時施作第2層初期支護結(jié)構(gòu)，最終控制其變形速率和累計變形量。

近年來，有關(guān)隧道雙層初期支護施工技術(shù)的研究較多，成果豐富。王洪昌[4]重點研究了雙層初期支護的力學傳遞方式、雙層初期支護厚度分配、第2層初期支護施作時機等；黃新梅[5]、司劍鈞[6]分別開展了雙層支護及雙層襯砌試驗對比研究，認為雙層初期支護和雙層襯砌都能有效控制圍巖大變形，但雙層初期支護更方便現(xiàn)場實施；韓現(xiàn)民等[7]通過對雙層初期支護力學效應及支護施作時機的研究認為，第2層初期支護施作最佳時機為內(nèi)層支護與外層仰拱同時施作；岳英武[8]對蘭渝鐵路木寨嶺隧道大變形的特征及施工控制進行了研究，認為大變形控制應遵循加強支護、及時封閉、第1層初期支護一次到位、第2層初期支護適時施作的原則；劉陽等[9]、張?zhí)煊頪10]分別通過對蘭渝鐵路木寨嶺隧道、黑山隧道大變形機制進行研究，提出了超前預加固、調(diào)整隧道斷面、采用長錨桿、提高支護結(jié)構(gòu)強度等大變形控制措施；張德華等[11]依托西成客專阜川隧道炭質(zhì)頁巖段進行的雙層支護現(xiàn)場試驗，認為第2層支護應以保證第1層支護的薄弱部位不破壞為原則，薄弱部位的徑向位移速率可作為判定第2層支護施作時機的依據(jù)。

上述研究成果普遍認為采用雙層初期支護對于控制隧道大變形是有效的措施之一。但對于雙層初期支護中內(nèi)、外2層鋼拱架的布置方式均未涉及，現(xiàn)場做法存在2種方式，一種是與第1層鋼拱架交錯布置，另一種是與第1層鋼拱架疊加布置；另外，對于雙層初期支護中的第2層初期支護的施作時機，研究結(jié)果也有差異。為更好地指導高地應力軟巖大變形隧道現(xiàn)場施工，本文結(jié)合成蘭鐵路云屯堡雙線隧道工程，對雙層初期支護中內(nèi)外2層鋼拱架的布置方式和第2層支護施作時機進行了分析和研究，以期研究結(jié)果為類似工程施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)

成蘭鐵路云屯堡隧道位于四川松潘縣境內(nèi)，處于橫斷山區(qū)東緣，且位于龍門山斷裂帶、西秦嶺斷裂帶、岷江斷裂帶構(gòu)成的“A”形三角形斷塊中，地質(zhì)構(gòu)造復雜活躍；圍巖巖性以千枚巖、板巖等軟巖為主，揉皺和擠壓強烈，裂隙發(fā)育，巖體破碎，隧道最大埋深720 m，汶川地震效應顯著，進口端地質(zhì)縱剖面圖見圖1。

圖1 云屯堡隧道進口端地質(zhì)縱剖面圖

設計勘察期間，在D6K228+085左側(cè)8 m處采用水壓致裂法測試地應力，終孔深度為456.83 m。實測洞身附近的最大水平主應力值為15 MPa左右，估算的垂向主應力約為12 MPa，最大主應力方向為N31W～N52W,優(yōu)勢方向約為N42W，與隧道走向夾角為16°。

變更設計前，采用聲波法，利用SR-RCT松動圈測試儀分別在3號橫洞工區(qū)的D5K219+057斷面和4號橫洞工區(qū)的D5K219+077斷面進行松動圈測試，每個斷面左右邊墻各布置1個檢測孔，孔深20～22 m，孔徑100 mm。實測D5K219+057斷面的松動圈約為6.0 m，D5K219+077斷面的松動圈約為7.5 m。典型的孔深-波速曲線見圖2。

1.2 設計優(yōu)化

前期施工中，云屯堡隧道進口端的3#、4#橫洞工區(qū)均發(fā)生了大變形，拱頂最大變形量達551 mm，出現(xiàn)了鋼拱架扭曲、混凝土開裂掉塊以及大面積初期支護侵限等問題。究其原因，雖然隧區(qū)地應力以水平構(gòu)造應力為主，但因最大主應力方向與隧道軸線呈小角度相交，且最大水平主應力與垂直主應力差值不大，加上圍巖軟弱承載力低和施工等因素的影響，隧道開挖后的圍巖和初期支護變形以拱頂沉降為主，邊墻收斂次之。經(jīng)參建各方充分研討，設計優(yōu)化了隧道斷面形式，加大了預留變形量，加強了初期支護，即由單層初期支護優(yōu)化為雙層初期支護結(jié)構(gòu)，并增設了系統(tǒng)長錨桿等。雙層初期支護參數(shù)見表1。

(a) D5K219+057左側(cè)測試孔 (b) D5K222+057右側(cè)測試孔

圖2 孔深-波速曲線

Fig. 2 Relationship between hole depth and wave velocity

表1 云屯堡隧道大變形段雙層初期支護參數(shù)

2 雙層初期支護作用機制及問題的提出

2.1 雙層初期支護作用機制

隧道開挖后，圍巖由初始應力狀態(tài)轉(zhuǎn)換為二次應力狀態(tài)，圍巖發(fā)生一定的應力釋放和塑性變形，初期支護的主要作用是抑制塑形區(qū)的發(fā)展、阻止應力松弛、控制周邊位移等。根據(jù)王洪昌[4]對作用在雙層支護上的壓力pa與支護變形關(guān)系的研究可知，雙層初期支護受力破壞關(guān)系曲線如圖3所示。

由圖3可知，采用雙層初期支護進行支護時，先施作一定厚度的第1層初期支護，其受力特征曲線為AC；圍巖釋放應力并作用在第1層初期支護結(jié)構(gòu)上，因其抗彎剛度不足以抵抗圍巖應力所需，第1層初期支護發(fā)生塑性變形，受力特征曲線為CC′；此時，通過施作第2層初期支護與第1層初期支護共同作用，進一步增大初期支護的抗彎剛度，初期支護結(jié)構(gòu)恢復彈性變形，并最終與作用在支護結(jié)構(gòu)上的力pa達到平衡，其受力特征曲線為C′D。

圖3 雙層初期支護受力破壞關(guān)系曲線

2.2 問題的提出

按照雙層初期支護的作用機制，第2層初期支護需滯后第1層初期支護施作，即待地應力部分釋放和圍巖部分變形后及時施作，以達到既允許地應力得到一定程度的釋放又不能讓地應力的釋放破壞第1層初期支護結(jié)構(gòu)的目的?；诖?，成蘭鐵路云屯堡隧道設計文件要求第2層初期支護在第1層初期支護成環(huán)后及時施作。對于現(xiàn)場施工來說，第2層初期支護施作涉及2個問題： 1)第2層初期支護的鋼拱架與第1層初期支護鋼拱架在空間上是采用疊加還是交錯布置更有利于變形控制的問題； 2)第2層初期支護施作時機的問題，即第2層初期支護宜滯后第1層初期支護多長距離施作。

3 雙層初期支護鋼拱架布置方式比較

雙層初期支護內(nèi)外2層鋼拱架的布置方式有2種： 1)第2層初期支護鋼拱架在第1層鋼拱架處疊加布置(如圖4(a)所示)； 2)第2層初期支護鋼拱架交錯布置在第1層鋼拱架之間的中間位置(如圖4(b)所示)。由于云屯堡隧道設計文件中未明確雙層初期支護中2層鋼拱架的布置方式，因此在先導試驗段施工前采用數(shù)值模擬方法對2種布置方式進行了比較研究，通過模擬計算2種布置方式下鋼拱架的位移和最大主應力來判斷哪種布置方式更好。

(a) 疊加布置

(b) 交錯布置

3.1 計算模型的建立

云屯堡隧道大變形段設計斷面最大寬度為15.3 m，高度為14.59 m。隧道采用臺階法開挖，上臺階開挖高度為7.6 m，下臺階高度為3.7 m，隧底高度為3.29 m，上臺階與下臺階的臺階長度為8 m，隧底滯后下臺階12 m。結(jié)合隧道收斂變形與掌子面距離之間的關(guān)系可知，模型長度方向取60 m較為合適。按照圣維南原理，模型隧道兩側(cè)寬度和上下高度取2.5倍洞徑較為合適，故模型高度取90 m，寬度取90 m，計算模型[12-15]如圖5所示。

圖5 計算模型

3.2 計算參數(shù)的選取

根據(jù)云屯堡隧道地勘報告可知，大變形段隧道圍巖為富水千枚巖，圍巖物理力學參數(shù)見表2。根據(jù)《鐵路隧道設計規(guī)范》可知，噴射混凝土的抗壓強度為19 MPa，內(nèi)摩擦角為35°左右。根據(jù)規(guī)范中的公式可以求出相應的黏聚力C0=4.94 MPa，HW200鋼拱架+C30噴射混凝土支護結(jié)構(gòu)的等效彈性模量E、等效黏聚力c和等效抗拉強度ft通過等效換算考慮。初期支護結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)見表3。

表2 圍巖物理力學參數(shù)

表3 初期支護結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)

3.3 模擬計算過程

計算過程分為3步，包括： 邊界條件的施加、初始應力場的生成、開挖計算。

1)邊界條件施加?？紤]到計算工況是深埋，且建立的模型尺寸遠小于實際埋深，故取邊界條件為固定全部邊界法向位移。

2)初始應力場生成。根據(jù)相關(guān)地勘報告可知，該地段水平應力為15 MPa，豎直應力為12 MPa。

3)開挖計算。臺階法工況，下臺階滯后上臺階8 m；開挖循環(huán)進尺為0.6 m，其中，第1層初期支護0.2 m布置鋼拱架和噴射混凝土，其余0.4 m噴射混凝土；第2層初期支護同樣0.2 m布置鋼拱架和噴射混凝土，其余0.4 m噴射混凝土；第2層初期支護比第1層初期支護延后10 m布置。

3.4 計算結(jié)果

交錯和疊加2種布置方式下鋼拱架的Z向位移如圖6所示，最大主應力如圖7所示。

(a) 交錯布置

由圖6可以看出，交錯布置方式下鋼拱架Z向最大位移發(fā)生在拱頂和拱底，拱頂?shù)淖畲蠓聪蛭灰茷?2.52 cm，疊加布置方式下鋼拱架拱頂Z向位移為15.84 cm，即交錯布置方式下鋼拱架雙層初期支護產(chǎn)生的位移最小，更有利于隧道開挖。由圖7可知，交叉布置和疊加布置方式下鋼拱架雙層初期支護隧道在開挖過程中均是上臺階拱腳處的豎向應力最大，交錯布置方式下鋼拱架的最大主應力值為2.33 MPa，疊加布置方式下最大主應力值為2.75 MPa，即交錯布置更有利。

(a) 交錯布置

(b) 疊加布置

4 第2層初期支護的施作時機

根據(jù)云屯堡大變形段隧道現(xiàn)場施工情況，采用臺階法開挖，模擬計算第2層支護滯后第1層支護0、1.6、2.4、3.2、4.0、7.0、10.0、15.0、20.0 m共9種工況下的塑性區(qū)、位移和最大主應力，用來比較分析第2層支護的最佳施作時機。模型建立、參數(shù)選取和計算過程同第3節(jié)。

4.1 塑性區(qū)模擬計算

通過進行模擬計算分別得到9種工況下的塑性區(qū)圖，如圖8所示。由圖8可以看出，塑性區(qū)面積隨滯后距離的增加而增加。

4.2 不同工況下的Z向位移、最大主應力模擬計算

通過對9種不同工況下的拱頂位移、拱腳最大主應力進行數(shù)值模擬，得到不同工況下的拱頂Z向位移和拱腳最大主應力，如圖9和圖10所示。

由圖9可知，隧道開挖后拱頂位移隨第2層支護滯后的距離逐漸增大，但增加的幅度不同，在滯后距離0～7 m內(nèi)，位移增加較慢；在滯后距離大于7 m后，位移增加較快。由圖10可知，隧道開挖拱腳最大主應力隨滯后距離的增大而減小。

(a) 滯后0 m (b) 滯后1.6 m (c) 滯后2.4 m (d) 滯后3.2 m (e) 滯后4.0 m

圖9 不同工況下的拱頂Z向位移

圖10 不同工況下的拱腳最大主應力

5 現(xiàn)場實施情況

根據(jù)對雙層初期支護鋼拱架的布置方式和第2層初期支護施作時機的理論分析和研究結(jié)果可知，云屯堡隧道大變形段按照上臺階開挖支護—下臺階開挖支護—仰拱開挖支護—仰拱二次支護—仰拱及填充混凝土—拱墻二次支護—二次襯砌的施工順序組織施工。

5.1 洞身開挖

考慮到隧道圍巖自穩(wěn)能力差、開挖跨度大、高度大等因素，洞身采用短臺階法開挖，臺階長度控制在8 m左右，如圖11所示。此外，由于是先導試驗段，為避免初期支護侵限和拆換，預留變形量在設計的基礎上加大了15 cm，后期根據(jù)量測情況動態(tài)調(diào)整。

(a) 示意圖

(b) 現(xiàn)場施工圖

5.2 雙層初期支護施工

雙層初期支護中的第1層初期支護，由上至下隨開挖步序依次施作；第2層初期支護與第1層初期支護的順序正好相反，按照由下至上的順序進行施工。在隧底部位第1層初期支護施工的同時，將隧底部位的第2層初期支護一并施工完成，然后根據(jù)圍巖的變形情況及時施作拱墻部位的第2層初期支護，一般滯后隧底初期支護1～2個循環(huán)的距離。安裝第2層初期支護的鋼拱架時，與第1層初期支護的鋼拱架呈交錯布置形式。

因云屯堡隧道大變形段系統(tǒng)錨桿中，拱部、邊墻、隧底的錨桿長度分別為6、10、5 m，一般的鑿巖機既無法滿足鉆孔深度的需要，更不能保證鉆孔角度要求，因此，只有配置錨桿臺車或鑿巖臺車實施系統(tǒng)錨桿鉆孔作業(yè)才能保證鉆孔深度和鉆孔角度。為此，在先導試驗段施工中，配置了錨桿臺車。同時，為解決雙層初期支護鋼拱架安裝工作量大、HW200單節(jié)鋼拱架重、作業(yè)空間大以及人工安裝速度慢、安全風險高的問題，還配置了鋼架安裝機用于鋼拱架安裝。雙層初期支護現(xiàn)場施工圖見圖12。

(a) (b) (c)

5.3 實施效果

通過采取上述措施，云屯堡隧道大變形問題得到了有效控制。經(jīng)統(tǒng)計，大變形段一般沉降速率為5～12 mm/d，收斂速率為5～10 mm/d，最大沉降速率為43 mm/d，最大收斂速率為19 mm/d；一般累計變形為230～350 mm，收斂趨于穩(wěn)定時間一般為30 d，最長可達3個月。采取措施前后變形情況對比見圖13。同時，由于變形得到了有效控制，初期支護破壞侵限問題得到了根本解決，采取措施前后整體效果對比見圖14。前期頻繁發(fā)生的初期支護結(jié)構(gòu)拆換現(xiàn)象大大減少，隧道施工較為有序，施工進度顯著加快，平均月進尺為20.8 m，其中最小月進尺為15.5 m，最大月進尺為26 m。

經(jīng)對部分斷面進行實測可知： 圍巖與支護接觸壓力累計值為0.15～1.70 MPa，其中，拱腰處接觸壓力為0.7～1.7 MPa，拱頂處接觸壓力為0.4～1.4 MPa，總體來說接觸壓力較大； 鋼拱架內(nèi)力為-47.8～-306.1 MPa，其中，拱頂和拱腰處內(nèi)力較大，接近或超過鋼筋屈服強度，鋼拱架受力大；初期支護混凝土內(nèi)部應力累計值為-2.220～-37.903 MPa，局部接近或超過混凝土設計強度(C35)，表明初期支護混凝土受力大；錨桿拉應力值為18.40～50.50 MPa，受力較小，可能與錨桿注漿質(zhì)量以及圍巖松動圈較大有關(guān)。實測D5K219+057斷面的圍巖壓力和鋼拱架應力如圖15所示。

(a) 采取措施前

(b) 采取措施后

(a) 采取措施前

(b) 采取措施后

(a) 圍巖壓力

(b) 鋼拱架內(nèi)力

6 結(jié)論與建議

1)雙層初期支護結(jié)構(gòu)中，第1層與第2層鋼拱架宜采用交錯布置形式，其更有利于控制高地應力軟巖大變形的位移和應力，減少鋼拱架扭曲變形和噴射混凝土開裂。

2)采用雙層初期支護時，如采用臺階法開挖，宜采用短臺階法，控制臺階長度，為第2層初期支護及時施作創(chuàng)造條件。

3)第2層初期支護應滯后第1層初期支護一定距離施作，并應根據(jù)變形量結(jié)合第1層初期支護內(nèi)力參數(shù)、地下水等因素綜合動態(tài)確定。

4)有效控制高地應力軟巖大變形不僅需要科學合理的技術(shù)措施和施工方法，而且需要嚴密的現(xiàn)場施工組織和管理，確保快速有序地施工。

5)本次研究中，受現(xiàn)場開挖工法的影響，拱墻的第2層初期支護未能在滯后掌子面7 m內(nèi)及時施作，這也是實測變形量較數(shù)值模擬值大的主要原因。建議下一步對下臺階與隧底同步開挖支護的工法進行研究，實現(xiàn)第2層初期支護在滯后7 m工況下施作的變形控制。