張傳軍

（中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450000）

近年來我國高地應(yīng)力軟弱圍巖地區(qū)修建了大量的鐵路干線、支線和專用線。隧道施工受高地應(yīng)力的影響，極易發(fā)生大變形，常規(guī)的新奧法理論已不足以解決現(xiàn)場難題，需要不斷創(chuàng)新、總結(jié)，形成一套具有可參照性的理論和技術(shù)，有針對性地開展試驗(yàn)研究工作。

馮豫、陸家梁、郊雨天、朱效嘉等人在總結(jié)新奧法支護(hù)的基礎(chǔ)上，提出 “聯(lián)合支護(hù)技術(shù)”［1］。

關(guān)寶樹針對軟弱圍巖施工在 《軟弱圍巖隧道施工技術(shù)》一書中詳細(xì)詮釋說明［2］。

趙勇對軟弱圍巖地質(zhì)特征與工程影響評價(jià)、變形機(jī)制與時(shí)空效應(yīng)、支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖作用體系、隧道軟弱圍巖變形控制技術(shù)等進(jìn)行了系統(tǒng)深入研究，取得了一系列研究成果［3］。

根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，如蘭武二線烏鞘嶺隧道［4］，宜萬線堡鎮(zhèn)隧道［5］，蘭渝鐵路毛羽山隧道［6］，蘭渝鐵路兩水隧道［7］，成蘭鐵路榴桐寨隧道［8］，并結(jié)合公路隧道［9，10］，均采取了比較可行的控變形理念和方法。在不同地域不同條件下的施工情況差異較大，雖進(jìn)行過系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，但情況不一，差異較為明顯，目前國家對于高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)方面尚未有比較系統(tǒng)的總結(jié)和提煉，木寨嶺隧道相比其它高地應(yīng)力軟巖隧道來說，地應(yīng)力更高、變形更大，需要進(jìn)一步進(jìn)行分析總結(jié)，為后期規(guī)范的編制提供相關(guān)經(jīng)驗(yàn)參考，從而達(dá)到覆蓋面廣、應(yīng)用更為合理的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

蘭渝鐵路木寨嶺隧道全長19.1 km，隧道洞身最大埋深約600 m。該隧道地質(zhì)條件非常復(fù)雜，隧道洞身共發(fā)育11個(gè)斷裂，最大帶寬約1 km，總長4.5 km，穿過3個(gè)背斜及2個(gè)向斜構(gòu)造，洞身穿越的板巖及炭質(zhì)板巖區(qū)，占全隧的65.44%，屬于典型的軟弱圍巖地段，圍巖穩(wěn)定性差易坍塌，支護(hù)體變形量大、變形速率高、持續(xù)時(shí)間長。

1.2 地應(yīng)力狀況

設(shè)計(jì)勘察階段測得地應(yīng)力最大水平主應(yīng)力可達(dá)27.16 MPa，而木寨嶺隧道洞身板巖及炭質(zhì)板巖圍巖強(qiáng)度約為0.26～5 MPa，圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比僅為0.01～0.2，與規(guī)范極高地應(yīng)力（σmax／R＜4）相比，處于 “特極高地應(yīng)力”水平。

2 變形缺陷

2.1 初期支護(hù)變形

極高地應(yīng)力作用區(qū)，未主動(dòng)釋放地應(yīng)力且支護(hù)強(qiáng)度不夠時(shí)，塑性變形明顯，蠕變作用下發(fā)生空間移位，一旦達(dá)到支護(hù)結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度將發(fā)生破壞變形，常有的表現(xiàn)就是初期支護(hù)混凝土脫落、鋼架扭曲外凸，見圖1。

圖1 木寨嶺隧道初期支護(hù)擠壓變形明顯Figure 1 Extrusion deformation of initial support of muzhailing tunnel is obvious

2.2 襯砌開裂

初期支護(hù)蠕變過程中未達(dá)到穩(wěn)定且地應(yīng)力的變化形成的流變現(xiàn)象，會(huì)在襯砌支護(hù)后表現(xiàn)明顯，伴有襯砌量測異常、結(jié)構(gòu)開裂，最短時(shí)間不到1個(gè)月，最長約3 a甚至更長，見圖2。

圖2 DK 180＋840～＋860襯砌開裂Figure 2 Crack of DK180＋840～ ＋860 lining

3 試驗(yàn)階段

隨著地應(yīng)力的增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形逐步增大、缺陷增多，共分4個(gè)階段進(jìn)行現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)，支護(hù)體系在依次增強(qiáng)，最終采用應(yīng)力主動(dòng)釋放、圍巖主動(dòng)加固、預(yù)留變形量加大、支護(hù)剛度加強(qiáng)的支護(hù)體系穩(wěn)定有效的渡過高地應(yīng)力區(qū)。

第1階段 （單層初期支護(hù) ＋2次襯砌），第2階段 （雙層初期支護(hù) ＋2次襯砌），施工以來初期支護(hù)大面積拆換，襯砌大面積開裂，變形不可控。第3階段 （3層初期支護(hù) ＋2次襯砌），初期支護(hù)仍出現(xiàn)拆換，襯砌變形穩(wěn)定，后期襯砌出現(xiàn)開裂。第4階段 （導(dǎo)洞應(yīng)力釋放＋圓形斷面＋3層初期支護(hù)＋2次襯砌），變形可控，初期支護(hù)無拆換，襯砌無開裂。

4 圍巖變形、支護(hù)特性理論分析［9］

4.1 塑性變形區(qū)模擬

根據(jù)圍巖特性曲線進(jìn)行模擬分析，考慮塑性區(qū)圍巖剪脹效應(yīng)的圍巖特性曲線 （GRC），支護(hù)壓力為0時(shí)，即沒有支護(hù)壓力作用時(shí)，最大塑性區(qū)半徑為2.72倍的洞室半徑，最大仰拱封閉和開挖面距離宜取3.5～4倍洞室半徑。

4.2 支護(hù)特性模擬

采用單層支護(hù)體不足以抵抗較大圍巖應(yīng)力，通過支護(hù)特性模擬，需采取多層支護(hù)加強(qiáng)，并需根據(jù)監(jiān)控量測控制施做時(shí)機(jī)，利用其它加固措施延緩變形，并最終控制變形。

5 聯(lián)合支護(hù)體系應(yīng)用

通過有效的地應(yīng)力釋放能充分利用圍巖自身的穩(wěn)定性形成的塑性松動(dòng)圈，再通過圓形斷面進(jìn)行擴(kuò)挖，采用4層支護(hù)進(jìn)行加固，多種錨桿體系予以輔助，可在很大程度上減小支護(hù)變形，減小蠕變及流變現(xiàn)象。

5.1 高地應(yīng)力主動(dòng)釋放

根據(jù)塑變理論，圍巖開挖后，若圍巖自身強(qiáng)度及支護(hù)強(qiáng)度小于蘊(yùn)藏的地應(yīng)力時(shí)，將發(fā)生塑性變形。塑性松動(dòng)圈跟開挖洞室半徑有關(guān)，開挖洞室半徑越大，松動(dòng)圈越大，采用較小開挖斷面提前主動(dòng)釋放部分圍巖應(yīng)力，形成較為穩(wěn)定的塑性區(qū)，可在一定條件下減小變形。

5.1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

木寨嶺隧道經(jīng)設(shè)計(jì)單位理論測算并滿足現(xiàn)場出渣同步作業(yè)的情況下，采用7 m×6.8 m（寬×高）的應(yīng)力釋放小導(dǎo)洞。單層初期支護(hù)，H175型鋼。

5.1.2 現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)據(jù)模擬

小導(dǎo)洞效果明顯，施工過程中變形極大，大范圍的出現(xiàn)初支開裂、拱架扭曲等現(xiàn)象，為確保施工安全，小導(dǎo)洞貫通前進(jìn)行了局部地方套拱支護(hù)，加設(shè)臨時(shí)仰拱，并對開裂處進(jìn)行補(bǔ)噴。

小導(dǎo)洞共施工3個(gè)月，選取距離洞口最近的量測樁進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以典型斷面為例，通過整體量測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，圍巖應(yīng)力釋放不一，充分說明地質(zhì)情況復(fù)雜的多變性，靠近洞口位置變形相對較大，釋放時(shí)間長，變形呈穩(wěn)定增長趨勢，一定程度上說明釋放是有時(shí)間效應(yīng)的，需要及時(shí)進(jìn)行擴(kuò)挖支護(hù)，若延緩擴(kuò)挖需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，見圖3。

圖3 典型斷面收斂曲線圖Figure 3 Convergence curves of typical sections

5.2 圓形斷面擴(kuò)挖

5.2.1 斷面對比

木寨嶺隧道一般軟巖地段采用橢圓形斷面設(shè)計(jì)變形基本可控，進(jìn)入嶺脊核心地段后，及軟巖大變形地段，橢圓形斷面初期支護(hù)出現(xiàn)變形侵限，襯砌開裂拆換，經(jīng)調(diào)整圓形斷面后，變形可控，無初支侵限，襯砌無開裂。

5.2.2 預(yù)留變形量設(shè)計(jì)

導(dǎo)洞對圍巖應(yīng)力進(jìn)行了部分釋放并形成了較為穩(wěn)定的塑性區(qū)，在擴(kuò)挖過程中塑性圈將繼續(xù)增大，需要再次釋放并加強(qiáng)支護(hù)進(jìn)行抵抗，引用邊放邊抗的理論，適當(dāng)加大預(yù)留變形量，根據(jù)指數(shù)回歸方程模擬即足夠又合理，木寨嶺隧道擴(kuò)挖預(yù)留變形量設(shè)計(jì)為90～125 cm。

5.2.3 支護(hù)體系

a.支護(hù)參數(shù)。

采用兩層初期支護(hù)，H175型鋼，C30噴射混凝土，局部地方采用3層初期支護(hù)；邊墻增設(shè)4×Φ15.2 mm錨索，長15 m，8根／環(huán)，縱向間距2.8 m；邊墻設(shè)置R38N自進(jìn)式長錨桿配合長錨索支護(hù)，8根／環(huán)，縱向間距1.4 m；超前、徑向注漿參照普通軟巖施工。仰拱設(shè)置桁架，H175型鋼每榀拱架設(shè)置，橫向與拱墻連接，豎向與仰拱拱架連接，縱向形成一體。加設(shè)第三層支護(hù)，全環(huán)噴射C30鋼筋混凝土，厚40 cm，Φ22主筋＠20 cm，Φ14縱向筋＠25 cm，以噴射混凝土代替模筑，增強(qiáng)支護(hù)，減少二次襯砌過度受力開裂變形。二次襯砌，全環(huán)C35鋼筋混凝土，厚70 cm；襯砌鋼筋環(huán)向采用Φ25主筋＠20 cm，間隔雙筋布置，Φ14縱向筋＠25 cm，Φ8箍筋＠25 cm。

b.支護(hù)斷面。（見圖4）

圖4 擴(kuò)挖支護(hù)斷面圖Figure 4 Supporting section of enlarged excavation

5.2.4 工序組織與安排

從前期的施工情況來看，圓形斷面擴(kuò)挖變形仍然較大，且變形速率快，短時(shí)間內(nèi)若未得到有效控制，將出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)侵限，且在3層支護(hù)上施做的徑向注漿、長錨索長錨桿加固體系還會(huì)對圍巖后期造成擾動(dòng)，穩(wěn)定后的支護(hù)體在繼續(xù)變形，襯砌前無法穩(wěn)定。因此仍將2層支護(hù)在中臺(tái)階提前施做，加固體系施做在2層支護(hù)之上并盡早施做，用以延緩支護(hù)體變形，確保3層支護(hù)后變形趨于穩(wěn)定。

圖5 二支滯后加固體系施工平面布置圖 （單位：m）Figure 5 Construction plan layout of two lagging reinforcement systems（Unit：m）

a.施工順序。

3臺(tái)階正常施工，控制第2層初期支護(hù)、仰拱、第3層支護(hù)以及長錨索、長錨桿施工時(shí)機(jī)。

b.2層支護(hù)施做時(shí)機(jī)。

因上中臺(tái)階拱腳變形速度快、空間移位大，為避免出下臺(tái)階前一層支護(hù)就已侵入2層支護(hù)凈空或拱架外凸不能順接的情況發(fā)生，2層支護(hù)在中臺(tái)階施做，根據(jù)之前的施工經(jīng)驗(yàn)，中臺(tái)階上套拱后變形明顯減小。

c.仰拱施做時(shí)機(jī)。

因2層支護(hù)已提前施做，現(xiàn)場已空出作業(yè)臺(tái)架的空間，仰拱可以同樣提前，為盡早將支護(hù)封閉成環(huán)，同時(shí)不影響掌子面正常作業(yè)并考慮到了備料空間，仰拱采用仰拱棧橋作業(yè)，距掌子面距離30 m，仰拱施工長度為5 m。

d.3層支護(hù)施工時(shí)機(jī)。

在中臺(tái)階施做2層支護(hù)的目的就是控制圍巖的變形速率，為后期仰拱襯砌提供時(shí)間，能在很大程度上降低圍巖收斂速率，因此盡早的施工3層支護(hù)對圍巖控制變形十分必要，根據(jù)現(xiàn)場情況，參照監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，在2支侵入凈空前進(jìn)行3層支護(hù)作業(yè)，仰拱緊跟3支，及時(shí)封閉成環(huán)。

e.徑向注漿、錨桿、錨索施做時(shí)機(jī)。

徑向注漿在1層支護(hù)后及時(shí)施做，納入正常工序，本循環(huán)立拱可對上循環(huán)加固，不占用工序時(shí)間。中臺(tái)階2層支護(hù)完及時(shí)施工上中臺(tái)階長錨桿，本循環(huán)對上循環(huán)進(jìn)行施做。下臺(tái)階2層支護(hù)完及時(shí)利用履帶式潛孔鉆車施做下臺(tái)階長錨桿長錨索，不占工序同步施工。仰拱支護(hù)完成后及時(shí)利用臺(tái)架＋潛孔臺(tái)鉆進(jìn)行上中臺(tái)階錨索施工。

5.2.5 變形及數(shù)據(jù)模擬分析

取嶺脊核心段擴(kuò)挖典型斷面進(jìn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可明顯看出上臺(tái)階收斂較大，拱頂下沉與下臺(tái)階收斂相對較小，一定程度上驗(yàn)證了水平主應(yīng)力是影響隧道變形的關(guān)鍵，側(cè)向位移是高地應(yīng)力作用下軟巖隧道的主要特征。隨著支護(hù)參數(shù)的加強(qiáng)變形速率在明顯降低，呈一定規(guī)律減緩，可充分說明高地應(yīng)力的支護(hù)體系需要足夠的剛度。

圖6 DK 181＋200典型斷面收斂速率曲線圖Figure 6 Convergence rate curve of DK181＋200 typical section

圖7 DK181＋170累計(jì)收斂柱狀圖Figure 7 Cumulative convergence histogram of DK181＋170

根據(jù)量測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析：①凈空收斂大于拱頂下沉，比例為1／2～2／3，說明隧道主應(yīng)力在主要集中在水平方向，形成側(cè)向壓力較大。②從累計(jì)變形來看，中臺(tái)階施做2支，累計(jì)變形可減小一半，說明擴(kuò)挖過程中圍巖應(yīng)力需要邊放邊抗，及時(shí)強(qiáng)有力的剛性支護(hù)才能減小變形，不能長時(shí)間的釋放后支護(hù)。③3層支護(hù)施工后變形趨于穩(wěn)定，無異常變形，說明錨固體系再第2層支護(hù)上施做可提前穩(wěn)固支護(hù)體，第3層支護(hù)后未產(chǎn)生任何擾動(dòng)，襯砌前支護(hù)體系穩(wěn)定可靠。

5.2.6 結(jié)構(gòu)受力分析

導(dǎo)洞擴(kuò)挖段結(jié)構(gòu)整體受力均較小，除個(gè)別仰拱因是做較早受力較大外，其余部位接觸壓力最大在200～300 kPa左右，鋼筋應(yīng)力最大在-50～-100 MPa左右，混凝土應(yīng)力最大在-10～-20 MPa左右，測試斷面的結(jié)構(gòu)受力在6個(gè)月左右部分趨于穩(wěn)定，安全儲(chǔ)備較多。

5.3 仰拱特殊設(shè)置

仰拱缺陷在木寨嶺隧道表現(xiàn)為2種，一種是垂直隧道側(cè)向隆起造成結(jié)構(gòu)開裂破壞，通過仰拱缺陷處理，發(fā)現(xiàn)缺陷破壞點(diǎn)大部分集中在拱墻與仰拱連接處，一種是沿隧道縱向發(fā)生移位造成拉裂縫，發(fā)造成開裂破壞，受34°角的水平主應(yīng)力的影響下，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠極易發(fā)生。

根據(jù)破壞形式，利用拱部受力情況進(jìn)行相似模擬，需要對薄弱點(diǎn)進(jìn)行加固，橫向與拱墻形成一體，縱向與全隧連成一體，所有支護(hù)體系與拱墻相同，增加剛度，全環(huán)穩(wěn)固封閉。通過現(xiàn)場試驗(yàn)，采用H175型鋼拱架橫向與拱墻連接，縱向與所有仰拱連接，穩(wěn)固的基礎(chǔ)可靠度增加，桁架連接處避開拱墻與仰拱交接的薄弱點(diǎn)，互補(bǔ)進(jìn)行咬合。

6 結(jié)論與建議

a.高地應(yīng)力作用下的軟弱圍巖塑性變形極不穩(wěn)定，隨著塑性區(qū)長時(shí)間蠕變造成的流變現(xiàn)象，極易造成初期支護(hù)變形侵限，二次襯砌結(jié)構(gòu)開裂破壞，需要合理的支護(hù)體系進(jìn)行抵抗。

b.開挖后的圍巖在沒有支護(hù)體作用下，塑性圈在不斷延伸，前期變化極快，后期逐步穩(wěn)定，在采用支護(hù)體作用下，若支護(hù)體系剛度不夠，塑變發(fā)生的位移極易造成缺陷，通過應(yīng)力的主動(dòng)釋放，效果明顯，實(shí)用性較強(qiáng)。

c.經(jīng)過模擬測算，高地應(yīng)力環(huán)境下，需要分析相關(guān)數(shù)據(jù)采取足夠剛度的支護(hù)體，邊放邊抗、以抗為主。

d.結(jié)構(gòu)破壞缺陷是在薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生，有害位移將導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)破壞，加強(qiáng)支護(hù)體系需要做到全環(huán)統(tǒng)一，薄弱處特殊設(shè)置，應(yīng)將仰拱與拱墻同等進(jìn)行模擬。

e.監(jiān)控量測需要模擬分析，最有利的回歸曲線可預(yù)估最大變形量及各層支護(hù)體系變形比例，相應(yīng)指導(dǎo)施工。

f.合理的支護(hù)體系需要對施工時(shí)機(jī)及工裝進(jìn)行準(zhǔn)確分析，前期支護(hù)體系不宜滯后施工，后期支護(hù)體系不宜過早施工，如第2層支護(hù)需在中臺(tái)階進(jìn)行施做，襯砌則需要待第3層支護(hù)穩(wěn)定后施做。