劉建勛

(中鐵十四局集團(tuán)第三工程有限公司， 濟(jì)南 272100)

我國西部山區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，其中不乏互層或夾層等層狀軟巖，如某隧道沿線地層中，砂巖與千枚巖互層地層占總長的95%以上[1-2]。層狀結(jié)構(gòu)巖體，其產(chǎn)狀有水平的或傾斜的，有單一的也有復(fù)雜多樣的[3-5]。層狀巖體中層面為主要結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面沿層面產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)帶，導(dǎo)致層面之間的連接力弱于其他巖體，有顯著的層狀組合特征[6-8]。深埋長大互層隧道的圍巖初始地應(yīng)力很高，變形量大，巖體的流變特性就更加的明顯，增大了隧道修建的難度。

何永旺[9]通過對(duì)比不同因素下隧道二次襯砌承載性能，得出當(dāng)巖性較差時(shí)可采用大矢跨比的仰拱結(jié)構(gòu)，同時(shí)為保證隧道穩(wěn)定性建議采用側(cè)壓力系數(shù)(可選規(guī)范中的下限)；黃雄軍[10]針對(duì)某鐵路隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)病害，采用有限元軟件ANSYS對(duì)二次襯砌受力和配筋進(jìn)行模擬分析，得出拱頂部位的實(shí)際配筋量不滿足構(gòu)造配筋要求；田鵬[11]以大梁隧道為背景，對(duì)高地應(yīng)力條件下軟巖隧道圍巖壓力作用規(guī)律及二襯受力特征進(jìn)行研究，得出圍巖壓力呈現(xiàn)“兩側(cè)大，中間小”的分布規(guī)律，二次襯砌承擔(dān)45%～70.3%圍巖壓力；張新金[12]等以北京地鐵10號(hào)線三元橋站為例，從地表沉降和隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力兩方面對(duì)隧道橫通道開挖之前和之后施作二襯兩種方案進(jìn)行分析，最終得出車站施工過程中，站廳隧道二襯應(yīng)在橫通道開挖之前施作。

目前，國內(nèi)關(guān)于高地應(yīng)力的研究著重于施工技術(shù)和變形控制方面，關(guān)于二次襯砌施作時(shí)機(jī)的研究還較少。本文以甘肅尖山隧道為背景，通過數(shù)值模擬同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)的方式，對(duì)比不同支護(hù)方案和不同二襯支護(hù)時(shí)機(jī)下隧道變形與支護(hù)結(jié)構(gòu)受力規(guī)律，得到適用于高地應(yīng)力互層軟巖條件合理支護(hù)方案與支護(hù)時(shí)機(jī)，為相關(guān)工程提供借鑒。

1 工程背景

尖山隧道位于甘肅省白銀市平川區(qū)大營水至水泉鎮(zhèn)附近，穿越水泉尖山山脈。隧道起訖里程為DK 109+780～DK 115+750，全長5.97 km，最大埋深約519 m(DK 112+780)，主要包括志留系下馬溝營組變質(zhì)砂巖夾千枚巖、砂巖夾片巖、板巖互層等，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水壓致裂法所測(cè)地應(yīng)力，水平最大主應(yīng)力12.40 MPa，最大豎向主應(yīng)力11.46 MPa。本文主要以DK 113+635～DK 113+735段為研究背景，該段軟巖主要多為砂巖與千枚巖呈互層分布，層狀傾角為70°左右，隧道通過此區(qū)域的長度為100 m，采用三臺(tái)階+臨時(shí)仰拱法開挖施工。

2 高地應(yīng)力互層軟巖隧道支護(hù)方案與時(shí)機(jī)研究

2.1 計(jì)算模型與計(jì)算參數(shù)

根據(jù)尖山隧道工程概況和設(shè)計(jì)要求，運(yùn)用軟件ANSYS建立隧道計(jì)算模型，運(yùn)用軟件FLAC3D對(duì)隧道的開挖及支護(hù)進(jìn)行計(jì)算。模型在X、Y、Z3個(gè)方向幾何尺寸為100 m×80 m×100 m，隧道采用三臺(tái)階+臨時(shí)仰拱法施工，其計(jì)算模型圖如圖1所示。圍巖物理力學(xué)參數(shù)和支護(hù)參數(shù)如表1所示。

圖1 三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法示意圖

表1 圍巖與支護(hù)參數(shù)表

2.2 支護(hù)方案對(duì)比分析

支護(hù)方案有3種。方案一：原隧道斷面支護(hù)設(shè)計(jì)方案為每根錨桿長3.5 m，環(huán)向間距為1 m，縱向間距為1.2 m，彈性模量為45 GPa，橫截面積為1.57×10-3m2，屈服軸力為130 kN，呈梅花型布置。方案二：改變上臺(tái)階的錨桿長度，使用6 m長錨桿，加強(qiáng)對(duì)隧道的支護(hù)。方案三：在方案二的基礎(chǔ)上改變上臺(tái)階錨桿的角度，為便于在具體施工中錨桿的打入，且能夠更好的控制巖層的滑動(dòng)，使上臺(tái)階左側(cè)錨桿與層狀巖層呈90°夾角，右側(cè)錨桿對(duì)稱分布，從而充分發(fā)揮錨桿的支護(hù)作用。各支護(hù)方案如表2所示。

表2 3種支護(hù)方案表

(1)隧道變形分析

為減少邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，選取隧道中間斷面(Y=40 m)為監(jiān)測(cè)斷面，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行分析。不同錨桿支護(hù)方案下，隧道結(jié)構(gòu)的豎向位移和水平收斂位移時(shí)呈曲線如圖2和圖3所示。

圖2 不同方案拱頂沉降圖

圖3 不同方案水平收斂圖

施工模擬過程中，需對(duì)圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力位移分量等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，考慮邊界效應(yīng)帶來的影響，選取開挖段的中間斷面(Y=40 m)作為監(jiān)測(cè)斷面，測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 模型測(cè)點(diǎn)布置圖

從圖2、圖3可以看出，在控制隧道變形上，方案三>方案二>方案一。拱頂沉降方面，采用錨桿支護(hù)方案一時(shí)，拱頂沉降為17.68 cm，方案二和方案三的拱頂沉降分別為14.05 cm和15.27 cm，減少幅度分別為20.53%和13.63%。水平收斂方面，采用支護(hù)方案一時(shí)，水平收斂為31.73 cm，方案二和方案三的水平收斂分別為28.68 cm和23.55 cm，減少幅度分別為9.61%和25.78%。

究其原因在于方案二在方案一的基礎(chǔ)上，通過對(duì)上臺(tái)階每根錨桿從3.5 m增長至6 m，錨桿對(duì)圍巖的控制區(qū)域增大，減少了更多的滑動(dòng)面。較好的控制了隧道圍巖的變形，尤其對(duì)隧道拱頂沉降量的控制。方案三通過調(diào)整錨桿與互層之間的夾角，可以更好地限制層理之間的滑動(dòng)，對(duì)控制隧道的水平收斂有很好的效果。

(2)錨桿軸力分析

3種錨桿支護(hù)方案錨桿軸力分布如圖5所示。

圖5 3種支護(hù)方案錨桿軸力圖(N)

在方案一錨桿支護(hù)方案中，最大錨桿軸力分布在左右拱肩部位，且左拱肩大于右拱肩。其中左拱肩有4根錨桿右拱肩有1根錨桿已達(dá)到錨桿的屈服軸力130 kN，當(dāng)錨桿軸力達(dá)到屈服時(shí)，錨桿的支護(hù)能力減弱。這是由于高地應(yīng)力互層軟巖隧道在開挖過程中，圍巖互層之間滑動(dòng)力明顯，隧道位移變化大，因此錨桿受力也比較大，錨桿的最大軸力均發(fā)生在位移變形較大的區(qū)域。

當(dāng)隧道錨桿支護(hù)方式采用方案二和方案三時(shí)，最大錨桿軸力也均分布在左右拱肩部位，且左拱肩大于右拱肩。其中當(dāng)采用方案二時(shí)，左拱肩有2根錨桿達(dá)到屈服，當(dāng)采用方案三時(shí)沒有錨桿達(dá)到屈服，且左拱肩的錨桿整體上受力更加均勻，能夠更加充分發(fā)揮錨桿的支護(hù)作用，有效的控制隧道圍巖的變形。

2.3 二襯施做時(shí)機(jī)對(duì)比分析

對(duì)于高地應(yīng)力互層軟巖，圍巖比較松散且自承力相對(duì)較低，隧道開挖以后圍巖的變形比較明顯，圍巖的受力隨著隧道的開挖也在不斷地變化。因此，支護(hù)結(jié)構(gòu)在隧道開挖時(shí)發(fā)揮著重要的作用，合理的支護(hù)時(shí)機(jī)可以發(fā)揮圍巖的自承能力和支護(hù)結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)能力，既可以提高施工效率又可以節(jié)約成本。

為了比較準(zhǔn)確分析隧道在施做初期支護(hù)以后，圍巖的自承能力和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況，通過模擬隧道變形達(dá)到極限位移(用λ表示)為85%、90%、95% 3種工況，根據(jù)不同支護(hù)時(shí)機(jī)對(duì)圍巖的變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況，對(duì)各方案計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，選出最佳方案。

(1)隧道變形分析

不同二襯支護(hù)時(shí)機(jī)隧道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位位移變化對(duì)比如表3所示。

表3 不同二襯支護(hù)時(shí)機(jī)隧道變形表

由表3可知，隧道關(guān)鍵部位的位移變化值隨著λ的增大而增大。當(dāng)λ從85%變化到90%時(shí)，隧道關(guān)鍵部位位移變化值的增長幅度在9.5%～16.15%之間，當(dāng)λ從90%變化到95%時(shí)，位移變化值增長幅度在6.37%～7.30%之間。無論λ為何值，左拱肩增長幅度均為最大，高地應(yīng)力互層軟巖隧道的變形大于其他常規(guī)隧道，且軟巖隧道的變形具有明顯的流變特性，隧道的變形是評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)。因此當(dāng)λ值達(dá)到85%時(shí)，隧道的變形還在持續(xù)變化，但變化值比較小，當(dāng)λ達(dá)到95%時(shí)，隧道的變形逐漸趨于穩(wěn)定。

(2)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

不同二襯支護(hù)時(shí)機(jī)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位位移變化對(duì)比受力如表4所示。

表4 不同二襯支護(hù)時(shí)機(jī)隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力表

由表4可知，隨著λ值增大，即二襯支護(hù)的時(shí)間越晚，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)所受到的最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力也越大。當(dāng)λ從85%增加至90%時(shí)，最大壓應(yīng)力增大率為8.78%，最大拉應(yīng)力的增大率為44.44%，當(dāng)λ從90%增加至95%時(shí)，最大壓應(yīng)力增大率為19.72%，最大拉應(yīng)力的增大率為92.31%。當(dāng)λ從90%增加至95%時(shí)，初期支護(hù)受力增長的速度最快。最大拉應(yīng)力值發(fā)生在拱腳附近，且初期支護(hù)結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力值都未超過C25混凝土軸心抗拉強(qiáng)度。當(dāng)λ為90%和95%時(shí)壓應(yīng)力值超過了C25混凝土極限抗壓強(qiáng)度。究其原因在于二次襯砌支護(hù)的越晚，使得圍巖的承受能力越低，荷載將主要由初期支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)，因此初期支護(hù)結(jié)構(gòu)所受到力越大。

(3)二次襯砌受力分析

3種不同二襯支護(hù)時(shí)機(jī)工況下，對(duì)監(jiān)測(cè)斷面的二襯壓力進(jìn)行分析，二襯壓力分布包絡(luò)圖如圖6所示。

圖6 3種工況下二襯壓力分布包絡(luò)圖(MPa)

從圖6可以看出，隨著λ值增大，即二襯支護(hù)的時(shí)間越晚，二襯所受到的壓力越小。且受到水平地應(yīng)力的影響，兩側(cè)的壓應(yīng)力大于拱頂?shù)膲簯?yīng)力。當(dāng)λ值為85%時(shí)，二次襯砌所受到的最大壓應(yīng)力為11.66 MPa；當(dāng)λ值為90%時(shí)，二次襯砌所受到的最大壓應(yīng)力為10.01 MPa，最大壓應(yīng)力減小了14.15%；當(dāng)λ值為95%時(shí)，二次襯砌所受到的最大壓應(yīng)力為7.18 MPa，最大壓應(yīng)力在上一個(gè)基礎(chǔ)上減小了28.27%。當(dāng)λ從90%增加至95%時(shí)，二襯所受到的壓力減小的速度最快。

由于高地應(yīng)力互層軟巖隧道的特殊性，隧道的變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力往往比其他隧道要大。由于二次襯砌施做的時(shí)間越晚，二襯所要承擔(dān)的荷載就越小，但此時(shí)初期支護(hù)受力反而更大，則隧道的變形更大。高地應(yīng)力互層軟巖隧道由于圍巖自身的承載能力比較差，隧道施工過程中變形比較大，二襯往往要承擔(dān)一部分變形，因此二襯需要承擔(dān)一部分壓力，才能更好的控制隧道的變形。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的拱頂沉降和水平收斂進(jìn)行監(jiān)測(cè)，共3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖7所示，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的距離為10 m。

圖7 隧道變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

選取DK 113+655～DK 113+715段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面距離為10 m，監(jiān)測(cè)斷面隧道變形統(tǒng)計(jì)如表5所示。

表5 隧道變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表

由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以得出：

(1)隧道總體變形量較大，且水平收斂大于拱頂沉降，監(jiān)測(cè)斷面的平均累計(jì)拱頂沉降量達(dá)86 mm，平均累計(jì)水平收斂值達(dá)196.57 mm。

(2)根據(jù)表5現(xiàn)場(chǎng)隧道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)比圖4數(shù)值模擬分析可知：數(shù)值模擬結(jié)果略小于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，但兩者整體規(guī)律基本保持一致，表明數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確，具有一定的借鑒意義。

4 結(jié)論

本文研究了高地應(yīng)力互層軟巖隧道的變形控制措施，對(duì)不同的控制措施進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，主要從錨桿支護(hù)方式及二襯施作時(shí)機(jī)等方面進(jìn)行分析，對(duì)比在不同控制措施下隧道的變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況，選取每種控制措施下最佳方案并得到以下結(jié)論：

(1)通過對(duì)高地應(yīng)力互層軟巖隧道提出3種支護(hù)方案，對(duì)3種支護(hù)方案進(jìn)行對(duì)比分析得出，采用方案一時(shí)，其中有5根錨桿達(dá)到了屈服，方案三可以更好的減少層理間的滑動(dòng)，并且錨桿的受力也更加的均勻，可以充分發(fā)揮錨桿的支護(hù)作用，控制隧道的變形。

(2)通過對(duì)3種二襯支護(hù)時(shí)機(jī)λ值(隧道變形達(dá)到極限變形的85%、90%和95%)的對(duì)比分析得出，當(dāng)λ值為90%時(shí)，使初期支護(hù)結(jié)構(gòu)和二襯結(jié)構(gòu)共同發(fā)揮作用，更好的控制高地應(yīng)力互層軟巖隧道的變形。

(3)通過對(duì)3種二襯支護(hù)時(shí)機(jī)λ值(隧道變形達(dá)到極限變形的85%、90%和95%)的對(duì)比分析得出，當(dāng)λ值從90%增加至95%時(shí)，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力增長率與二次襯砌受力減小率均明顯大于λ值從85%增加至90%時(shí)幅度，考慮到二襯需要承擔(dān)一部分壓力，才能更好的控制隧道的變形，故綜合考慮建議λ值為90%。

(4)通過對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)隧道變形的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明雖然數(shù)值模擬結(jié)果略小于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，但結(jié)果相對(duì)可靠且對(duì)施工具有一定指導(dǎo)意義。