郭小龍，譚忠盛，喻 渝

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 北京 100044；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

高地應(yīng)力軟巖條件下擠壓型大變形控制是目前隧道及地下工程領(lǐng)域面臨的重要難題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此開(kāi)展大量研究和實(shí)踐，取得了豐碩的研究成果[1]。在支護(hù)理論方面，形成了軸變理論[2]、聯(lián)合支護(hù)理論[3]、弧板支護(hù)理論[4]、松動(dòng)圈理論[5]、主次承載區(qū)支護(hù)理論[6]、關(guān)鍵部位耦合支護(hù)理念[7]等。從支護(hù)理念上可分為剛性支護(hù)和柔性支護(hù)兩大類(lèi)，剛性支護(hù)包括高強(qiáng)弧板、提前施作大剛度二襯、重型拱架、鋼管混凝土拱架等，柔性支護(hù)包括讓壓錨桿[8]、可縮性拱架[9-10]等。

隨著大變形隧道實(shí)踐工程的不斷推動(dòng)，發(fā)現(xiàn)單一的控制措施往往難以奏效，為此出現(xiàn)眾多大變形聯(lián)合控制措施，包括開(kāi)挖方法、地應(yīng)力調(diào)整、支護(hù)體系、變形控制標(biāo)準(zhǔn)等，進(jìn)而形成復(fù)雜的變形控制技術(shù)。如烏鞘嶺隧道采用斷面形狀優(yōu)化、加大預(yù)留變形量、多重支護(hù)及加大襯砌剛度的支護(hù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)開(kāi)挖方法上采用以實(shí)現(xiàn)快速封閉的短臺(tái)階及超短臺(tái)階法[11-12]；蘭渝鐵路出現(xiàn)大量擠壓型大變形隧道，包括木寨嶺隧道[13]、兩水隧道[14]、毛羽山隧道[15]等，其中尤其以木寨嶺隧道變形最為嚴(yán)重，提出導(dǎo)洞應(yīng)力釋放，多層圓形支護(hù)，長(zhǎng)錨桿(索)，注漿加固的綜合變形控制方案，同時(shí)提出了大變形控制分級(jí)管理理論和施工控制標(biāo)準(zhǔn)。隨著大變形隧道圍巖擠壓程度不斷提高，變形控制技術(shù)研究也逐漸從單一工況向考慮不同擠壓程度的變形控制體系進(jìn)行完善[16-17]。

從上述分析可以看出，雖然目前針對(duì)軟巖隧道大變形控制技術(shù)已經(jīng)從單一控制措施向多種措施聯(lián)合應(yīng)用發(fā)展，同時(shí)向不同大變形等級(jí)的變形控制體系逐漸完善。但目前來(lái)看大變形控制理念不明確，缺乏針對(duì)不同大變形等級(jí)，適用性強(qiáng)的軟巖隧道大變形控制體系。

隧道變形控制基準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)隧道信息化施工的重要基礎(chǔ)，又是提高隧道施工安全性、經(jīng)濟(jì)性的重要手段[18]。尤其軟巖隧道變形量大，變形速率快，如果預(yù)留變形量不足，即使圍巖變形得到控制，依然會(huì)導(dǎo)致拆除支護(hù)、進(jìn)行擴(kuò)挖的后果[19]。隨著新奧法的推廣應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道變形規(guī)律及控制基準(zhǔn)進(jìn)行了廣泛研究。文獻(xiàn)[20]認(rèn)為通過(guò)大剛度支護(hù)控制深埋軟巖隧道變形不僅不科學(xué)而且經(jīng)濟(jì)性差，應(yīng)有一定的變形釋放，其預(yù)留變形量約為20～30 cm。趙東平等[21]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)分析，基于一定保證率，建立了大斷面黃土隧道預(yù)留變形量。王明年等[18]基于變形數(shù)據(jù)分析，提出了大斷面海底隧道CRD法絕對(duì)位移控制基準(zhǔn)。我國(guó)的鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中考慮隧道跨度、埋深、開(kāi)挖方法等因素，對(duì)常規(guī)圍巖分級(jí)條件下隧道預(yù)留變形量及變形控制基準(zhǔn)進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，但對(duì)于軟巖隧道如何通過(guò)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)反饋分析得到變形控制基準(zhǔn)未給出明確解答。因此許多學(xué)者采用理論分析[22]、數(shù)值計(jì)算[23-24]、模型試驗(yàn)[25-26]及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[27-28]等方法對(duì)軟巖隧道預(yù)留變形量及變形控制基準(zhǔn)進(jìn)行了研究。上述關(guān)于軟巖隧道變形控制基準(zhǔn)的研究中，大多以隧道預(yù)留變形量作為主要研究對(duì)象，未考慮基于施工過(guò)程的隧道變形特征建立變形控制基準(zhǔn)。同時(shí)考慮大變形分級(jí)，針對(duì)不同變形控制體系，系統(tǒng)性建立軟巖隧道變形控制基準(zhǔn)的研究較少。

本文以成(都)蘭(州)鐵路典型軟巖隧道工程為依托，基于大量工程實(shí)踐，提出成蘭鐵路軟巖隧道大變形控制理念及變形控制體系。同時(shí)對(duì)大量變形量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，考慮施工過(guò)程中變形發(fā)展規(guī)律，建立軟巖隧道變形控制基準(zhǔn)。

1 工程概況

成蘭鐵路為國(guó)鐵Ⅰ級(jí)雙線(xiàn)電氣化鐵路，采用客貨共運(yùn)，設(shè)計(jì)時(shí)速200 km/h，線(xiàn)路最小曲線(xiàn)半徑為3 500 m，最大坡度9‰。

線(xiàn)路起于成都，向北經(jīng)松潘、九寨溝接入蘭渝鐵路的哈達(dá)鋪站。線(xiàn)路總長(zhǎng)457 km，隧道總長(zhǎng)332 km，占路線(xiàn)總長(zhǎng)度的73%，其中53%的隧道段落穿越軟巖地層。路線(xiàn)位于印度板塊與歐亞板塊相互碰撞縫合帶附近，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，穿越龍門(mén)山斷裂帶，西秦嶺斷裂帶和岷山斷裂帶，路線(xiàn)走向與主要構(gòu)造帶位置關(guān)系見(jiàn)圖1。軟巖地層主要為千枚巖、板巖，巖體強(qiáng)度低，整體性差，在高構(gòu)造應(yīng)力作用下擠壓明顯，極易造成隧道大變形[29-30]。

圖1 成蘭鐵路走向及主要地質(zhì)構(gòu)造

本文以發(fā)生典型大變形的楊家坪隧道和茂縣隧道為研究對(duì)象。楊家坪隧道全長(zhǎng)12.84 km，最大埋深約718 m。茂縣隧道全長(zhǎng)10.01 km，最大埋深約1 656 m，兩隧道通過(guò)核桃溝雙線(xiàn)大橋相連。兩隧道軟巖段圍巖主要為志留系茂縣群千枚巖，受龍門(mén)山后山斷裂帶影響，巖體破碎，巖石單軸抗壓強(qiáng)度為0.46～2.86 MPa[31-33]，隧道開(kāi)挖后巖石粉化現(xiàn)象嚴(yán)重。

2 大變形控制理念及大變形分級(jí)

2.1 大變形控制理念

目前國(guó)內(nèi)外軟巖大變形隧道工程實(shí)踐中存在多種變形控制理念，包括“以抗為主”“抗放結(jié)合”“主動(dòng)控制”等。

“以抗為主”是指通過(guò)大剛度初期支護(hù)(單層或多層)控制圍巖變形，當(dāng)圍巖變形持續(xù)發(fā)展時(shí)提前施作大剛度二次襯砌以抵抗圍巖變形。上述思路在實(shí)踐過(guò)程中均有成功及失敗案例。通過(guò)調(diào)研分析認(rèn)為，“以抗為主”的理論成功控制圍巖變形的案例多以輕微大變形等級(jí)為主，在實(shí)施過(guò)程中甚至體現(xiàn)出施工成本相對(duì)較低，施工效率高的優(yōu)點(diǎn)。但隨著圍巖擠壓程度不斷提高，大變形等級(jí)不斷增大，不少工程出現(xiàn)了二次襯砌開(kāi)裂問(wèn)題。因此，隨著大變形等級(jí)增大，目前的控制體系不能承受極高的應(yīng)力荷載，“以抗為主”的大變形控制理論難以取得成功[34-35]?！翱狗沤Y(jié)合”是指針對(duì)軟巖隧道施工過(guò)程中對(duì)圍巖變形進(jìn)行適度釋放，但圍巖變形的釋放需通過(guò)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效約束[19]。

隨著對(duì)軟巖隧道變形因素及變形機(jī)制認(rèn)識(shí)的不斷加深，逐漸認(rèn)識(shí)到常規(guī)的被動(dòng)提供支護(hù)功能的支護(hù)體系無(wú)法有效提高圍巖的穩(wěn)定性，不能達(dá)到“圍巖支護(hù)圍巖”的效果。因此，對(duì)于軟巖隧道應(yīng)采用“主動(dòng)控制”理念，以改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)為核心，減少對(duì)圍巖擾動(dòng)的同時(shí)主動(dòng)加固圍巖，充分發(fā)揮圍巖的自承能力。

2.2 大變形分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)隧道大變形進(jìn)行分級(jí)，進(jìn)而采用針對(duì)性措施，既可有效控制大變形，又可以節(jié)約成本[36-37]。Hoek等[38]提出了無(wú)支護(hù)條件下強(qiáng)度應(yīng)力比與相對(duì)變形量的關(guān)系曲線(xiàn)，建立了被廣泛采用的大變形分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。此外眾多學(xué)者對(duì)大變形分級(jí)方法及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究，分級(jí)指標(biāo)多采用強(qiáng)度應(yīng)力比和相對(duì)變形量，還包括初始地應(yīng)力、絕對(duì)位移、彈性模量及綜合系數(shù)等[39-41]。成蘭鐵路隧道工程基于大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，考慮一定支護(hù)抗力，形成大變形分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[42]，見(jiàn)表1。

表1 成蘭鐵路隧道大變形分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3 成蘭鐵路軟巖隧道大變形控制技術(shù)

基于上述“主動(dòng)控制”理念，成蘭鐵路提出“優(yōu)化斷面，強(qiáng)化錨桿、減少開(kāi)挖分步，動(dòng)態(tài)調(diào)整，分級(jí)控制”的軟巖隧道大變形控制技術(shù)。

基于大變形分級(jí)，逐步優(yōu)化隧道斷面，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體受力性能，又避免開(kāi)挖空間的過(guò)度浪費(fèi)。針對(duì)軟巖隧道變形速率快的特點(diǎn)，選擇合理的錨桿類(lèi)型與參數(shù)，提高施工效率，及時(shí)發(fā)揮作用控制圍巖變形。同時(shí)盡量減少開(kāi)挖分步，輕微大變形段采用二臺(tái)階帶仰拱法，中等大變形段采用二臺(tái)階法，嚴(yán)重與極嚴(yán)重大變形段采用三臺(tái)階法，施工過(guò)程嚴(yán)格控制臺(tái)階長(zhǎng)度，初期支護(hù)盡早封閉成環(huán)，從而及時(shí)為圍巖提供支護(hù)抗力。通過(guò)加深地質(zhì)工作，探明隧址區(qū)的地應(yīng)力及巖體強(qiáng)度特征，結(jié)合已開(kāi)挖段變形特征，采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的手段，及時(shí)調(diào)整大變形等級(jí)，采取相應(yīng)措施[43]。

結(jié)合成蘭鐵路軟巖隧道大變形控制實(shí)踐，對(duì)上述變形控制措施進(jìn)一步說(shuō)明。

3.1 斷面優(yōu)化

施工期間針對(duì)成蘭鐵路典型軟巖隧道進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)試，包括茂縣隧道、楊家坪隧道、柿子園隧道、松潘隧道、榴桐寨隧道等。測(cè)試結(jié)果表明成蘭鐵路隧址區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型為σH>σh>σv型，以水平應(yīng)力為主。如楊家坪隧道最大水平主應(yīng)力(σH)平均值為21.86 MPa，最小水平主應(yīng)力(σh)平均值為11.51 MPa，垂直應(yīng)力(σv)為8.81～9.98 MPa，水平側(cè)壓力系數(shù)達(dá)2.19～2.48。茂縣隧道最大水平主應(yīng)力為25.99 MPa，最小水平主應(yīng)力為20.00 MPa，水平側(cè)壓力系數(shù)為1.58[44-46]。成蘭鐵路隧址區(qū)以構(gòu)造應(yīng)力為主，邊墻位置受構(gòu)造應(yīng)力的強(qiáng)烈擠壓作用，邊墻變形顯著，支護(hù)結(jié)構(gòu)極易造成彎曲變形破壞。單線(xiàn)鐵路隧道“瘦高型”斷面形式對(duì)邊墻變形及應(yīng)力控制不利，同時(shí)仰拱較大矢跨比也不利于結(jié)構(gòu)受力。雖然圓形斷面整體受力效果更好，但空間利用率低，施工成本高[37]。因此，基于大變形分級(jí)，考慮結(jié)構(gòu)受力和施工成本，逐漸增大隧道邊墻曲率，增大仰拱矢跨比，從而改善結(jié)構(gòu)受力，控制隧道變形，見(jiàn)圖2、圖3。圖中S、L分別為仰拱的計(jì)算關(guān)系矢高、計(jì)算跨度。

圖2 單線(xiàn)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面示意(單位：cm)

圖3 雙線(xiàn)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面示意(單位：cm)

3.2 錨桿支護(hù)技術(shù)

錨桿作為主動(dòng)控制技術(shù)的重要組成部分，在控制軟巖隧道大變形方面具有重要作用[36]。為充分發(fā)揮錨桿的主動(dòng)控制作用，成蘭鐵路在軟巖隧道錨桿形式、支護(hù)參數(shù)、施工機(jī)械、作用效果等方面進(jìn)行了研究。

3.2.1 錨桿類(lèi)型分析

目前錨桿形式眾多，受力原理及作用效果存在顯著差別。端錨式錨桿雖然施作簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，但由于軟巖隧道圍巖強(qiáng)度低，難以產(chǎn)生足夠的錨固力。軟巖隧道由于圍巖松軟、強(qiáng)度低、有明顯的塑性變形，圍巖可能產(chǎn)生沿錨桿的流動(dòng)變形，因此，這類(lèi)巖體應(yīng)采用全長(zhǎng)黏結(jié)式錨桿[19]。

此外，由于軟巖隧道錨桿成孔困難，鉆孔深度大，導(dǎo)致灌漿效率低，施工質(zhì)量差，因此傳統(tǒng)的砂漿錨桿適應(yīng)性較差。自進(jìn)式中空錨桿鉆、錨一次成型，同時(shí)通過(guò)中空桿體進(jìn)行壓力注漿，不僅可以提高錨桿的施工效率，而且保證施工質(zhì)量。因此成蘭鐵路軟巖大變形隧道優(yōu)先選用自進(jìn)式中空錨桿。

3.2.2 錨桿支護(hù)參數(shù)

一般認(rèn)為錨桿長(zhǎng)度主要取決于圍巖松動(dòng)圈厚度，錨桿應(yīng)穿透松動(dòng)圈。因此為了充分發(fā)揮錨桿主動(dòng)控制圍巖變形的作用，結(jié)合圍巖松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果，對(duì)錨桿參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[34]。

采用聲波法和地質(zhì)雷達(dá)法開(kāi)展了圍巖松動(dòng)圈值測(cè)試，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖4。嚴(yán)重大變形段圍巖波速隨深度變化規(guī)律見(jiàn)圖5，1#測(cè)點(diǎn)由于難以進(jìn)行保水耦合，未測(cè)得圍巖波速。取邊墻圍巖松動(dòng)圈平均值，最終圍巖松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2[42]。

圖4 聲波法測(cè)點(diǎn)布置示意(單位:m)

圖5 嚴(yán)重大變形段圍巖波速隨深刻變化規(guī)律

表2 圍巖松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果

結(jié)合不同等級(jí)大變形隧道圍巖松動(dòng)圈范圍，錨桿長(zhǎng)度見(jiàn)表3[42]。

基于圍巖松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果，建立圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比與松動(dòng)圈厚度的擬合式為

LP=-3.244lnNc-0.315

(1)

式中：LP為圍巖松動(dòng)圈厚度，m；Nc為巖體強(qiáng)度應(yīng)變比。

表3 軟巖大變形隧道松動(dòng)圈值及錨桿長(zhǎng)度

全長(zhǎng)黏結(jié)錨桿承載力計(jì)算式[47]為

(2)

式中：Sa、Sb為錨桿縱向、環(huán)向間距；ψ為錨固長(zhǎng)度對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響系數(shù)；Pa,b為錨桿支護(hù)抗力；D為錨桿鉆孔直徑，取50 mm；L為錨桿錨固長(zhǎng)度，取錨桿長(zhǎng)度的一半；fmg為黏結(jié)材料與圍巖黏結(jié)強(qiáng)度，軟巖地層取0.3～0.8。

假定錨桿提供的支護(hù)力與初始地應(yīng)力之比為0.04，考慮錨桿縱向間距與鋼拱架的關(guān)系，參考相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，縱向間距取1.2 m，則錨桿環(huán)向間距計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

則軟巖隧道錨桿支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 錨桿參數(shù)優(yōu)化

對(duì)于嚴(yán)重及極嚴(yán)重大變形段，采用長(zhǎng)短組合錨桿進(jìn)行支護(hù)。長(zhǎng)短錨桿對(duì)大變形控制作用分別從力學(xué)機(jī)制和施工工藝兩方面進(jìn)行分析。首先隧道開(kāi)挖后圍巖為漸進(jìn)式破壞，松動(dòng)圈隨開(kāi)挖和時(shí)間逐漸增大，施作短而密的錨桿，可有效提高圍巖力學(xué)性質(zhì)，形成承載拱，發(fā)揮圍巖的承載能力。隨著松動(dòng)圈的進(jìn)一步發(fā)展，短錨桿隨塑性區(qū)整體向內(nèi)移動(dòng)，長(zhǎng)錨桿施作后將承載拱與深部圍巖形成整體，使圍巖應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，從而有效降低結(jié)構(gòu)荷載。其次，由于隧道圍巖穩(wěn)定性極差，多采用三臺(tái)階法(預(yù)留核心土)進(jìn)行施工，施工空間嚴(yán)重制約了長(zhǎng)錨桿的施作，使錨桿施作時(shí)機(jī)滯后，上臺(tái)階錨桿在中臺(tái)階開(kāi)挖后進(jìn)行施作，不能及時(shí)發(fā)揮錨桿錨固作用。長(zhǎng)短組合錨桿指隧道拱部先進(jìn)行短錨桿施作，待中臺(tái)階開(kāi)挖完成后一次性完成中上臺(tái)階長(zhǎng)錨桿施作。短錨桿可以及時(shí)施作，對(duì)淺層圍巖進(jìn)行及時(shí)加固，與拱架共同作用，提供的支護(hù)反力可以減少即時(shí)松動(dòng)圈內(nèi)剪脹變形，同時(shí)使淺層圍巖形成壓縮拱，改善結(jié)構(gòu)受力，控制圍巖變形[48-50]。

短錨桿應(yīng)達(dá)到圍巖瞬時(shí)松動(dòng)圈厚度，長(zhǎng)錨桿達(dá)到穩(wěn)定松動(dòng)圈厚度，其中瞬時(shí)松動(dòng)圈按60%穩(wěn)定松動(dòng)圈厚度確定[5]。

3.2.3 長(zhǎng)短組合支護(hù)效果

為進(jìn)一步明確長(zhǎng)短組合錨桿在軟巖隧道中的變形控制作用，在茂縣隧道1#斜井(嚴(yán)重大變形段)開(kāi)展了等長(zhǎng)錨桿、長(zhǎng)短組合錨桿對(duì)比試驗(yàn)，其中長(zhǎng)短組合錨桿布置示意見(jiàn)圖6[46,51]。XJ1K0+232～220為等長(zhǎng)的8 m錨桿試驗(yàn)段，記為A1試驗(yàn)段；XJ1K0+220～208為長(zhǎng)短組合錨桿試驗(yàn)段，長(zhǎng)錨桿為8 m，短錨桿為3 m，記為A2試驗(yàn)段。試驗(yàn)段長(zhǎng)錨桿軸力分布見(jiàn)圖7。

圖6 長(zhǎng)短組合錨桿布置示意

圖7 錨桿對(duì)比試驗(yàn)段錨桿受力包絡(luò)圖(單位：kN)

由圖7可知，等長(zhǎng)錨桿與長(zhǎng)短組合錨桿試驗(yàn)段長(zhǎng)錨桿軸力分布明顯不同，等長(zhǎng)錨桿軸力隨著圍巖深度增加逐漸減小，而長(zhǎng)短組合錨桿軸力呈現(xiàn)中間大，兩頭小的分布。其主要原因是軟巖大變形隧道中淺層圍巖破壞非常嚴(yán)重，變形量大，使錨桿軸力非常大，同時(shí)，臺(tái)階施工時(shí)在拱架下沉作用下，一定的剪應(yīng)力使軸力增長(zhǎng)。而長(zhǎng)短組合錨桿由于短錨桿形成的淺層壓縮拱使淺層圍巖變形相對(duì)較小，降低了長(zhǎng)錨桿淺層段剪應(yīng)力，長(zhǎng)錨桿為使淺層壓縮拱與深層圍巖協(xié)調(diào)變形，中性點(diǎn)向深部圍巖轉(zhuǎn)移。

兩組試驗(yàn)典型斷面隧道變形時(shí)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖8。圖8中，A為拱頂下沉，S1、S2為邊墻收斂。

圖8 試驗(yàn)段變形時(shí)程曲線(xiàn)

由圖8可知，從變形發(fā)展過(guò)程來(lái)看，上臺(tái)階施工完成后兩試驗(yàn)段變形量基本相當(dāng)，但由于A2試驗(yàn)段采用了長(zhǎng)短組合錨桿支護(hù)，隧道變形速率及最終變形量明顯小于A1試驗(yàn)段，可使拱頂下沉減少30%左右。說(shuō)明短錨桿隨著施工推進(jìn)，逐漸發(fā)揮對(duì)變形的控制作用，但其控制效果需隨開(kāi)挖過(guò)程逐漸體現(xiàn)。

3.3 開(kāi)挖方法優(yōu)化

目前對(duì)于軟巖大變形隧道開(kāi)挖方法，多采用三臺(tái)階分部開(kāi)挖，但三臺(tái)階開(kāi)挖方法初支封閉距離長(zhǎng)，對(duì)圍巖形成多次擾動(dòng)，施工空間小，不利于長(zhǎng)錨桿施工。同時(shí)由于軟巖隧道變形量大，變形速率高，三臺(tái)階開(kāi)挖成洞性差，如臺(tái)階連接處由于隧道變形造成鋼拱架連接不密貼，噴射混凝土不密實(shí)等，造成結(jié)構(gòu)受力薄弱，進(jìn)一步加劇邊墻變形。

為明確二臺(tái)階帶拱仰開(kāi)挖方法的變形控制效果，選取楊家坪隧道DK117+420—DK117+480作為試驗(yàn)段(中等大變形段)，分別進(jìn)行三臺(tái)階開(kāi)挖方法和二臺(tái)階帶仰拱開(kāi)挖方法試驗(yàn)。分別對(duì)隧道變形、接觸壓力、拱架應(yīng)力及錨桿軸力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖9。

圖9 測(cè)點(diǎn)布置

3.3.1 隧道變形

兩種開(kāi)挖方法下典型圍巖變形時(shí)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖10。由圖10可知，隧道變形受施工過(guò)程影響顯著，變形呈臺(tái)階式增長(zhǎng)，尤其當(dāng)采用三臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，中下臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)隧道變形速率明顯增大。同時(shí)比較兩種開(kāi)挖方法的隧道變形過(guò)程，二臺(tái)階帶仰拱開(kāi)挖方法的變形收斂時(shí)間和變形量明顯小于三臺(tái)階開(kāi)挖方法。

3.3.2 圍巖壓力

初支與圍巖接觸壓力時(shí)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖11。

圖11 初支與圍巖接觸壓力時(shí)程曲線(xiàn)

由圖11可知，圍巖接觸壓力受臺(tái)階開(kāi)挖影響更加明顯，三臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)尤其明顯，受擾動(dòng)影響，中下臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)圍巖接觸壓力會(huì)出現(xiàn)減小現(xiàn)象，而二臺(tái)階帶仰拱開(kāi)挖方法下，圍巖接觸壓力持續(xù)增長(zhǎng)，當(dāng)長(zhǎng)錨桿施作后增長(zhǎng)速率明顯減小。雖然二臺(tái)階帶拱仰開(kāi)挖方法的圍巖接觸壓力在前期較大，但由于長(zhǎng)錨桿的及時(shí)施作，當(dāng)初支封閉成環(huán)時(shí)兩種開(kāi)挖方法的圍巖接觸壓力基本相當(dāng)，但后期三臺(tái)階開(kāi)挖方法的圍巖接觸壓力仍保持較大速率的增長(zhǎng)，造成最終圍巖接觸壓力較大。

上述分析說(shuō)明，二臺(tái)階帶仰拱開(kāi)挖方法對(duì)圍巖的擾動(dòng)較小，結(jié)構(gòu)整體性更好，雖然由于變形釋放較小，造成前期圍巖接觸壓力較大，但由于長(zhǎng)錨桿的及時(shí)施作，充分發(fā)揮了長(zhǎng)錨桿對(duì)圍巖的支護(hù)作用，最終圍巖接觸壓力較小，初支與圍巖接觸壓力包絡(luò)圖見(jiàn)圖12。圖12中，括號(hào)內(nèi)外數(shù)值分別為兩臺(tái)階帶仰拱法和三臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)初支與圍巖接觸壓力值。

圖12 初支與圍巖接觸壓力包絡(luò)圖(單位：MPa)

3.3.3 鋼架應(yīng)力

型鋼拱架應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖13。由圖13可知，拱架承受壓應(yīng)力。三臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，拱架應(yīng)力增長(zhǎng)波動(dòng)明顯，尤其是當(dāng)中臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)拱肩部位應(yīng)力變化明顯。二臺(tái)階帶仰拱方法開(kāi)挖時(shí)，拱架應(yīng)力隨開(kāi)挖進(jìn)程持續(xù)增長(zhǎng)，但長(zhǎng)錨桿施工完成后邊墻部位拱架應(yīng)力增長(zhǎng)速率明顯減小。從最終結(jié)果來(lái)看，二臺(tái)階帶仰拱法可以減小拱架上部應(yīng)力，增大邊墻及仰拱應(yīng)力，充分利用拱架承載力，控制邊墻位移。

圖13 初支型鋼拱架應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)

3.3.4 錨桿軸力

邊墻錨桿軸力時(shí)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖14。

圖14 錨桿軸力時(shí)程曲線(xiàn)

三臺(tái)階開(kāi)挖方法下錨桿軸力在施作后快速增長(zhǎng)，但在下臺(tái)階、仰拱開(kāi)挖時(shí)出現(xiàn)明顯減小，說(shuō)明臺(tái)階開(kāi)挖擾動(dòng)的作用阻礙了錨桿控制作用的發(fā)揮。而二臺(tái)階帶拱仰開(kāi)挖時(shí)，錨桿施作后軸力持續(xù)增長(zhǎng)，受后續(xù)施工影響較小。同時(shí)比較兩種開(kāi)挖方法，初支封閉時(shí)錨桿軸力，二臺(tái)階帶仰拱開(kāi)挖方法明顯大于三臺(tái)階開(kāi)挖方法，說(shuō)明錨桿發(fā)揮了更大的控制作用。這也是雖然二臺(tái)階帶仰拱法應(yīng)力釋放較小但是結(jié)構(gòu)受力較小的重要原因。

3.4 二次襯砌施作時(shí)機(jī)[52]

二襯結(jié)構(gòu)安全性是軟巖隧道面臨的重要難題，而二次襯砌施作時(shí)機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)安全性具有重要影響，同時(shí)也是反映軟巖隧道主動(dòng)支護(hù)理念的重要方面。

由于軟巖具有顯著的流變特性，其流變荷載具有明顯的時(shí)間效應(yīng)，考慮隧道施工過(guò)程，大部分流變荷載將由二襯承擔(dān)。雖然在大變形隧道實(shí)踐過(guò)程中也不乏通過(guò)提前施作大剛度二襯控制圍巖變形的成功案例，但這與大變形等級(jí)、巖體擠壓程度相關(guān)。同時(shí)大剛度二襯控制圍巖變形與抗放結(jié)合的主動(dòng)控制理論不符，科學(xué)性及經(jīng)濟(jì)性較差。

基于茂縣隧道1#斜井未施作二襯的隧道變形長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖15，目前的變形主動(dòng)控制手段可以使圍巖變形達(dá)到階段性穩(wěn)定，但如果長(zhǎng)時(shí)間未施作二次襯砌，柔性初期支護(hù)會(huì)由于流變荷載發(fā)生承載力下降，變形加劇現(xiàn)象。結(jié)合主動(dòng)控制的大變形控制理念，認(rèn)為二襯可以在初期支護(hù)達(dá)到第一穩(wěn)定階段后施作，這樣既可以通過(guò)有效控制的位移釋放，減小二襯受力，同時(shí)又可以利用二襯的大剛度控制圍巖流變。

圖15 茂縣隧道1#斜井變形時(shí)程曲線(xiàn)

基于實(shí)測(cè)變形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，以初期支護(hù)變形達(dá)到第一穩(wěn)定階段變形量95%對(duì)應(yīng)的變形速率作為二次襯砌施作變形速率標(biāo)準(zhǔn)，以不同大變形等級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的80%保證率確定二次襯砌施作時(shí)機(jī)。對(duì)達(dá)到二次施作速率標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，確定不同大變形等級(jí)下隧道二襯施作時(shí)間，進(jìn)一步方便現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，隧道變形穩(wěn)定時(shí)間(ti)正態(tài)分布曲線(xiàn)見(jiàn)圖16。最終成蘭鐵路軟巖隧道二次襯砌施作標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表6。

圖16 隧道變形穩(wěn)定時(shí)間正態(tài)分布曲線(xiàn)

表6 成蘭鐵路軟巖隧道二襯施作標(biāo)準(zhǔn)

3.5 型鋼拱架

目前國(guó)內(nèi)隧道拱架多采用格柵拱架和型鋼拱架，其中格柵拱架與混凝土黏結(jié)性好，具有較好的受力性能，型鋼拱架剛度大，支護(hù)力強(qiáng)。為探明不同拱架類(lèi)型的作用效果，在茂縣隧道1#斜井的嚴(yán)重大變形段開(kāi)展了格柵I20b、I20b+I20b、H175三種類(lèi)型拱架的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，其變形時(shí)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖17[46,51]。

圖17 不同類(lèi)型拱架變形時(shí)程曲線(xiàn)

由于H175型鋼拱架剛度大，從變形速率和變形量來(lái)看，明顯優(yōu)于其他兩種類(lèi)型的拱架。由此可知，增大支護(hù)剛度，可以有效控制圍巖變形。但支護(hù)剛度增大，初期支護(hù)所受荷載明顯增大，因此，針對(duì)不同大變形等級(jí)，應(yīng)逐步提高初期支護(hù)中拱架的剛度，既可以有效控制圍巖變形，又可以適當(dāng)進(jìn)行荷載釋放。

同時(shí)，隨著大變形等級(jí)的逐漸提高，型鋼拱架破壞不僅表現(xiàn)為橫斷面的彎折，而且表現(xiàn)為縱向的失穩(wěn)，因此，為加強(qiáng)拱架的整體性，采用工字鋼加強(qiáng)拱架的縱向連接。

3.6 工藝優(yōu)化

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中，針對(duì)大變形特點(diǎn)，提出如下施工工藝優(yōu)化：

(1)優(yōu)化超前支護(hù)布置

超前支護(hù)是保持掌子面穩(wěn)定，保證施工安全的重要手段。軟巖隧道不僅拱部圍巖穩(wěn)定性差，而且邊墻也常出現(xiàn)圍巖剝落、掉塊等情況。因此，將目前常用的拱部120°超前支護(hù)擴(kuò)大為180°。

(2)鎖腳錨桿布置優(yōu)化

鎖腳錨桿布置以徑向方式施作，并在邊墻鋼架分布式施作，對(duì)保證鋼架的整體穩(wěn)定，防止鋼架局部失穩(wěn)起到了較好效果，鎖腳錨桿優(yōu)化見(jiàn)圖18。

圖18 鎖腳錨桿優(yōu)化

(3)錨桿墊板優(yōu)化

隨著錨桿加長(zhǎng)，開(kāi)挖工法優(yōu)化，錨桿所受軸力不斷增大，現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)了錨桿與墊板、螺帽不匹配問(wèn)題，錨桿破壞以螺帽拉脫，墊板凹陷為主。因此現(xiàn)場(chǎng)采用加大加厚的錨桿墊板，墊板邊長(zhǎng)為20 cm，厚度為1 cm。

3.7 施工機(jī)械配套

前期我國(guó)隧道機(jī)械化配套施工的目的主要集中于提高施工進(jìn)度，改善作業(yè)環(huán)境等，隨著施工技術(shù)的不斷提高，圍巖變形機(jī)制研究不斷深入，機(jī)械化施工不僅關(guān)系著施工進(jìn)度、施工質(zhì)量，而且對(duì)施工安全、變形控制效果更具有顯著的影響。尤其對(duì)于軟巖大變形隧道，必須主動(dòng)支護(hù)圍巖，在減少對(duì)圍巖擾動(dòng)的同時(shí)，主動(dòng)改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)是關(guān)鍵，因此，大斷面開(kāi)挖，長(zhǎng)錨桿施作，及時(shí)支護(hù)是必然選擇。而上述技術(shù)措施的實(shí)現(xiàn)，必然需要機(jī)械化配套施工[53-54]。

施工機(jī)械除常規(guī)的挖掘機(jī)、裝載車(chē)、出碴車(chē)外，主要涉及到錨桿鉆機(jī)、混凝土噴射機(jī)及拱架臺(tái)車(chē)[43]。

在鉆爆階段，由于炮眼深度淺，數(shù)量大，可采用手持風(fēng)鉆進(jìn)行施工，以數(shù)量換速度。但由于軟巖隧道系統(tǒng)錨桿長(zhǎng)度大，手持風(fēng)鉆工效低，拱部長(zhǎng)錨桿施作角度限制大。同時(shí)由于進(jìn)口錨桿鉆機(jī)價(jià)格昂貴，為此課題組聯(lián)合廠(chǎng)家研發(fā)了針對(duì)軟巖隧道的錨桿專(zhuān)用鉆機(jī)，不僅可實(shí)現(xiàn)360°全環(huán)施工，而且雙臂同時(shí)施工，工作效率高，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明8 m長(zhǎng)自進(jìn)式錨桿的施作時(shí)間可控制在20 min以?xún)?nèi)。

軟巖大變形隧道多采用大剛度型鋼拱架，如I20b、HW175甚至H200型鋼。隨著型鋼型號(hào)提高，拱架單位質(zhì)量逐漸增大，不僅造成工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且單榀架設(shè)時(shí)間長(zhǎng)。尤其采用上述大斷面開(kāi)挖方法時(shí)，雙線(xiàn)隧道上臺(tái)階HW175型鋼拱架的重量達(dá)10 kN以上，采用人工架設(shè)時(shí)難度極大。為此引進(jìn)三臂拱架臺(tái)車(chē)，增加拱架架設(shè)效率的同時(shí)，將上臺(tái)階拱架由5節(jié)改為3節(jié)，既減少受力薄弱環(huán)節(jié)又可以節(jié)省時(shí)間。

3.8 動(dòng)態(tài)調(diào)整

雖然上述分析針對(duì)大變形等級(jí)提出了針對(duì)性措施，但由于地質(zhì)條件的變異性，勘測(cè)技術(shù)的局限性，大變形分級(jí)預(yù)測(cè)技術(shù)的不完善性[1,55]，在隧道勘察階段及施工階段，面對(duì)復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，很難快速、準(zhǔn)確的判斷大變形等級(jí)，進(jìn)而采用針對(duì)性措施。

因此，成蘭鐵路針對(duì)軟巖大變形隧道采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的理念，在勘察及施工前期大量實(shí)測(cè)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)大變形等級(jí)進(jìn)行初步判定。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合施工過(guò)程中圍巖揭露情況，埋深，已施工段結(jié)構(gòu)變形及受力情況以及必要的試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，采用“多方會(huì)診”，對(duì)大變形等級(jí)進(jìn)行確認(rèn)及短距離預(yù)測(cè)，及時(shí)調(diào)整施工方案，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整。

3.9 成蘭鐵路軟巖隧道變形控制體系

基于上述研究，并參考一定的工程經(jīng)驗(yàn)，成蘭鐵路軟巖隧道變形控制體系見(jiàn)表7[42]。

表7 成蘭鐵路軟巖隧道變形控制體系

4 基于施工過(guò)程的隧道變形特征

4.1 變形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

基于上述變形控制技術(shù)，分別對(duì)大變形等級(jí)條件下單、雙線(xiàn)隧道變形進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分別為拱頂下沉A、邊墻收斂S1和S2，其中S1-1、S1-2、S2-1和S2-2分別為S1和S2的位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。由于斷面型式、開(kāi)挖方法較多，以雙線(xiàn)隧道為例，S1位于拱肩，S2位于邊墻，見(jiàn)圖19。

圖19 隧道變形量測(cè)點(diǎn)布置示意

單線(xiàn)鐵路隧道輕微、中等、嚴(yán)重大變形段監(jiān)測(cè)斷面分別為153、96、68個(gè)，雙線(xiàn)鐵路隧道輕微、中等、嚴(yán)重大變形段監(jiān)測(cè)斷面分別為101、199、35個(gè)。極嚴(yán)重大變形段缺少統(tǒng)計(jì)樣本。部分隧道變形分布見(jiàn)圖20。

由圖20可知，雖然對(duì)隧道變形進(jìn)行了分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，但由于地質(zhì)條件及施工條件的復(fù)雜性，隧道變形量具有較大的離散性，而且隨著變形等級(jí)提高，離散性變大。如輕微大變形段邊墻位移最小值為46.6 mm，最大值276.9 mm，相差約5.9倍；嚴(yán)重大變形段邊墻位移最小值為66.2 mm，最大值為561.99 mm，相差近8.5倍。這主要是由于軟巖隧道變形影響因素眾多，大變形等級(jí)越高，地質(zhì)條件、隧道支護(hù)措施及施工過(guò)程越復(fù)雜，導(dǎo)致隧道變形離散性越大。

4.2 隧道變形特征分析

4.2.1 典型變形時(shí)程曲線(xiàn)

典型斷面隧道變形時(shí)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖21。由圖21可知，三種大變形等級(jí)下隧道變形與時(shí)間密切相關(guān)，按隧道變形速率可分為快速增長(zhǎng)階段、持續(xù)增長(zhǎng)階段和緩慢增長(zhǎng)階段，并且大變形等級(jí)越高，快速增長(zhǎng)階段變形速率越大，變形振蕩增長(zhǎng)越明顯，變形持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。同時(shí)隧道變形時(shí)程規(guī)律受開(kāi)挖方法影響，邊墻位移尤其明顯，中下臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，邊墻位移速率明顯增大，變形呈臺(tái)階式增長(zhǎng)。

圖20 單、雙線(xiàn)隧道變形分布

圖21 典型斷面變形時(shí)程曲線(xiàn)

4.2.2 各施工階段隧道變形占比分析

結(jié)合施工過(guò)程，對(duì)各施工階段隧道變形量與總變量的比值(變形占比)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中單線(xiàn)隧道嚴(yán)重大變形段統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖22。

圖22 單線(xiàn)隧道嚴(yán)重大變形占比分布

由圖22可知，嚴(yán)重大變形段各施工階段隧道變形占比相對(duì)集中于某一區(qū)域內(nèi)。隧道變形主要發(fā)生在上臺(tái)階施工期間，變形占比達(dá)到41.5%～47.3%，中、下臺(tái)階及仰拱施工期間變形占比逐漸減小。并且拱頂下沉在中、上臺(tái)階施工期間變形占比明顯高于邊墻位移，仰拱施工后變形占比低于邊墻位移變形占比，因此，在隧道施工期間，前期應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注拱頂下沉變形，后期應(yīng)加強(qiáng)邊墻位移控制。最終不同大變形等級(jí)下隧道各施工階段變形占比平均值分布見(jiàn)圖23。

圖23 隧道變形時(shí)空效應(yīng)分布圖

通過(guò)嚴(yán)重大變形段與中等大變形段隧道變形時(shí)空效應(yīng)分布可知，隨著大變形等級(jí)提高，隧道變形在上臺(tái)階施工期間變形占比減小，仰拱施工后變形占比增大，說(shuō)明隨著大變形等級(jí)提高，圍巖流變性增強(qiáng)，隧道變形的時(shí)間效應(yīng)更加明顯。同時(shí)隧道變形的時(shí)空效應(yīng)受開(kāi)挖方法影響明顯，輕微大變形段采用二臺(tái)階帶仰拱開(kāi)挖方法，開(kāi)挖分步少，初支封閉時(shí)間短，變形釋放更小，仰拱施工后變形占比更大。

同時(shí)比較發(fā)現(xiàn)，拱頂下沉與邊墻位移的時(shí)空效應(yīng)差別較大，邊墻位移在仰拱施工后變形占比更大，時(shí)間效應(yīng)更加明顯，對(duì)變形控制不利，而隧道以邊墻位移為主，因此以邊墻位移為準(zhǔn)，各施工階段變形占比見(jiàn)表8。

表8 各施工階段隧道變形占比

5 隧道變形控制基準(zhǔn)

5.1 隧道變形量統(tǒng)計(jì)規(guī)律

雖然隧道變形量受各種因素影響具有一定離散性，但某一大變形等級(jí)下隧道變形相對(duì)集中于一定范圍內(nèi)，其分布服從統(tǒng)計(jì)學(xué)中的正態(tài)分布規(guī)律[56]。因此本文采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)隧道變形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而確定隧道預(yù)留變形量。

當(dāng)分布函數(shù)中方差σ2未知時(shí)，由于樣本方差S2是總體分布方差σ2的無(wú)偏估計(jì)，則

(3)

則隧道變形量平均值的置信水平為(1-α)的一個(gè)置信區(qū)間為

(4)

圖24 隧道變形量區(qū)間估計(jì)示意

對(duì)上述隧道變形量統(tǒng)計(jì)樣本進(jìn)行分布規(guī)律顯著性檢驗(yàn)，并進(jìn)行分布函數(shù)擬合，隧道變形量分布頻數(shù)直方圖及擬合函數(shù)見(jiàn)圖25、圖26。

圖25 單線(xiàn)隧道變形分布直方圖

圖26 雙線(xiàn)隧道變形分布直方圖

由圖25、圖26可知，在顯著性水平為0.05水平下，通過(guò)回歸方程的顯著性檢驗(yàn)，雖然部分變形量級(jí)存在缺失，但某一大變形等級(jí)下隧道變形量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯著性地來(lái)自正態(tài)分布總體。隧道變形量分布頻數(shù)在某一范圍內(nèi)相對(duì)集中，通過(guò)分布擬合公式及置信區(qū)間的計(jì)算公式，隧道變形量平均值及95%置信區(qū)間上、下限見(jiàn)表9。

表9 隧道變形量置信區(qū)間計(jì)算結(jié)果 cm

由表9可知，隨著變形等級(jí)的提高，隧道變形量平均值、95%置信區(qū)間上、下限不斷增大，而且雙線(xiàn)隧道變形量明顯大于單線(xiàn)隧道。同時(shí)，隨著變形等級(jí)提高，隧道變形由邊墻位移為主向均勻變形過(guò)渡。如單線(xiàn)隧道輕微、中等和嚴(yán)重大變形段，拱頂下沉與邊墻位移平均值的比值分別為0.56、0.89和1.03。這主要是隨著大變形等級(jí)的提高，隧道埋深逐漸加大，地應(yīng)力分布向靜水壓力分布規(guī)律變化，同時(shí)隧道斷面向圓形過(guò)渡，邊墻位移優(yōu)勢(shì)逐漸減小。

5.2 隧道預(yù)留變形確定

基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)值，考慮量測(cè)丟失位移(15%)[42,57]，取拱頂下沉的下限和邊墻邊移的上限，參考其他工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。其中極嚴(yán)重大變形段缺乏統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，但為與大變形分級(jí)相對(duì)應(yīng)，根據(jù)隧道變形量隨大變形等級(jí)提高而逐漸增大的規(guī)律，取嚴(yán)重大變形段隧道預(yù)留變形量上限作為極嚴(yán)重大變形段預(yù)留變形量的下限，最終成蘭鐵路軟巖隧道預(yù)留變形量見(jiàn)表10。

表10 隧道預(yù)留變形量建議值 cm

5.3 基于施工過(guò)程的變形控制基準(zhǔn)

上述預(yù)留變形量為隧道變形控制總量，但隧道變形隨開(kāi)挖逐漸增大。根據(jù)上述各施工階段變形占比分析，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件、支護(hù)參數(shù)及開(kāi)挖方法確定時(shí)，某一施工階段變形量與總變形量的比值相對(duì)集中于一數(shù)值。即以預(yù)留變形量為隧道變形控制的總基準(zhǔn)，當(dāng)某一階段累計(jì)變形占比超過(guò)總基準(zhǔn)的一定變形比例，則推測(cè)隧道最終變形量可能會(huì)超過(guò)預(yù)留變形量，造成初支侵限。以嚴(yán)重大變形段為例進(jìn)一步說(shuō)明，隧道采用三臺(tái)階法開(kāi)挖，根據(jù)圖23及表8可知，大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，當(dāng)中臺(tái)階開(kāi)挖至監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，S1-1及S1-2變形占比平均值為42.4%。如監(jiān)測(cè)斷面S1-1或S1-2在中臺(tái)階開(kāi)挖前變形占比大于42.4%，則根據(jù)變形隨臺(tái)階開(kāi)挖的發(fā)展規(guī)律，在不采取其他措施的情況下，當(dāng)隧道開(kāi)挖完成后最終變形量會(huì)超過(guò)預(yù)留變形量。同時(shí)當(dāng)下臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)變形占比超過(guò)中、上臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)累積變形占比68.4%時(shí)，則最終變形量極有可能超過(guò)預(yù)留變形量。

基于上述思路及不同大變形等級(jí)下隧道施工過(guò)程變形規(guī)律，將邊墻位移作為控制目標(biāo)，以預(yù)留變形量為總基準(zhǔn)，以施工階段累計(jì)變形占比作為過(guò)程控制基準(zhǔn)，成蘭鐵路軟巖隧道位移控制基準(zhǔn)見(jiàn)表11，其中極嚴(yán)重大變形段參考嚴(yán)重大變形段。其中輕微大變形段采用二臺(tái)階帶仰拱開(kāi)挖方法，中等大變形段采用二臺(tái)階開(kāi)挖方法，嚴(yán)重與極嚴(yán)重大變形段采用三臺(tái)階開(kāi)挖方法。

表11 基于施工過(guò)程的隧道變形控制基準(zhǔn)

隧道大變形應(yīng)進(jìn)行過(guò)程干預(yù)，分階段控制，表11的意義在于施工過(guò)程中通過(guò)監(jiān)控量測(cè)對(duì)隧道變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，在隧道變形即將達(dá)到階段變形標(biāo)準(zhǔn)前及時(shí)采取措施，從而有效控制隧道變形，避免初支侵限的發(fā)生。

6 工程試驗(yàn)驗(yàn)證

6.1 工程驗(yàn)證試驗(yàn)段

為了進(jìn)一步驗(yàn)證軟巖隧道變形控制體系的適用性，業(yè)主單位聯(lián)合設(shè)計(jì)、監(jiān)理、科研及施工單位，開(kāi)展了大變形控制工程試驗(yàn)驗(yàn)證?；谏鲜隹刂企w系，分別選取楊家坪隧道、茂縣隧道作為試驗(yàn)點(diǎn)，每個(gè)試驗(yàn)段長(zhǎng)度為40 m，試驗(yàn)段具體信息見(jiàn)表12。

表12 工程應(yīng)用試驗(yàn)段大變形分級(jí)結(jié)果

6.2 應(yīng)用效果分析

以隧道變形為主要考察目標(biāo)，各工程應(yīng)用試驗(yàn)段典型斷面變形時(shí)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖27。

圖27 典型隧道變形時(shí)程曲線(xiàn)

由圖27可知，隧道變形時(shí)程規(guī)律符合典型的快速增長(zhǎng)-減速增長(zhǎng)和穩(wěn)定階段的變化規(guī)律。但隨著大變形等級(jí)提高，隧道變形量逐漸提高，變形穩(wěn)定時(shí)間逐漸增長(zhǎng)，變形在初支封閉后經(jīng)歷一定時(shí)間增長(zhǎng)后逐漸趨于穩(wěn)定。

以邊墻收斂S2為目標(biāo)，對(duì)試驗(yàn)段變形量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，隨里程分布見(jiàn)圖28。單線(xiàn)輕微段、單線(xiàn)嚴(yán)重段、雙線(xiàn)輕微段、雙線(xiàn)中等段隧道邊墻收斂最大值分別為389.4、896.0、481.2、575.5 mm，分別占預(yù)留變形量的97.40%、99.56%、96.24%、95.90%；平均值分別為339.6、698.0、417.2、507.0 mm，分別占預(yù)留變形量的84.90%、77.56%、83.44%、84.50%。單線(xiàn)嚴(yán)重段由于圍巖條件的復(fù)雜性及三臺(tái)階法開(kāi)挖的復(fù)雜性，變形離散性更大，邊墻收斂平均值與預(yù)留變形量之比較低，其他三個(gè)試驗(yàn)段邊墻收斂平均值與預(yù)留變形量之比均在80%以上。由此可知，隧道預(yù)留變形得到了充分利用，同時(shí)未出現(xiàn)初支侵限，隧道變形得到有效控制，支護(hù)效果良好。

圖28 隧道邊墻收斂隨里程分布圖

7 結(jié)論

通過(guò)對(duì)成蘭鐵路軟巖隧道變形控制技術(shù)總結(jié)和變形量測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，提出軟巖隧道變形控制技術(shù)及變形控制基準(zhǔn)，得出結(jié)論如下：

(1)錨桿為控制軟巖隧道變形的關(guān)鍵措施之一，宜采用全長(zhǎng)黏結(jié)式錨桿，配備專(zhuān)用機(jī)械化設(shè)備，隨大變形等級(jí)提高，逐漸增大錨桿長(zhǎng)度，其中嚴(yán)重和極嚴(yán)重大變形段采用長(zhǎng)短組合錨桿，實(shí)現(xiàn)錨桿的快錨固，早承載。

(2)針對(duì)不同大變形等級(jí)，逐漸優(yōu)化隧道斷面，盡量采用大斷面開(kāi)挖，既可以減少?lài)鷰r擾動(dòng)，又可以減少空間限制對(duì)長(zhǎng)錨桿施作的影響，從而控制圍巖變形，提高施工效率，二襯作為安全儲(chǔ)備，在初支變形穩(wěn)定后施作，保證結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

(3)基于主動(dòng)控制的軟巖隧道支護(hù)理念，成蘭鐵路提出“優(yōu)化斷面，強(qiáng)化錨桿，減少開(kāi)挖分步，動(dòng)態(tài)調(diào)整，分級(jí)控制”的軟巖隧道大變形控制技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得了良好的效果。

(4)高地應(yīng)力軟巖隧道變形受巖體強(qiáng)度應(yīng)力比及開(kāi)挖方法影響明顯，不同大變形等級(jí)下隧道變形量具有一定的離散性，但隧道變形量整體服從正態(tài)分布，考慮爆破至變形監(jiān)測(cè)采集時(shí)間段的丟失位移，基于95%的區(qū)間估計(jì)確定隧道預(yù)留變形量的方法具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用性。

(5)基于變形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，建議成蘭鐵路輕微大變形段、中等大變形段、嚴(yán)重大變形段和極嚴(yán)重大變形段單線(xiàn)隧道預(yù)留變形量分別為10～20、25～35、35～45、大于45 cm，雙線(xiàn)隧道預(yù)留變形量分別為20～30、25～40、40～60、大于60 cm。

(6)考慮大變形分級(jí)和開(kāi)挖方法，基于隧道施工過(guò)程建立高地應(yīng)力千枚巖隧道變形控制基準(zhǔn)，通過(guò)監(jiān)控量測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道變形，及時(shí)采用措施，可以有效防止初支侵限。