田偉權(quán)

(中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司 浙江湖州 313000）

1 前言

隨著隧道工程建設(shè)的不斷發(fā)展，擠壓性圍巖隧道大變形問(wèn)題成為困擾隧道建設(shè)者的突出難題，也是國(guó)內(nèi)外隧道工程界關(guān)注的焦點(diǎn)和難點(diǎn)之一[1-9]。國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)于1995年給出擠壓性圍巖的定義:“一種由于極限剪切應(yīng)力失穩(wěn)而導(dǎo)致隧道開(kāi)挖面周邊發(fā)生大變形的圍巖，擠壓變形是一種與時(shí)間相關(guān)的變形行為，是一種蠕變行為，這種變形可能會(huì)在開(kāi)挖期間停止，也可能持續(xù)時(shí)間非常長(zhǎng)”。國(guó)內(nèi)總結(jié)了近年來(lái)擠壓性圍巖隧道經(jīng)驗(yàn)和特點(diǎn)，在《鐵路擠壓性圍巖隧道技術(shù)規(guī)范》中給出出定義:“擠壓性圍巖是指在高地應(yīng)力環(huán)境下，隧道周邊一定范圍內(nèi)產(chǎn)生顯著塑性變形或流變的巖體[10]”。國(guó)內(nèi)外針對(duì)擠壓性圍巖的變形機(jī)理和控制技術(shù)等開(kāi)展了大量研究工作，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，但由于擠壓性圍巖一般所處地應(yīng)力環(huán)境非常復(fù)雜，巖性變化頻繁，隧道結(jié)構(gòu)斷面和支護(hù)措施各異，工程實(shí)踐中仍存在變形控制困難，大量支護(hù)拆換甚至坍塌事故等嚴(yán)重現(xiàn)象。

本文針對(duì)新建麗香鐵路工程實(shí)踐，通過(guò)計(jì)算與實(shí)測(cè)對(duì)比分析單線(xiàn)鐵路隧道受力變形分布規(guī)律，提出擠壓性圍巖單線(xiàn)鐵路隧道的變形控制措施并應(yīng)用于工程實(shí)踐。

2 工程概況

麗(江）香(格里拉）鐵路是我國(guó)中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃西部路網(wǎng)的重要組成部分，是國(guó)家Ⅰ級(jí)單線(xiàn)電氣化鐵路，設(shè)計(jì)時(shí)速120 km。線(xiàn)路全長(zhǎng)139.686 km，全線(xiàn)新建隧道共20座，隧線(xiàn)比66.3%。線(xiàn)路位于印度板塊和歐亞板塊碰撞的縫合帶附近，地跨揚(yáng)子亞板塊和印度亞板塊之中甸褶皺帶及鹽源-麗江陸緣拗褶帶，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地震活動(dòng)頻繁。其中長(zhǎng)坪隧道全長(zhǎng)9 523 m，起訖里程DK52+183～DK61+706，最大埋深1 155 m，為麗香鐵路的重點(diǎn)控制工程?？辈祀A段該隧道區(qū)域?qū)崪y(cè)最大水平主應(yīng)力11.36～25.09 MPa，最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值平均1.2，最大達(dá)1.9，區(qū)域內(nèi)地應(yīng)力主要為構(gòu)造應(yīng)力，方向?yàn)镹20°～62°W。隧道施工以來(lái)多處出現(xiàn)擠壓大變形，造成支護(hù)開(kāi)裂、變形侵限、鋼架扭曲等現(xiàn)象。大變形區(qū)段開(kāi)挖揭示的圍巖為深灰、灰黑色薄層炭質(zhì)板巖、千枚巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部巖體產(chǎn)狀紊亂，巖體松散破碎，開(kāi)挖過(guò)程中拱部出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，地下水較發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性差[11-12]。圖1為開(kāi)挖揭露的掌子面圍巖照片，圖2為鋼架扭曲變形現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖2 鋼架扭曲變形

3 單線(xiàn)隧道受力變形計(jì)算結(jié)果分析

3.1 計(jì)算模型基本情況

為研究洞室形狀對(duì)擠壓性圍巖隧道受力變形分布規(guī)律的影響，采用FLAC3D有限差分軟件，建立三維計(jì)算模型，模型在X、Y、Z三個(gè)方向的尺寸為100 m、50 m、100 m，模型四周及底部施加法向位移約束，頂部加自重應(yīng)力。選取麗香鐵路隧道Ⅴ級(jí)軟巖標(biāo)準(zhǔn)斷面和支護(hù)參數(shù)，圍巖材料參數(shù)及初始地應(yīng)力取值按麗香鐵路長(zhǎng)坪隧道現(xiàn)場(chǎng)勘察資料選取，采用兩臺(tái)階法施工，開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺1 m，支護(hù)封閉距離12 m。

3.2 計(jì)算位移分布規(guī)律

提取施工結(jié)束時(shí)Y=25 m斷面隧道支護(hù)位移，繪制位移沿橫斷面分布圖，如圖3所示。

由圖3可見(jiàn)，單線(xiàn)隧道受洞室形狀影響，位移以水平方向?yàn)橹?，水平收斂明顯大于拱頂下沉。

圖3 隧道支護(hù)位移沿橫斷面分布（單位：mm）

3.3 計(jì)算等效圍巖壓力分布規(guī)律

為尋求支護(hù)結(jié)構(gòu)承受?chē)鷰r荷載情況，在支護(hù)結(jié)構(gòu)外部建立薄層單位，提取薄層單元的徑向應(yīng)力等效支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的圍巖壓力，以獲取圍巖壓力沿橫斷面分布情況。其計(jì)算數(shù)值大小無(wú)實(shí)際意義，但其沿橫斷面的分布規(guī)律是有意義的。圖4為等效圍巖壓力沿橫斷面分布圖。

由圖4可見(jiàn):拱部圍巖壓力大于兩側(cè)邊墻，表明受單線(xiàn)隧道洞室形狀影響，拱部豎向位移小，圍巖釋放應(yīng)力小，從而圍巖壓力較大；邊墻水平位移大，圍巖釋放應(yīng)力大，從而圍巖壓力較小。

圖4 等效圍巖壓力沿橫斷面分布（單位：MPa）

3.4 計(jì)算支護(hù)應(yīng)力分布規(guī)律

提取隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)主應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果表明:支護(hù)結(jié)構(gòu)以受壓為主，僅在拱腰較小范圍內(nèi)出現(xiàn)拉應(yīng)力，較大壓應(yīng)力發(fā)生在拱部或墻腳部位。

4 單線(xiàn)隧道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)段基本情況

4.1.1 掌子面開(kāi)挖揭示圍巖情況

麗香鐵路長(zhǎng)坪隧道正洞DK61+285～DK61+255長(zhǎng)30 m區(qū)段設(shè)試驗(yàn)段，根據(jù)開(kāi)挖揭示情況，掌子面巖性為深灰、灰黑色薄層狀炭質(zhì)板巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部巖體產(chǎn)狀紊亂，扭曲變形嚴(yán)重，巖體松散破碎，開(kāi)挖過(guò)程中拱部出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，掌子面潮濕，圍巖穩(wěn)定性差，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，存在軟巖大變形危害。

4.1.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

試驗(yàn)段監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目包括:拱頂下沉、水平收斂、初期支護(hù)圍巖壓力、鋼架應(yīng)力、噴射混凝土應(yīng)力、二次襯砌混凝土應(yīng)力、二次襯砌接觸壓力、錨桿軸力等。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試隧道受力變形分布

4.2.1 變形測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)段拱頂下沉及水平收斂量測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)段拱頂下沉及水平收斂量測(cè)結(jié)果mm

由表1得知，單線(xiàn)隧道變形以水平收斂為主，與計(jì)算單線(xiàn)隧道位移分布規(guī)律一致，平均水平收斂297.8 mm，平均拱頂下沉64.9 mm，位移優(yōu)勢(shì)方向明顯，換算單側(cè)水平位移與拱頂下沉平均比值達(dá)2.3倍。說(shuō)明雖進(jìn)行了斷面曲率優(yōu)化，但受斷面形狀影響，水平位移仍明顯大于豎向位移，支護(hù)結(jié)構(gòu)整體位移不協(xié)調(diào)，也是造成結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生應(yīng)力集中的根源。

4.2.2 圍巖壓力測(cè)試結(jié)果

長(zhǎng)坪隧道DK61+275斷面圍巖壓力沿橫斷面分布如圖5a所示。

由圖5a可見(jiàn)，實(shí)測(cè)最大初期支護(hù)承受的圍巖壓力最大值0.62 MPa，出現(xiàn)在拱頂部位，邊墻圍巖壓力小于拱部，與計(jì)算分布規(guī)律一致。同樣說(shuō)明在較大水平構(gòu)造應(yīng)力作用下，高邊墻易發(fā)生水平方向位移，從而邊墻圍巖應(yīng)力釋放而使邊墻支護(hù)承受較小圍巖壓力；而拱頂部位受豎向地應(yīng)力作用和拱部向上位移趨勢(shì)共同作用，而產(chǎn)生較小豎向位移，從而拱部支護(hù)承受較大圍巖壓力。

4.2.3 支護(hù)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

長(zhǎng)坪隧道DK61+275斷面噴射混凝土應(yīng)力及鋼架應(yīng)力沿橫斷面分布分別如圖5b、圖5 c所示，其值均以受壓為正。

由圖5b、圖5c可見(jiàn)，噴射混凝土應(yīng)力及鋼架應(yīng)力均以受壓為主，這與計(jì)算分布規(guī)律一致；噴射混凝土應(yīng)力最大值22.93 MPa，出現(xiàn)在拱頂，其值超過(guò)C25噴射混凝土極限強(qiáng)度，易出現(xiàn)噴層開(kāi)裂現(xiàn)象，這也與計(jì)算分布規(guī)律一致；噴射混凝土僅在左側(cè)拱腰部位出現(xiàn)-1.40 MPa的較小拉應(yīng)力，這也與計(jì)算分布規(guī)律中的拱腳出現(xiàn)拉應(yīng)力是一致的；鋼架應(yīng)力最大值578.6 MPa，出現(xiàn)在左側(cè)邊墻中部位，其次為拱頂481.6 MPa，超過(guò)了材料容許應(yīng)力，易出現(xiàn)鋼架扭曲現(xiàn)象，說(shuō)明鋼架充分發(fā)揮其抵抗變形的能力。支護(hù)應(yīng)力分布呈顯著不對(duì)稱(chēng)形態(tài)，這與圍巖條件、施工方法、支護(hù)時(shí)機(jī)等因素有關(guān)。

圖5 長(zhǎng)坪隧道DK61+275初期支護(hù)受力沿橫斷面分布（單位：MPa）（受壓為正值）

4.2.4 錨桿軸力測(cè)試結(jié)果

長(zhǎng)坪隧道DK61+275斷面錨桿軸力分布如圖6所示，其軸力值以受拉為正。

錨桿多受拉，最大錨桿拉力發(fā)生在右墻中165.5 MPa(62.9 kN），其次為左墻中148.8 MPa(56.5 kN），拱頂、拱腰及墻腳部位錨桿軸力值均較小。這與受單線(xiàn)隧道形狀影響以水平位移為主有關(guān)，在高地應(yīng)力作用下，邊墻產(chǎn)生較大水平位移，牽引錨桿承受較大拉力，而充分發(fā)揮錨桿加固圍巖的作用。錨桿沿縱向局部承受較小壓力，這與錨桿局部注漿效果有關(guān)。

圖6 長(zhǎng)坪隧道DK61+275錨桿軸力沿橫斷面分布（單位：MPa）

4.2.5 測(cè)試結(jié)果綜合分析

(1）長(zhǎng)坪隧道試驗(yàn)段實(shí)測(cè)變形以水平收斂為主，換算單側(cè)水平位移與拱頂下沉比達(dá)2.3倍，支護(hù)結(jié)構(gòu)位移不協(xié)調(diào)是產(chǎn)生應(yīng)力集中的主要原因，這與單線(xiàn)隧道計(jì)算規(guī)律一致。

(2）實(shí)測(cè)圍巖壓力拱部大于邊墻，拱部位移小，圍巖壓力大，邊墻位移大，圍巖壓力小，支護(hù)結(jié)構(gòu)一定范圍內(nèi)，位移越大，圍巖壓力越小，這與單線(xiàn)隧道計(jì)算規(guī)律一致。

(3）實(shí)測(cè)支護(hù)應(yīng)力分布不均勻，主要受?chē)鷰r條件、施工方法、支護(hù)時(shí)機(jī)等因素影響；噴射混凝土拱部最大拉應(yīng)力，拱腰較小拉應(yīng)力的分布規(guī)律與計(jì)算規(guī)律一致；局部出現(xiàn)支護(hù)應(yīng)力超過(guò)材料容許應(yīng)力情況，與現(xiàn)場(chǎng)局部噴層開(kāi)裂現(xiàn)象相符。

(4）實(shí)測(cè)錨桿多受拉，邊墻錨桿軸力明顯大于拱部，說(shuō)明在高地應(yīng)力作用下單線(xiàn)隧道較大的水平位移牽引錨桿承受較大拉力，從而充分發(fā)揮錨桿加固圍巖作用。

5 工程應(yīng)用

5.1 支護(hù)參數(shù)

根據(jù)大變形試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況，長(zhǎng)坪隧道大變形段采取了斷面優(yōu)化、加長(zhǎng)邊墻系統(tǒng)錨桿等結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施。增大了斷面曲率，避免局部應(yīng)力集中。加長(zhǎng)邊墻系統(tǒng)錨桿，重點(diǎn)加固邊墻圍巖，控制圍巖變形。大變形段主要支護(hù)參數(shù)為:φ42超前注漿小導(dǎo)管長(zhǎng)3.0 m，間距0.4 m； 20b鋼架，0.5 m/榀；φ42 鎖腳錨管長(zhǎng)4.0 m，拱腳及邊墻腳兩側(cè)各4根；φ8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm；拱部采用φ25組合中空錨桿長(zhǎng)4.0 m，邊墻采用早強(qiáng)砂漿錨桿或自進(jìn)式錨桿長(zhǎng)6.5 m，間距1.0 m×1.0 m；開(kāi)挖預(yù)留變形量40 cm；C25噴射混凝土厚27 cm；C35二次襯砌模筑混凝土厚45 cm。大變形段復(fù)合式襯砌斷面如圖7所示。

圖7 長(zhǎng)坪隧道大變形段復(fù)合式襯砌斷面圖（單位：cm）

5.2 施工開(kāi)挖方法

為有效控制變形，及時(shí)實(shí)現(xiàn)支護(hù)封閉，充分發(fā)揮機(jī)械效率，長(zhǎng)坪隧道大變形段采用兩臺(tái)階法施工，臺(tái)階長(zhǎng)度在10 m以?xún)?nèi)，開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺0.5 m，下臺(tái)階與仰拱一次開(kāi)挖，滯后2～3榀拱架施作仰拱支護(hù)，實(shí)現(xiàn)12 m以?xún)?nèi)的支護(hù)封閉距離。上臺(tái)階10 m長(zhǎng)度范圍保障錨桿鉆機(jī)的施作空間。掌子面無(wú)法自穩(wěn)時(shí)，可采取環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法，掌子噴射混凝土封閉，加密、加長(zhǎng)超前注漿小導(dǎo)管等措施，穩(wěn)定掌子面，減小掌子面縱向位移。兩臺(tái)階法現(xiàn)場(chǎng)施工照片如圖8所示。

圖8 兩臺(tái)階法施工現(xiàn)場(chǎng)照片

5.3 錨桿施工

為加快錨桿施工效率，選用 MC-6錨桿鉆機(jī)。該鉆機(jī)總質(zhì)量為6 400 kg，功率為85 kW，可以實(shí)現(xiàn)全方位360°錨桿施工，且施工長(zhǎng)度不受限制，向上垂直最高可施作6 m；鉆孔工藝工效邊墻錨桿長(zhǎng)6.5 m，每米(2榀拱架）一環(huán)，每環(huán)11根，平均每個(gè)鉆孔需要30 min；施作一環(huán)11根6.5 m長(zhǎng)的錨桿大概在5～6 h左右。

5.4 實(shí)施效果

長(zhǎng)坪隧道大變形段，通過(guò)采取斷面曲率優(yōu)化、加長(zhǎng)邊墻系統(tǒng)錨桿、兩臺(tái)階法開(kāi)挖、高效錨桿鉆機(jī)等措施，實(shí)現(xiàn)了12 m以?xún)?nèi)支護(hù)快速封閉，控制了圍巖變形，單側(cè)位移控制在20 cm以?xún)?nèi)，減少了支護(hù)開(kāi)裂，避免了支護(hù)侵限拆換，提高了施工效率，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，隧道結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

6 結(jié)論

(1）單線(xiàn)隧道受洞室形狀影響，變形以水平方向?yàn)橹?，圍巖壓力以垂直方向?yàn)橹鳌?/p>

(2）支護(hù)結(jié)構(gòu)均以受壓為主，拱腰和墻腳是易產(chǎn)生應(yīng)力集中的薄弱環(huán)節(jié)，實(shí)測(cè)錨桿多受拉，墻中錨桿軸力遠(yuǎn)大于拱部及墻腳錨桿。

(3）實(shí)測(cè)受力變形分布規(guī)律與計(jì)算結(jié)果基本一致。

(4）工程實(shí)踐中通過(guò)采取斷面曲率優(yōu)化、加長(zhǎng)邊墻系統(tǒng)錨桿、兩臺(tái)階法開(kāi)挖、高效錨桿鉆機(jī)等措施，有效控制了圍巖變形，隧道結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。