姚勇慧

（中鐵十二局集團第四工程有限公司，陜西 西安 710024）

隨著持續(xù)推進地區(qū)經(jīng)濟建設工作和迅速發(fā)展基礎設施開發(fā)工程，各地的鐵路運輸能力不斷增強，山區(qū)、山嶺隧道的數(shù)量也與日俱增，鐵路、隧道等工程將進入建設高峰期[1]。由于該類工程地質(zhì)條件特殊，例如高應力、大埋深、大斷面和大變形等，因此，分析施工過程，并規(guī)范化設計項目施工，具有十分重要的意義[2]。深入研究發(fā)現(xiàn)，建設與運營該類隧洞，不僅能促進我國隧洞產(chǎn)業(yè)技術發(fā)展，還能為同類施工中遇到的高地溫、突涌水、高原凍害、巖爆、軟巖和高應力大變形等復雜地質(zhì)問題積累經(jīng)驗。其中，軟巖巷道大變形是隧道工程施工中最突出的難題，軟巖會增加工程施工難度，難以保障施工中結構的安全性，減緩施工進度、增加項目成本[3]。高應力導致軟巖巷道圍巖發(fā)生大變形的問題是目前隧道工程界關注的熱點。為解決該問題，該文將對此進行研究。

1 建立雙線鐵路軟巖隧道施工模型

1.1 建立模型并確定模型邊界條件

根據(jù)工程需求，選用FLAC3D 作為構建施工模型的主要工具，采用FLAC3D 中的三元高速拉格朗日方法，將計算域內(nèi)的介質(zhì)劃分為若干小單元，并將各單位聯(lián)結在一起，對某一結點施加載荷，然后將結點的運動方程轉化為時間的有限差分[4]。在短期內(nèi)，對結點施加的荷載僅對附近的少數(shù)結點有影響，通過該方式，可以模擬施工過程。

FLAC3D 利用流速變化及結點周期，可得出結點間的相對位移，從而得到結點間的相對應變。在有限元條件下，柵格構成材質(zhì)特征，用戶可以調(diào)整柵格，使模型適應隧道工程實體結構的外形。FLAC3D 將一個計算區(qū)域分成上千個六面體，每個六面體都是按照線性或者非線性構型關系繪制[5]。在壓力作用下，材料會塑性流動，網(wǎng)格隨著材料的變形而產(chǎn)生變化，從而更直觀地模擬隧道施工變形。

在此基礎上，根據(jù)隧道的開挖深度和寬度，繪制隧道三維斷面圖，如圖1 和圖2 所示。

圖1 隧道三維斷面圖

圖2 模型斷面圖

在圣維南原則的基礎上，考慮在高地應力的軟巖環(huán)境中，挖掘隧道會對周圍的巖石造成很大擾動，因此該模擬邊界是挖掘直徑的10 倍。

初步構建模型后，需要按照靜水壓力計算模型，此時，模型在施工中3 個方向的初始地應力高度一致[6]，因此，可以根據(jù)地應力場的分布規(guī)律，確定模型邊界條件。

1.2 確定施工模型計算參數(shù)

在上述內(nèi)容的基礎上，確定模型中的相關參數(shù)。當模型參數(shù)取值時，需要參照現(xiàn)場勘查數(shù)據(jù)與測量數(shù)據(jù)，因此，在初始地應力保持穩(wěn)定不變的前提下，設定模型中隧道圍巖結構初始地應力對應的垂直方向應力分量和水平方向應力分量，如公式（1）所示。

式中：σx、σy為模型中隧道圍巖結構初始地應力對應的水平方向應力分量；λ為土體結構側壓力系數(shù)；σz為模型中隧道圍巖結構初始地應力對應的垂直方向應力分量，計算σz如公式（2）所示。

式中：γ為水平面與水平主應力之間的交角；h為隧道深度。

完成上述計算后，參照Hoke-Brown 準則，計算隧道中巖體結構的黏聚力和內(nèi)摩擦角度。如公式（3）所示。

式中：φ為隧道中巖體結構內(nèi)摩擦角度；τ為測量數(shù)據(jù)；n為經(jīng)驗系數(shù)。計算隧道中巖體結構的黏聚力，如公式（4）所示。

式中：c為隧道中巖體結構的黏聚力。參照上述內(nèi)容，施工模型中圍巖結構的計算參數(shù)見表1。

表1 隧道施工模型中圍巖結構的計算參數(shù)

在隧道工程的模擬施工中，根據(jù)工程實際情況，將計算參數(shù)代入模型，對鐵路軟巖隧道工程施工過程進行模擬，構建施工模型。

2 雙線鐵路軟巖隧道施工大變形控制

2.1 實施超前支護技術

為有效控制雙線鐵路軟巖隧道施工大變形，應用超前支護技術，超前支護中的管棚預支護，其基本結構如圖3 所示。

圖3 管棚預支護結構圖

在具體的施工中，在隧洞及其他襯砌周緣相應的圓弧部分鉆孔，安裝鋼管后通過注漿加固巖體[7]。在此基礎上，采用超前管棚支護，使隧洞頂部形成穩(wěn)定性較好的“傘”型防護結構。該結構可對隧洞頂部進行有效支護，防止上部土層塌陷，為后續(xù)開挖與施工奠定了較好的基礎。針對雙線鐵路軟巖隧道中容易出現(xiàn)嚴重大變形的分段，管棚采用?108mm，壁厚為10mm 的熱軋無縫鋼管，選用總長度為10m，單根長度為1.8m 的超前管棚。環(huán)向間距設置為280cm，對稱布設左右各60°，共設置38 根鋼管。注漿孔需要按照直徑為10mm，間隔為25cm 的“梅花”形進行布設。采用超前管棚支護工藝，不僅有效控制了雙線鐵路軟巖隧道開挖過程中的開挖面變形問題，保障施工的安全[8]，也避免了普通區(qū)段施工時的工序交接問題。這樣可以減少在臨時支護施工過程中的安裝和拆除工序，從而減少工程的工作量，節(jié)約工程造價。同時，也為后續(xù)的機械操作奠定了基礎，提高了項目的施工效率。

2.2 建立雙層支護體系

在支護階段，兩層初始支護處在不同的受力條件下。隨著推進開挖面，圍巖應力釋放率逐漸減少，當?shù)谝淮沃ёo變形速度減慢時，進行第二次支護。在此基礎上，通過分析兩層圍護結構，得出兩層圍護結構的初始應力—失效關系曲線和兩層圍護結構的應力—失效關系曲線如圖4 所示。

圖4 雙層初期支護受力破壞關系曲線圖

在具體施工中，普通的鑿巖機既不能滿足鉆孔的深度需求，也不能滿足鉆孔的傾斜角度要求，只有配備符合施工要求的錨桿臺車才能順利完成錨桿鉆孔作業(yè)任務，以此保證鉆孔的傾角。因此，在該工程中，需要設置錨桿臺車。

2.3 超長錨桿及背后注漿變形控制

當采用長錨桿加固圍巖時，錨桿的錨固端位于巖石的彈性區(qū)域或松動圈內(nèi)。錨桿錨固端位置如圖5 所示。

圖5 錨桿錨固端位置圖

錨桿需要布設合理間距，單根錨桿加固區(qū)域應當有一定范圍重疊，從而形成加固圈，起到支撐作用。

錨桿參數(shù)是隧道支護中的重要數(shù)據(jù)，結合松動圈支護理論，假設當圍巖松動圈的厚度到錨桿端頭位置時，錨桿的應力為最大值。針對該特征，結合圍巖松落環(huán)試驗結果，優(yōu)化錨索參數(shù)，使其更好地控制圍巖變形。計算全長黏結錨桿的承載力如公式（5）所示。

式中：P為錨桿的支護抗力；D為錨桿的鉆孔直徑；L為錨桿錨固的長度，通常取1/2 錨桿長度；fmg為黏結材料與圍巖之間產(chǎn)生的黏結強度；Sa為錨桿豎直方向的間隔距離；Sb為錨桿水平方向的間隔距離。

采用背后注漿加固改善地層的疏松性，控制水量，提高雙線鐵路軟巖隧道的頂部和側面抗壓強度，從而達到加固和控制變形的目的。通?？梢愿鶕?jù)摩爾強度描述巖體強度，巖體強度如公式（6）所示。

式中：τ為巖體的抗剪強度；c為巖體的內(nèi)黏聚力；τ為正應力；φ為內(nèi)摩擦角。

隨著隧道施工時間增長，圍巖中的軸向應力降低，但切向應力變大。主要原因是巖體原有的應力均衡狀態(tài)被打破，導致圍巖應力重新分配，使應力集中。當巖體的強度無法承受集中切向應力時，c和φ均會逐漸變小。隧道周圍某一區(qū)域的巖石破裂，并出現(xiàn)裂隙，在隧道周圍形成了松散圈。注漿后，可以對該地區(qū)的松散巖石進行加固，提高強度。采用合理的注漿技術能將裂隙填充密實，與裂隙緊密結合，形成完整的承載體，從而降低應力集中，提高圍巖的承載力。

3 結語

隨著不斷深入研究隧洞理論與工程實踐，施工方對隧洞圍巖大變形問題有了較多的認識，但也存在不足，部分工程方對圍巖的大變形沒有清晰的定義，只是從某一角度對其進行分析，已有的研究成果對大變形的認識不夠全面。因此，必須全面、系統(tǒng)地研究軟巖隧道大變形特性及其圍巖開挖與支護技術措施，才能為施工提供保障。該項目以此為切入點，系統(tǒng)地研究軟巖隧道圍巖大變形特性，并提出對應的施工控制技術。通過該研究，明確了控制隧道施工中圍巖結構大變形的重要性，針對該文的研究成果，在后續(xù)工作中，將根據(jù)實際情況，結合工程施工的具體需求，在工程實踐中應用該方法，進一步完善與優(yōu)化工程施工方案，為軟巖地區(qū)隧道工程的施工積累工作經(jīng)驗。