于家武，龍文華，郭新新，郭振枝

(1． 中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北 三河 065201； 2. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

0 引言

伴隨我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，交通隧道正逐漸向著“長、大、深、險(xiǎn)”的方向發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多高地應(yīng)力復(fù)雜環(huán)境下修建的特長交通隧道。為確保此類隧道的工程進(jìn)度，施工中大多采用長隧短打的方式，即用斜井開辟(新增)工作面加快施工進(jìn)度[1]。斜井與正洞交叉處三岔口區(qū)域的挑頂施工，因斷面結(jié)構(gòu)特殊，應(yīng)力重分布機(jī)制復(fù)雜，高地應(yīng)力下軟巖大變形災(zāi)害頻發(fā)，逐漸成為長大隧道施工中的難點(diǎn)[2-3]。

對于隧道交叉口挑頂施工，其關(guān)鍵點(diǎn)為： 1)滿足挑頂施工的作業(yè)空間； 2)解決交叉段正洞拱架的支撐； 3)保障挑頂結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及施工安全。目前，隨著長大隧道逐漸增多，挑頂施工技術(shù)也日趨成熟，包家山隧道[4]、喬家山隧道[5]、新吉坪隧道[6]、紅石巖隧道[7]等均相應(yīng)開展了軟弱圍巖進(jìn)正洞挑頂施工技術(shù)研究，并形成了小包法[8]、大包法[9]、導(dǎo)洞挑頂法[4]、棚架套拱挑頂法[10]和斜井挑梁法[11]等挑頂施工方法。但是，此類方法適用的圍巖變形量普遍較小，常規(guī)段位移量基本在10 cm以內(nèi)，故對于變形量普遍超過20 cm的嚴(yán)重?cái)D壓型大變形隧道，上述挑頂方案的直接可借鑒性較差，有待進(jìn)一步優(yōu)化。

本文以渭武高速公路木寨嶺隧道2#斜井進(jìn)正洞挑頂施工為工程背景，借鑒以往軟巖隧道小導(dǎo)洞挑頂施工技術(shù)，在加強(qiáng)斜井交叉口支護(hù)參數(shù)、調(diào)整挑頂施工組織、優(yōu)化施工工藝的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)引入以高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)理論為核心的錨索支護(hù)技術(shù)，形成“柔剛相濟(jì)”的初期支護(hù)體系，安全有效地解決了高地應(yīng)力復(fù)雜環(huán)境下大跨徑軟巖大變形隧道挑頂施工難題。

1 工程概況

渭武高速公路木寨嶺隧道2#斜井與右線隧道主洞正交于K218+400處，平面布置如圖1所示。斜井?dāng)嗝娓?2.16 m、寬14.69 m，主洞隧道斷面高13.61 m、寬17.55 m。2#斜井地質(zhì)縱斷面如圖2所示。交叉口區(qū)域圍巖主要組成部分為炭質(zhì)板巖，局部存在砂巖，層厚較薄，節(jié)理有明顯傾向性且較為發(fā)育，巖體較為破碎且水巖耦合作用下強(qiáng)度明顯降低，圍巖級別為Ⅴ級。

圖1 隧道交叉口平面布置示意圖(單位： m)

圖2 2#斜井地質(zhì)縱斷面(單位： m)

根據(jù)地應(yīng)力實(shí)測資料，木寨嶺公路隧道最大水平主應(yīng)力為18.76 MPa，工程區(qū)地應(yīng)力總體呈現(xiàn)SH(最大水平主應(yīng)力)>Sh(最小水平主應(yīng)力)>Sv(豎向應(yīng)力)的特征，最大水平主應(yīng)力方向與隧道軸線方向大致相同，與2#斜井夾角為 37°～42°，不利于斜井圍巖穩(wěn)定性。

先期木寨嶺隧道2#斜井施工中受高地應(yīng)力、巖體特性、地下水及地質(zhì)構(gòu)造等影響，出現(xiàn)了顯著的擠壓大變形，噴射混凝土開裂剝落、鋼架扭曲失效等現(xiàn)象頻發(fā)，單側(cè)圍巖平均變形量為15～45 cm，最大變形量達(dá)230 cm，如圖3所示。由此可以預(yù)見，鑒于斜井進(jìn)正洞交叉口處跨度大，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，施工難度大，發(fā)生圍巖大變形的可能性極大。

(a) 鋼架折疊 (b) 鋼架扭曲與混凝土剝落

(c) 圍巖大變形 (d) 臨時(shí)支護(hù)壓斷

2 原挑頂設(shè)計(jì)方案的局限性分析

2.1 原挑頂設(shè)計(jì)方案

木寨嶺公路隧道原挑頂設(shè)計(jì)方案以托梁及支撐梁作為正洞拱架支撐點(diǎn)進(jìn)行施工(見圖4)。實(shí)際施工中，安裝托梁及支撐梁時(shí)需進(jìn)行多次開挖，擾動大，破壞了巖體自身穩(wěn)定性； 且三角形帶超挖嚴(yán)重，需大量的混凝土回填，對整體受力有一定的影響，同時(shí)也增加了施工成本； 此外，托梁范圍內(nèi)采用直線拱架形式也不利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

2.2 原挑頂方案的支護(hù)體系

木寨嶺公路隧道交叉口主洞原支護(hù)設(shè)計(jì)為常規(guī)被動加強(qiáng)型支護(hù)體系(見圖5)，即主要采用“φ25自進(jìn)式錨桿l-5.0 m@100 cm×100 cm+φ42徑向注漿導(dǎo)管l-4.0 m@100 cm×100 cm+HW200型鋼拱架@50 cm+C25早期噴混凝土@32 cm”等。但是，受限于該型支護(hù)體系無主動支護(hù)能力，不能夠有效調(diào)動圍巖自承載能力，在木寨嶺隧道特定工程環(huán)境中，其變形控制能力有限。運(yùn)用此類支護(hù)體系(未施加預(yù)應(yīng)力錨索)，已施工完成的2#斜井常規(guī)斷面段落初期支護(hù)拆換率超過30%。因此，在跨徑更大、工序更多、施工支護(hù)時(shí)間更長的隧道交叉口，如仍采用原挑頂設(shè)計(jì)方案，變形侵限將不可避免。

圖5 原挑頂方案的支護(hù)體系(單位： cm)

3 優(yōu)化挑頂方案

3.1 高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)理論

預(yù)應(yīng)力作為鑒別主動與被動支護(hù)的核心所在，也是高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)理論的關(guān)鍵。常規(guī)無預(yù)應(yīng)力錨桿(如全長黏結(jié)型錨桿)或預(yù)應(yīng)力很低的錨桿(如機(jī)械點(diǎn)錨式預(yù)應(yīng)力錨桿)，因只能在圍巖出現(xiàn)位移后才能被動地進(jìn)行斷面支護(hù)，或者無法實(shí)現(xiàn)圍巖早期變形控制，不能充分發(fā)揮與提高圍巖自承載能力[12-13]，均歸為被動支護(hù)； 而以高預(yù)應(yīng)力錨索為支護(hù)核心的高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)理論則是真正意義上的主動支護(hù)理論，要求采用的支護(hù)措施具備提升圍巖峰后強(qiáng)度的能力，能及時(shí)有效抑制錨固區(qū)內(nèi)圍巖可能出現(xiàn)的離層、滑動、裂隙張開、新裂紋產(chǎn)生等擴(kuò)容變形，即施加的預(yù)應(yīng)力存在“下限值”。高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)機(jī)制如圖6所示，這是其能夠控制圍巖大變形及實(shí)現(xiàn)后續(xù)挑頂施工中“以索代撐”的關(guān)鍵。

1為被動支護(hù)下的圍巖力學(xué)特性曲線，s1為圍巖坍塌破壞點(diǎn)，對應(yīng)支護(hù)力學(xué)特性曲線為①、③，其中③的支護(hù)剛度要大于①； 2為主動支護(hù)下的圍巖力學(xué)特性曲線(初始加載支護(hù)力為p1)，s2為圍巖坍塌破壞點(diǎn)，對應(yīng)支護(hù)力學(xué)特性曲線為②。

因高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)效應(yīng)，相比圍巖力學(xué)特性曲線1，曲線2得到明顯改善(s2點(diǎn)位于s1點(diǎn)右下方)，曲線2和曲線1的差異體現(xiàn)了高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)的核心要點(diǎn)，即調(diào)動及改善圍巖的自承載能力。

3.2 小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)及施工工藝

3.2.1 結(jié)構(gòu)組成

小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)由“1×19S-21.80 mm-1 860 MPa錨索+ CKb3540樹脂錨固劑+柔性網(wǎng)+W型鋼帶+300 mm×300 mm×16 mm大墊板+礦用KM22 mm-1 860 MPa錨具”組成，如圖7所示。其中，W型鋼帶要求環(huán)向重疊設(shè)置。

圖7 錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)組成

此次采用的小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)的主要特點(diǎn)有：

1)采用快速錨固的樹脂藥卷，通過錨桿鉆機(jī)攪拌即可實(shí)現(xiàn)安裝；

2)為小孔徑錨孔，孔徑一般為28～32 mm，其鉆孔工效顯著優(yōu)于常規(guī)系統(tǒng)錨桿(孔徑一般為45～50 mm)，且可采用單體式錨桿鉆機(jī)施工，能有效解決小凈空斷面的錨索施工難題；

3)支護(hù)形式選擇為“錨(錨索體)帶(W型鋼帶)網(wǎng)(柔性網(wǎng))”，可有效提升預(yù)應(yīng)力錨索的支護(hù)效果。

3.2.2 施工工藝

小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)的主要施工工序?yàn)椋?鉆孔(清孔)—塞入錨固劑—人工塞入錨索、鉆機(jī)攪拌錨固—安裝配件(墊板、鋼帶、網(wǎng)、錨索)—張拉鎖定。其部分關(guān)鍵性工序如圖8所示。整個(gè)錨索施工過程可由2～3人配合完成。

與小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)的施工工序相匹配，其關(guān)鍵性工藝參數(shù)要求如下：

1)鉆孔方向應(yīng)垂直巖面，孔深誤差控制在±100 mm；

2)錨索體外露長度控制在200～300 mm；

3)樹脂攪拌錨固時(shí)間控制在20～30 s，攪拌過程中不能停頓，否則已開始聚合反應(yīng)的樹脂分子鏈會遭到破壞，導(dǎo)致錨固劑失效；

4)攪拌樹脂藥卷后10～15 min張拉錨索，要求一次張拉到位，張拉值應(yīng)不小于設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力的1.2倍；

5)錨索安裝48 h后，如發(fā)現(xiàn)預(yù)緊力下降，必須及時(shí)補(bǔ)拉；

6)張拉時(shí)發(fā)現(xiàn)錨固不合格的錨索，必須立即在其附近補(bǔ)打合格的錨索，或者用張拉器將不合格的錨索拔出，然后用鉆機(jī)將原來的鉆孔清孔后重新安裝錨索；

7)確保柔性網(wǎng)和W型鋼帶安裝與巖面緊貼，墊板安裝與W型鋼帶緊貼，保證錨索整套結(jié)構(gòu)連接牢固。

3.3 挑頂支護(hù)設(shè)計(jì)與實(shí)施方案

引入高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)理論，以充分調(diào)動和提升圍巖自承載能力為核心思想，優(yōu)化小導(dǎo)洞挑頂方案，即在斜井與正洞交叉口處設(shè)置“雙層支護(hù)+預(yù)應(yīng)力錨索”，利用交界處斜井的最后一榀拱架及錨索支護(hù)技術(shù)解決正洞拱架支撐，實(shí)現(xiàn)“以索代撐”，取消原設(shè)計(jì)方案中的托梁和支撐梁。具體實(shí)施方案如下。

3.3.1 斜井加強(qiáng)(優(yōu)化)支護(hù)

根據(jù)斜井與正洞相交角度，在距離正洞與斜井交點(diǎn)里程5 m范圍，開始加強(qiáng)斜井支護(hù)參數(shù)及施作預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)：

1)支護(hù)參數(shù)加強(qiáng)，設(shè)置為雙層支護(hù)體系，拱架型號及間距調(diào)整為HW175@60 cm/榀；

2)優(yōu)化原設(shè)計(jì)的超前支護(hù)和系統(tǒng)錨桿(導(dǎo)管)，取消φ42超前注漿小導(dǎo)管、環(huán)向φ25自進(jìn)式中空注漿錨桿和φ42環(huán)向注漿小導(dǎo)管，替換為環(huán)向系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨索，錨索支護(hù)參數(shù)采用l-500 cm和l-1 000 cm 2種型式，間隔布置(即一個(gè)循環(huán)采用l-500 cm，下一循環(huán)采用l-1 000 cm)，環(huán)向間距100 cm，縱向間距120 cm，每環(huán)25根，加載預(yù)緊力350 kN(后續(xù)涉及的錨索預(yù)緊力值均為該量值)。

具體支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 斜井加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)

3.3.2 交叉口施工

為了使正洞交叉段拱架與斜井拱架連接牢固，在外層拱架上預(yù)留連接支座鋼板(見圖10)，便于正洞拱架落腳時(shí)的連接。預(yù)留支座鋼板布置間距與正洞拱架間距一致。

圖10 交界處斜井最后一榀拱架支護(hù)

3.3.3 小導(dǎo)洞支護(hù)與施工

小導(dǎo)洞寬4 m，高度H隨正洞橫斷面輪廓線高度變化。采用預(yù)應(yīng)力錨索、I20工字鋼門型鋼架、鎖腳導(dǎo)管、C25噴射混凝土等進(jìn)行支護(hù)； 兩側(cè)支腿處設(shè)置加大型拱腳腳板，以防止拱頂下沉侵入正洞初期支護(hù)凈空。小導(dǎo)洞支護(hù)門架結(jié)構(gòu)如圖11所示。

3.3.4 小導(dǎo)洞挑頂施工及支護(hù)

利用小導(dǎo)洞進(jìn)行挑頂開挖，導(dǎo)洞范圍內(nèi)開挖完成后，進(jìn)行主洞預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)(每環(huán)29根)施工，逐榀完成上臺階挑頂施工，施工示意如圖12所示。

圖12 小導(dǎo)洞法爬行開挖至主洞上臺階施工示意圖(單位： cm)

3.3.5 正洞工作面施工

導(dǎo)洞挑頂施工完成后，正洞位置形成作業(yè)空間，順著上臺階開挖輪廓線按設(shè)計(jì)參數(shù)安裝正洞初期支護(hù)拱架(交叉口段異型拱)、連接筋、網(wǎng)片、錨索、鎖腳，并噴射混凝土完成初期支護(hù)。小導(dǎo)洞頂部I20工字鋼橫梁不需要拆除，可以與主洞形成雙層支護(hù)，增強(qiáng)整體支護(hù)體系，避免圍巖的二次擾動。

導(dǎo)洞范圍內(nèi)正洞初期支護(hù)施作完成后，拆除小導(dǎo)洞兩側(cè)邊墻臨時(shí)鋼架，以優(yōu)化后設(shè)計(jì)參數(shù)及預(yù)應(yīng)力錨索方案進(jìn)行施工，單向掘進(jìn)并按三臺階法施工主洞上臺階、中臺階及下臺階，快速形成施工作業(yè)面，及時(shí)進(jìn)行交叉段仰拱及填充混凝土施工。

4 支護(hù)效果分析

2018年12月22日，開始采用上述方法對木寨嶺隧道2#斜井進(jìn)行挑頂施工，歷時(shí)8 d，于2018年12月30日順利完成斜井進(jìn)正洞上臺階小導(dǎo)洞挑頂任務(wù)，如圖13所示，上臺階具備向正洞大、小里程端開展施工的條件。

挑頂施工期間圍巖變形如圖14所示。單日最大圍巖位移量小于30 mm，且圍巖位移收斂快速，一般在施工后第2天即可觀察到日位移量出現(xiàn)大幅下降，表明施工期間圍巖穩(wěn)定性較好。斷面測點(diǎn)最終位移量不足250 mm，小于預(yù)留變形量(350 mm)，未出現(xiàn)凈空侵限等情況，取得了良好的實(shí)際應(yīng)用效果。

(a) 小導(dǎo)洞拱頂沉降

(b) YK218+400主洞斷面拱頂沉降

(c) YK218+400主洞斷面邊墻位移

因交叉口處是正洞施工主要運(yùn)輸通道，為了不影響正洞正常施工，同時(shí)為了檢驗(yàn)預(yù)應(yīng)力錨索的支護(hù)效果，挑頂完成后的第7個(gè)月，方才施作交叉口二次襯砌。累計(jì)測得初期支護(hù)單側(cè)最大變形收斂26.8 cm，拱頂最大沉降24.9 cm，表明上述以錨索支護(hù)為核心的挑頂方案安全有效。

5 結(jié)論與建議

本文基于高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)理論，提出以預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)技術(shù)為核心的軟巖大變形隧道“以索代撐”挑頂方案，并在木寨嶺公路隧道中得到了成功應(yīng)用。主要結(jié)論如下：

1)采用小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)技術(shù)優(yōu)化原設(shè)計(jì)超前支護(hù)和系統(tǒng)錨桿，并加強(qiáng)斜井交叉段支護(hù)參數(shù)等，形成了一種“以索代撐”軟巖大變形隧道挑頂支護(hù)施工工法； 其與傳統(tǒng)方法相比，可以減少圍巖擾動，節(jié)約施工成本，加快施工進(jìn)度。

2)高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)理論從調(diào)動及改善圍巖的自承載能力出發(fā)，要求采用的支護(hù)措施具備提升圍巖峰后強(qiáng)度的能力，這是其能夠控制圍巖大變形及實(shí)現(xiàn)挑頂施工中“以索代撐”的關(guān)鍵。

3)新型“以索代撐”挑頂施工工法主要由斜井加強(qiáng)(優(yōu)化)支護(hù)、交叉口施工、小導(dǎo)洞支護(hù)與施工、小導(dǎo)洞挑頂施工及支護(hù)、正洞工作面施工等施工流程組成。

4)小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)由“1×19S-21.80 mm-1 860 MPa錨索+ CKb3540樹脂錨固劑+柔性網(wǎng)+W型鋼帶+300 mm×300 mm×16 mm大墊板+礦用KM22 mm-1 860 MPa錨具”組成，具備實(shí)現(xiàn)小凈空斷面快速施工的優(yōu)勢，且能有效提升預(yù)應(yīng)力錨索的支護(hù)效果。

本文主要從支護(hù)理論以及具體實(shí)施方面對以預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)技術(shù)為核心的挑頂方案進(jìn)行了分析研究，而對于錨索預(yù)應(yīng)力在支護(hù)過程中與圍巖的相互作用機(jī)制，仍有待進(jìn)一步研究。