作者簡(jiǎn)介：唐亞森（1989—），碩士，工程師，主要從事科技研發(fā)管理工作。

摘要：為研究破碎板巖段隧道大變形特征與早高強(qiáng)噴射混凝土對(duì)于控制隧道變形的效果，文章以某隧道破碎板巖段軟巖大變形控制為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等分析了軟巖大變形特征與控制方法，并研究了早高強(qiáng)噴射混凝土的應(yīng)用及其效果。結(jié)果表明：軟巖大變形表現(xiàn)為初支開(kāi)裂、拱架偏移、扭曲、斷裂等，當(dāng)早高強(qiáng)噴射混凝土彈性模量比逐步提高時(shí)，對(duì)于隧道變形控制效果越來(lái)越好，能夠減小20%～30%的隧道總變形，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明采用早高強(qiáng)噴射混凝土后隧道能夠達(dá)到彈性模量比為0.75的效果。

關(guān)鍵詞：隧道工程；軟巖大變形；早高強(qiáng)噴射混凝土；數(shù)值模擬；彈性模量比；變形控制

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.5

0 引言

隨著我國(guó)交通事業(yè)蓬勃發(fā)展，超長(zhǎng)、大斷面、大埋深、地質(zhì)條件復(fù)雜的隧道工程越來(lái)越多。在大埋深地區(qū)的隧道中，地應(yīng)力往往較大，硬巖（脆性巖體）容易出現(xiàn)巖爆，軟巖則容易出現(xiàn)大變形等現(xiàn)象，給隧道設(shè)計(jì)與施工帶來(lái)巨大困難。

由于早高強(qiáng)噴射混凝土強(qiáng)度上升快，對(duì)于控制隧道初期支護(hù)變形效果較好，因此在近些年來(lái)得到較多應(yīng)用。趙啟^[1]以硫鋁酸鹽水泥為基礎(chǔ)，摻入鋼纖維與速凝劑配置早高強(qiáng)混凝土，將其應(yīng)用在馬鞍嶺隧道，取得較好效果。齊康平等^[2]分析了青藏鐵路綜合施工技術(shù)，研究了該線(xiàn)應(yīng)用較多的低溫早強(qiáng)高混凝土抗凍性、抗?jié)B性、抗裂性、耐腐蝕性等性能特點(diǎn)。谷煉平等^[3-4]針對(duì)青藏鐵路風(fēng)火山隧道高寒特點(diǎn)，以低堿硅酸鹽水泥為主料，經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)后配置了適用于寒區(qū)的低溫早強(qiáng)高混凝土，系統(tǒng)性地研究了其泵送性、強(qiáng)度、耐久性等性能特點(diǎn)。朱政敏^[5]進(jìn)行了摻纖維早高強(qiáng)混凝土的性能試驗(yàn)，分析了不同配合比、外加劑、早強(qiáng)劑、保水成分對(duì)隧道初支混凝土性能的影響，得到了最佳早強(qiáng)劑配方。李維^[6]系統(tǒng)性地分析了普通混凝土性能的不足，提出一種新型混凝土壓實(shí)裝置與技術(shù)理論，通過(guò)改善配合比與壓實(shí)工藝以提高隧道初支噴射混凝土強(qiáng)度。趙爽等^[7]分析了不同配合比的早高強(qiáng)混凝土性能特點(diǎn)，研究了其在鄭萬(wàn)高鐵巫山隧道中的應(yīng)用效果。葉飛等^[8]綜述了三乙醇胺早強(qiáng)劑在早高強(qiáng)混凝土中的應(yīng)用，分析了早強(qiáng)劑的作用機(jī)理、功能特性、強(qiáng)度特點(diǎn)等，并展望其在隧道病害治理中的應(yīng)用。

這些研究集中在早高強(qiáng)噴射混凝土配制與試塊性能分析方面。本文以某隧道軟巖大變形段落變形控制為研究背景，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法，研究了破碎板巖段隧道大變形特征與早高強(qiáng)噴射混凝土對(duì)于控制隧道變形的效果。

1 隧道概況

在某隧道進(jìn)口段，進(jìn)洞125 m的掌子面揭示為板巖，較為破碎，呈層理狀結(jié)構(gòu)，層厚為1～8 cm，軟硬不均，判定為Ⅴ級(jí)圍巖。隧道埋深為214 m，測(cè)得最大水平地應(yīng)力為10.4 MPa；原設(shè)計(jì)采用Ⅰ級(jí)大變形斷面，超前支護(hù)為?42 mm超前小導(dǎo)管注漿；初期支護(hù)為Ⅰ22a工字鋼以及厚30 cm的C25噴射混凝土，采用三臺(tái)階法施工，每個(gè)拱腳設(shè)4 m長(zhǎng)的?42 mm鎖腳錨管；二襯為拱墻，厚55 cm，仰拱為厚60 cm的C40鋼筋混凝土。

隧道開(kāi)挖后，兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面變形超標(biāo)，初支開(kāi)裂，拱架偏移、扭曲、斷裂。隧道的累計(jì)拱頂沉降最大達(dá)到了401.2～423.6 mm，累計(jì)周邊收斂最大達(dá)到了567.7～597.2 mm。隧道變形可以分為三個(gè)階段，急速增長(zhǎng)期持續(xù)了10～11 d（0～70%），緩慢增長(zhǎng)期持續(xù)了5～8 d（70%～90%），基本穩(wěn)定期持續(xù)了2～5 d（90%～100%）。隧道預(yù)留變形量為200 mm，因此需要換拱。

為了控制隧道變形，提出了支護(hù)優(yōu)化方案，主要包括：采用厚30 cm的C30早高強(qiáng)噴射混凝土作為初期支護(hù)，每個(gè)拱腳設(shè)6 m長(zhǎng)的?42 mm鎖腳錨管，在上、中臺(tái)階鋼架接頭處設(shè)置11根槽鋼加強(qiáng)鋼架連接以提高鋼拱架剛度，其中9根為橫向連接，2根為斜向連接，預(yù)留變形量調(diào)整為30 cm。為了分析調(diào)整后支護(hù)措施的有效性，采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行計(jì)算。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算參數(shù)

結(jié)合地勘情況選取板巖計(jì)算參數(shù)，如表1所示，將鋼拱架+初支+鋼筋網(wǎng)采用等效抗彎剛度法換算為實(shí)體模型，如式（1）所示，其余支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表2所示。為了分析不同早高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度下的支護(hù)效果，分別將初支彈性模量取最終值的0.25倍、0.50倍、0.75倍、1.00倍。

其中：E——整體等效彈性模量（MPa）；

E₀——初支彈性模量（MPa）；

E_g——鋼拱架彈性模量（MPa）；

E_j——鋼筋網(wǎng)彈性模量（MPa）；

s₀——初支截面積（m²）；

S_g——鋼拱架截面積（m²）；

S_j——鋼筋網(wǎng)截面積（m²）。

2.2 地應(yīng)力場(chǎng)重構(gòu)

采用孔超等^[9]提出的地應(yīng)力場(chǎng)重構(gòu)方法，對(duì)于高地應(yīng)力場(chǎng)，深部巖體構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)較大時(shí)可不考慮自重應(yīng)力場(chǎng)影響。在水平邊界兩側(cè)不加約束情況下施加對(duì)稱(chēng)水平荷載，在豎直邊界兩側(cè)不加約束情況下施加對(duì)稱(chēng)豎直荷載，如圖1所示，在開(kāi)始計(jì)算后，先計(jì)算無(wú)約束邊界加荷載的地應(yīng)力場(chǎng)，后施加位移邊界，分別約束水平與豎直方向位移，開(kāi)始隧道開(kāi)挖計(jì)算。

2.3 計(jì)算模型

建立地層-結(jié)構(gòu)法模型如圖2所示，模型尺寸為X×Y=100 m×80 m，X軸為水平方向，Y軸為豎直方向，模型沿著隧道中軸線(xiàn)對(duì)稱(chēng)設(shè)置。隧道采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工，圍巖采用實(shí)體單元，初支采用板單元，錨桿（索）及鎖腳錨桿采用桁架單元，設(shè)置最大地應(yīng)力等級(jí)為Ⅰ級(jí)，水平地應(yīng)力為10.4 MPa，豎直地應(yīng)力為5 MPa，水平地應(yīng)力與豎直地應(yīng)力比值為2∶1，與上述測(cè)試地應(yīng)力結(jié)果一致。

2.4 計(jì)算結(jié)果

2.4.1 圍巖變形

隧道開(kāi)挖后，不同彈性模量比下的圍巖最大水平變形與豎直變形如圖3與圖4所示，由圖可知，當(dāng)彈性模量比為0.25、0.50、0.75、1.00時(shí)，圍巖最大水平變形為39.1 cm、34.4 cm、30.8 cm、27.9 cm，圍巖最大豎直變形為36.5 cm、32.1 cm、28.6 cm、25.9 cm。最大水平變形出現(xiàn)在拱腰附近，最大豎直變形出現(xiàn)在拱肩附近。隨著彈性模量比的增加，圍巖最大水平變形與豎直變形均逐漸減小，前者分別減小了12.1%、21.2%、28.6%，后者分別減小了12.0%、21.6%、29.1%。早高強(qiáng)混凝土早期抗壓強(qiáng)度越大代表著彈性模量越大，相比普通噴射混凝土，早高強(qiáng)噴射混凝土早期強(qiáng)度越大控制隧道變形效果越好，總變形量能減小20%～30%。

2.4.2 圍巖應(yīng)力

隧道開(kāi)挖后，不同彈性模量比下的圍巖最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力如圖5與圖6所示，由圖可知，當(dāng)彈性模量比為0.25、0.50、0.75、1.00時(shí)，圍巖最大主應(yīng)力分別為7.9 MPa、7.8 MPa、7.7 MPa、7.6 MPa，圍巖最小主應(yīng)力分別為15.1 MPa、15.3 MPa、15.4 MPa、15.5 MPa。最大主應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳附近，最小主應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂附近。隨著彈性模量比的增加，圍巖最大主應(yīng)力逐漸減小，最小主應(yīng)力逐漸增大，但是數(shù)值上差異不大。說(shuō)明早高強(qiáng)混凝土早期強(qiáng)度變化對(duì)圍巖主應(yīng)力影響較小。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

在現(xiàn)場(chǎng)施工中，采用早高強(qiáng)噴射混凝土初支進(jìn)行試驗(yàn)，得到的實(shí)測(cè)拱頂沉降值與計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖7所示，由圖可知，采用早高強(qiáng)混凝土噴混后隧道累計(jì)拱頂沉降為238.9～278.4 mm，減小了30.6%～40.1%，基本達(dá)到了彈性模量比為0.75～1.00的水平，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值吻合性較高。拱頂沉降發(fā)生在開(kāi)挖上臺(tái)階之前，達(dá)到79.8%～83.2%，在仰拱封閉成環(huán)后，拱頂沉降基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）發(fā)生在破碎板巖段的隧道軟巖大變形表現(xiàn)為初支開(kāi)裂、拱架偏移、扭曲、斷裂、造成變形侵限等。

（2）軟巖大變形支護(hù)優(yōu)化措施包括采用早高強(qiáng)混凝土、加強(qiáng)鎖腳與拱架縱向連接、調(diào)整預(yù)留變形量等。

（3）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值計(jì)算均表明早高強(qiáng)混凝土能減小20%～30%的隧道總變形，實(shí)際中能達(dá)到彈性模量比為0.75的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙 啟.采用噴射早強(qiáng)鋼纖維混凝土加固隧道襯砌[J].鐵道建筑，1990（2）：24-26.

[2]齊康平，胡種新.青藏鐵路昆侖山隧道綜合施工技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2003（4）：41-45.

[3]谷煉平，李培安，于治海，等.青藏鐵路風(fēng)火山隧道低溫早強(qiáng)高性能混凝土試驗(yàn)研究與施工[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2004（6）：25-31.

[4]谷煉平，李培安，于治海.青藏鐵路風(fēng)火山隧道高性能泵送混凝土的試驗(yàn)研究[J].鐵道建筑，2004（12）：30-33.

[5]朱政敏.纖維隧道襯砌混凝土合理配合比研究[J].中外公路，2015，35（4）：318-321.

[6]李 維.隧道初期支護(hù)施工技術(shù)改進(jìn)與研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2016，268（3）：6-9，18.

[7]趙 爽，洪錦祥，喬 敏，等.早強(qiáng)型噴射混凝土在鄭萬(wàn)高鐵巫山隧道中的施工試驗(yàn)[J].隧道建設(shè)（中英文），2020，40（S1）：369-373.

[8]葉 飛，何 彪，田崇明，等.三乙醇胺早強(qiáng)劑研究進(jìn)展及在隧道工程中的應(yīng)用展望[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2021，58（4）：67-78.

[9]孔 超，張俊儒，王海彥，等.深埋軟巖大變形隧道支護(hù)變形特征及承載機(jī)理研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2021，42（6）：103-111.