崔光耀 朱建偉 姜 沖 王立川 祁家所

(1. 北方工業(yè)大學(xué)， 北京 100144；2. 中鐵隧道集團一處有限公司， 重慶 401123)

隨著我國西部大開發(fā)腳步的加快和經(jīng)濟的快速發(fā)展，西部地區(qū)鐵路發(fā)展也越來越迅速。越來越多的鐵路不可避免地需要穿越巖溶發(fā)育地區(qū)，溶洞、富水軟弱圍巖隧道隨之增多[1-3]。如何保證富水巖溶地層隧道結(jié)構(gòu)支護穩(wěn)定性，是目前有待解決的重點問題之一。

目前，國內(nèi)外專家學(xué)者對富水巖溶隧道的襯砌支護控制技術(shù)開展了部分研究，主要有富水軟巖隧道的室內(nèi)模型試驗研究[4-5]、富水斷層帶初期支護綜合處治方案優(yōu)化研究[6-8]。富水破碎帶隧道支護變形特征研究[9-10]、富水軟巖隧道拱頂所需支護力的研究[11-12]等。但截止目前，對于富水巖溶大斷面鐵路隧道超前支護加固技術(shù)方面的研究還未成熟。基于此，本文以渝黔鐵路天坪隧道富水巖溶段為依托，針對富水巖溶大斷面鐵路隧道超前支護加固技術(shù)進行研究。

1 天坪隧道富水巖溶段工程概況

1.1 地質(zhì)條件

渝黔鐵路天坪隧道位于貴州省北部，重慶與貴州省交界地段，隧道全長13 978 m，存在順層偏壓及多處斷層，暴露后易風(fēng)化崩解，且?guī)r體完整性較差，易發(fā)生坍塌。隧道DK 127+195～DK 127+920段可溶巖發(fā)育，地下水與巖溶地表水系連通，地下水豐富，瞬時涌水量為500 m3/h，水質(zhì)渾濁。隧道圍巖以可溶性碳酸巖為主，遇水后強度迅速降低，圍巖等級為V級。

1.2 襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計

隧道富水巖溶段為馬蹄形斷面，初支采用C30耐腐蝕混凝土(厚28 cm)，二襯采用C25噴射混凝土(厚45 cm)。

2 研究情況

2.1 計算模型

以天坪隧道富水巖溶段為背景建立計算模型，本構(gòu)模型采用彈塑性模型，屈服準則采用摩爾-庫倫準則。模型上下、左右邊界距離均大于5倍洞徑，計算縱向長取42 m，寬取72 m，高75 m。模型四周與底部邊界施加法向約束，上邊界為自由邊界。

2.2 計算工況

為研究超前支護效應(yīng)及相應(yīng)施工過程中隧道的力學(xué)行為特征，本文對小導(dǎo)管注漿超前支護和大管棚加小導(dǎo)管注漿綜合超前支護兩種支護工況進行模擬。計算工況如表1所示。

表1 計算工況表

2.3 計算參數(shù)

圍巖及支護結(jié)構(gòu)物理力學(xué)指標如表2所示。

表2 計算模型參數(shù)表

2.4 測點布置

以y=21 m處為監(jiān)測斷面，在仰拱與拱頂處分別設(shè)置沉降監(jiān)測點，拱腰、邊墻、拱腳處分別設(shè)置水平收斂線。測點布置如圖1所示。

圖1 測點布置圖

3 計算結(jié)果及分析

3.1 結(jié)構(gòu)位移

提取兩種工況下監(jiān)測斷面的結(jié)構(gòu)位移數(shù)據(jù)，繪制結(jié)構(gòu)位移變化與開挖步關(guān)系曲線，如圖2～圖5所示，兩種工況的位移監(jiān)測最大值如表3所示。

圖2 拱頂下沉隨開挖步關(guān)系曲線圖

圖3 上臺階水平收斂隨開挖步關(guān)系曲線圖

圖4 中臺階水平收斂隨開挖步關(guān)系曲線圖

圖5 下臺階水平收斂隨開挖步關(guān)系曲線圖

由圖2～圖5可知，工況2的拱頂沉降值和臺階水平收斂值均較工況1小。其中拱頂沉降最大值減小18.5 mm，約為15.7%；上臺階水平收斂最大值減小3.3 mm，約為19.4%；中臺階水平收斂最大值減小4.6 mm，約為12.6%。大管棚加小導(dǎo)管綜合注漿超前支護對中上臺階水平收斂作用明顯，對下臺階作用微弱，這是由支護設(shè)置位置造成的(支護設(shè)置于中上臺階處)。

表3 結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測最大值表(mm)

綜上所述，大管棚加小導(dǎo)管注漿綜合超前支護對隧道襯砌位移控制明顯，特別是對上臺階水平收斂及拱頂沉降的控制作用尤為明顯。

3.2 掌子面擠出變形

當隧道開挖至監(jiān)測斷面時，中上臺階掌子面擠出變形如圖6、圖7所示。

圖6 工況1掌子面擠出變形圖

圖7 工況2掌子面擠出變形圖

由圖6、圖7可知，最大掌子面擠出變形均出現(xiàn)在上臺階偏下部。工況1上臺階最大掌子面擠出變形為152.9 mm，中臺階最大掌子面擠出變形為267.0 mm；工況2上臺階最大掌子面擠出變形為146.2 mm，中臺階最大掌子面擠出變形為254.7 mm。較工況1，工況2上臺階最大掌子面擠出變形降低4.58%，下臺階最大掌子面擠出變形降低4.83%。由此可見，采用大管棚加小導(dǎo)管注漿綜合超前支護對最大掌子面擠出變形有所改善。

3.3 初期支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力

提取監(jiān)測斷面處初期支護的最小主應(yīng)力和最大主應(yīng)力分布云圖，如圖8～圖11所示，兩工況下初支最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力值如表4所示。

表4 初期支護最大主應(yīng)力表

圖8 工況1初期支護最大主應(yīng)力圖(Pa)

圖10 工況1初期支護的最小主應(yīng)力圖(Pa)

圖9 工況2工況初期支護最大主應(yīng)力圖(Pa)

圖11 工況2初期支護的最小主應(yīng)力圖(Pa)

由圖8～圖11可知，在應(yīng)力云圖中，最大壓應(yīng)力均位于隧道邊墻位置，而最大拉應(yīng)力均位于拱頂位置。較工況1，工況2應(yīng)力值均有所降低。其中最大壓應(yīng)力減小4.53%，最大拉應(yīng)力減小15.6%。

綜上，采用大管棚加小導(dǎo)管注漿綜合超前支護對初支所受應(yīng)力狀態(tài)有所改善，對初期支護所受拉應(yīng)力控制效果尤為顯著。

4 加固方案優(yōu)選

兩工況的位移、掌子面擠出變形及初支最大主應(yīng)力最終計算結(jié)果如表5所示。

表5 兩工況下位移、掌子面擠出變形以及初支最大主應(yīng)力表

由表5可知，大管棚加小導(dǎo)管注漿綜合超前支護的加固效果在各方面均較小導(dǎo)管注漿超前支護有所提升，且在上臺階水平收斂及初支最大拉應(yīng)力方面提升顯著，因此推薦渝黔鐵路天坪隧道富水巖溶段采用大管棚加小導(dǎo)管注漿綜合超前支護加固方式。

5 結(jié)論

(1)采用大管棚加小導(dǎo)管注漿綜合超前支護，各臺階水平收斂量與拱頂沉降量均較小導(dǎo)管注漿超前支護有所減小，其中拱頂沉降最大值減小15.7%，上臺階水平收斂最大值減小19.4%，中臺階水平收斂最大值減小12.6%。說明大管棚加小導(dǎo)管注漿綜合超前支護在隧道開挖過程中對襯砌結(jié)構(gòu)位移的控制作用較好，特別對拱頂沉降和上臺階水平收斂的控制作用尤為顯著。

(2)大管棚加小導(dǎo)管注漿綜合超前支護對控制上臺階下部的掌子面擠出變形作用明顯，較小導(dǎo)管注漿超前支護，上臺階最大掌子面擠出變形量減小4.58%，中臺階最大掌子面擠出變形量減小4.83%。

(3)較小導(dǎo)管注漿超前支護，大管棚加小導(dǎo)管注漿綜合超前支護對初支受力有所改善。最大壓應(yīng)力減小4.53%，最大拉應(yīng)力減小15.6%。

(4)渝黔鐵路天坪隧道富水巖溶段推薦采用大管棚加小導(dǎo)管注漿綜合超前支護加固方式。