常建超

(中鐵十一局集團(tuán)第一工程有限公司,湖北 襄陽(yáng) 441104)

0 引言

某高鐵隧道施工中揭露圍巖地質(zhì)為薄層片巖,施工中選擇合適的支護(hù)參數(shù)及開挖方法是控制隧道變形破壞的重點(diǎn)。在軟弱圍巖及破碎帶地段采用不合適的支護(hù)參數(shù)與開挖方式易導(dǎo)致隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、開裂[1-2]。王超等提出圍巖壓力與鋼架內(nèi)力存在先增、再回彈、最后趨于平緩的規(guī)律[3]。張金龍等提出隧道變形呈非對(duì)稱性,右邊墻至拱頂范圍內(nèi)變形較大,右拱肩值最大[4]。崔光耀等提出隧道大變形機(jī)制為巖體在地應(yīng)力影響下的力學(xué)響應(yīng)機(jī)制,將大變形分為擠壓、膨脹、松散三種類型[5-7]。

某高鐵隧道最大埋深145 m,隧道全長(zhǎng)6495.691 m,為單洞雙線隧道。隧道洞身以片巖、變粒巖為主,呈片狀構(gòu)造且破碎,節(jié)理較為發(fā)育,風(fēng)化快。隧道地下水類型主要為兩類,即松散巖類孔隙水與基巖裂隙水。隧道施工存在以下施工難點(diǎn):薄層板巖開挖后風(fēng)化剝落,遇水泥化、軟化,圍巖自穩(wěn)性差,薄層片巖節(jié)理緊密,注漿困難,原隧道支護(hù)參數(shù)無(wú)法控制初支結(jié)構(gòu)變形。隧道揭示圍巖見圖1。

圖1 掌子面圍巖左硬右軟Fig.1 Hardness on the left and softness on the right of the surrounding rock of the palm face

1 薄層片巖段隧道施工技術(shù)

1.1 原施工參數(shù)

隧道采用臺(tái)階法施工,采用25 cm厚C25噴射混凝土,φ22 mm格柵鋼架間距1 m,φ22 mm砂漿錨桿長(zhǎng)3.5 m,預(yù)留沉降量10 cm。

1.2 施工參數(shù)與開挖工法調(diào)整

根據(jù)薄層片巖段存在的問題調(diào)整開挖工法,補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)參數(shù)。隧道開挖工法調(diào)整為三臺(tái)階預(yù)留核心土法,上臺(tái)階高度5 m,中臺(tái)階2.6 m,下臺(tái)階高度2.1 m,每個(gè)臺(tái)階長(zhǎng)度5 m。利用核心土穩(wěn)定掌子面。隧道初期支護(hù)調(diào)整為I20a型鋼,鋼架間距調(diào)整為0.6 m。預(yù)留變形量增大至45 cm,初支噴射混凝土厚度調(diào)為28 cm,二襯調(diào)為55 cm鋼筋混凝土。砂漿錨桿長(zhǎng)調(diào)整為4 m。但在開挖完成后仍存在初支變形、開裂問題。采用HW175型鋼進(jìn)行強(qiáng)支護(hù),其余支護(hù)參數(shù)不變。對(duì)HW175型鋼支護(hù)結(jié)構(gòu)受力、變形進(jìn)行監(jiān)測(cè),分析薄層片巖隧道初支結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。

1.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)方案

采用全站儀對(duì)初支進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)。在隧道初期支護(hù)的拱腳兩側(cè),邊墻兩側(cè)貼反射片,監(jiān)控隧道周邊收斂值。在隧道拱頂位置貼反射片,監(jiān)測(cè)拱頂下沉量。選擇隧道圍巖左側(cè)硬右側(cè)軟段落進(jìn)行監(jiān)測(cè)。初支結(jié)構(gòu)拱頂、拱肩、拱腰等部位布設(shè)振弦式傳感器,監(jiān)測(cè)初支背部圍巖壓力及鋼拱架應(yīng)力,拱腰部位埋設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)。初支結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)在HW175型鋼支護(hù)段內(nèi)。

各測(cè)試項(xiàng)目具體測(cè)點(diǎn)布置如圖2、圖3所示。

2 支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)分析

監(jiān)測(cè)元器件埋設(shè)后,定期讀取儀器數(shù)值,記錄上中下臺(tái)階施工時(shí)間,根據(jù)元器件讀數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)變化規(guī)律分析。

圖2 初期支護(hù)變形監(jiān)測(cè)Fig.2 Initial support deformation monitoring

圖3 監(jiān)測(cè)元件布置Fig.3 Layout of monitoring elements

2.1 斷面凈空位移監(jiān)測(cè)分析

整理隧道拱頂、S1、S2的數(shù)據(jù),繪制變形時(shí)程曲線及變形率曲線,見圖4、圖5。

圖4 型鋼斷面初支變形時(shí)程曲線Fig.4 Time history curve of initial deformation of section steel section

圖5 型鋼支護(hù)斷面初支變形速率Fig.5 Initial deformation rate of section steel support section

結(jié)合上中下臺(tái)階的開挖時(shí)間,綜合分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線變化規(guī)律,可得出:

拱頂沉降與S1水平收斂變形主要分為三個(gè)階段:①急速變形階段,即上臺(tái)階開挖之后至下臺(tái)階開挖前,此時(shí)拱頂沉降與S1水平收斂急劇增長(zhǎng)。急速變形階段變形量占穩(wěn)定時(shí)累計(jì)變形量的62.6%。②快速變形階段,此階段對(duì)應(yīng)下臺(tái)階開挖至仰拱封閉成環(huán)前。拱頂沉降與S1收斂速率整體呈減慢趨勢(shì),但變形值仍在增長(zhǎng)。③穩(wěn)定變形階段,對(duì)應(yīng)仰拱封閉成環(huán)至二襯澆筑前。此階段拱頂沉降與S1收斂速率持續(xù)減小,并逐漸趨于穩(wěn)定。

中臺(tái)階S2收斂變形也分為三個(gè)階段:①急速變形階段,即中臺(tái)階開挖之后至下臺(tái)階開挖前。②快速變形階段,此階段對(duì)應(yīng)下臺(tái)階開挖至仰拱封閉成環(huán)前。該階段S2收斂整體呈減慢趨勢(shì),變形速率亦持續(xù)震蕩。③穩(wěn)定變形階段,發(fā)生在仰拱封閉成環(huán)后。此階段S2水平收斂逐步趨于穩(wěn)定。

2.2 初支背部圍巖壓力變化分析

統(tǒng)計(jì)初支結(jié)構(gòu)拱頂、拱肩、拱腰部位與圍巖接觸部位監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù),繪制測(cè)點(diǎn)圍巖壓力時(shí)程曲線,如圖6所示。

圖6 型鋼斷面圍巖壓力時(shí)程曲線Fig.6 Time history curve of surrounding rock pressure in section steel section

圍巖壓力時(shí)程曲線具備以下特性:上臺(tái)階開挖后圍巖壓力值迅速增大,處于急劇增長(zhǎng)階段。除右拱肩出現(xiàn)急劇降低外,均處于平穩(wěn)狀態(tài)。中臺(tái)階開挖后圍巖壓力緩慢增大,之后趨于穩(wěn)定。仰拱施工完成后,初支背部圍巖壓力趨于穩(wěn)定。

2.3 初支鋼拱架應(yīng)力監(jiān)測(cè)分析

初支結(jié)構(gòu)中型鋼翼緣板內(nèi)側(cè),靠近巖面?zhèn)扰c凈空面?zhèn)雀骱附右粋€(gè)鋼筋應(yīng)變計(jì),監(jiān)測(cè)翼緣板壓力讀數(shù)。繪制型鋼斷面上臺(tái)階各測(cè)點(diǎn)鋼拱架應(yīng)力時(shí)程曲線如圖7、圖8所示。

圖7 型鋼斷面巖面?zhèn)瘸踔т摷軕?yīng)力時(shí)程曲線(注:壓為負(fù))Fig.7 Stress time history curve of the initial support steel frame on the rock face side of the section steel section (Note: the pressure is negative)

鋼拱架應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明:①上臺(tái)階施工后至初支成環(huán)階段,初支結(jié)構(gòu)型鋼拱頂巖面?zhèn)?、凈空?cè)應(yīng)力均為壓應(yīng)力,在中、下臺(tái)階施工階段壓應(yīng)力振蕩變化。下臺(tái)階施工完成后至初支成環(huán)前,巖面?zhèn)燃皟艨諅?cè)型鋼壓應(yīng)力逐漸增大。初支成環(huán)后,型鋼凈空側(cè)壓應(yīng)力趨于穩(wěn)定。仰拱施工完成后,型鋼巖面?zhèn)葔毫?yīng)力逐漸減小并趨于穩(wěn)定。②初支結(jié)構(gòu)型鋼左拱肩巖面?zhèn)?、凈空?cè)均為壓應(yīng)力。上臺(tái)階施工后至下臺(tái)階施工階段,巖面?zhèn)扰c凈空側(cè)壓應(yīng)力逐漸增大。下臺(tái)階施工后至初支成環(huán)階段,巖面?zhèn)扰c凈空側(cè)壓應(yīng)力均逐漸減小,凈空側(cè)壓應(yīng)力趨于穩(wěn)定。初支成環(huán)后,巖面?zhèn)葔簯?yīng)力逐漸增大。左拱肩位于較硬片巖區(qū),由于右側(cè)薄層片巖松動(dòng)擠壓造成左拱肩壓力增加,此部位需增強(qiáng)噴射混凝土強(qiáng)度,降低初支擠壓破碎、掉塊風(fēng)險(xiǎn)。③初支結(jié)構(gòu)型鋼右拱肩巖面?zhèn)葹閴簯?yīng)力、凈空側(cè)均為拉應(yīng)力。上臺(tái)施工后至下臺(tái)階施工階段,型鋼右拱肩壓應(yīng)力先逐漸增大后逐漸減小。下臺(tái)階施工后至初支成環(huán)階段,巖面?zhèn)扰c凈空側(cè)應(yīng)力均處于穩(wěn)定水平。初支成環(huán)后至仰拱施工階段,巖面?zhèn)葔簯?yīng)力逐漸增大,型鋼右拱肩凈空側(cè)拉應(yīng)力逐漸減小。仰拱施工后,型鋼右拱肩巖面?zhèn)葔簯?yīng)力逐漸增大并趨于穩(wěn)定,但凈空側(cè)拉應(yīng)力逐漸減小,未趨于穩(wěn)定。右拱肩范圍處于薄層片巖區(qū),需加強(qiáng)該部位主動(dòng)支護(hù)措施,降低初支成環(huán)前鋼架應(yīng)力增加值。④初支結(jié)構(gòu)型鋼右拱腰巖面?zhèn)?、凈空?cè)均表現(xiàn)為由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力的變化規(guī)律,拉應(yīng)力轉(zhuǎn)壓力發(fā)生在下臺(tái)階施工后至初支成環(huán)階段內(nèi)。右拱腰噴射混凝土施工完成后至仰拱施工階段,拉應(yīng)力逐漸減小并轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力并逐漸增大。仰拱施工完成后壓應(yīng)力持續(xù)增大。⑤下臺(tái)階施工后至初支成環(huán)階段,初支結(jié)構(gòu)型鋼左拱腰巖面?zhèn)壤瓚?yīng)力逐漸減小,并在初支成環(huán)前轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力。初支成環(huán)后至仰拱施工階段,巖面?zhèn)葔簯?yīng)力逐漸減小,在仰拱施工后,壓應(yīng)力小幅度增大并趨于穩(wěn)定。初支結(jié)構(gòu)型鋼左拱腰凈空側(cè)表現(xiàn)為壓應(yīng)力,自此部位噴射混凝土完成后,在初支成環(huán)時(shí)有小幅波動(dòng)。因此左拱腰巖面?zhèn)葢?yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變易出現(xiàn)噴射混凝土開裂、掉塊,需加強(qiáng)左拱腰部分噴射混凝土強(qiáng)度。

圖8 型鋼斷面凈空側(cè)初支鋼架應(yīng)力時(shí)程曲線(注:壓為負(fù))Fig.8 Stress time history curve of the initial support steel frame on the clearance side of the section steel section (Note: the pressure is negative)

2.4 圍巖深部位移分析

選擇型鋼支護(hù)斷面右拱腰位置埋設(shè)多點(diǎn)位移計(jì),監(jiān)測(cè)圍巖深部位移,繪制圍巖深部位移時(shí)程曲線如圖9所示。

圖9 圍巖深部位移時(shí)程曲線Fig.9 Time shift curveof the deep part of the surrounding rock

測(cè)試結(jié)果顯示,圍巖松動(dòng)圈范圍推測(cè)在5～10 m,其中5 m、10 m、15 m處實(shí)測(cè)圍巖深部位移分別為18.93 mm、26.98 mm、27.20 mm,且深部位移曲線表現(xiàn)出如下特性:5 m處圍巖位移(1～25 d)一直處于震蕩狀態(tài),其后位移逐漸平穩(wěn)。10 m處圍巖(1～12 d)位移急劇增加,其后位移緩慢增長(zhǎng)。15m處圍巖(1～3 d)位移急劇增加至22.1 mm,其后位移緩慢增長(zhǎng)并趨于平穩(wěn)。

3 結(jié)論

薄層片巖HW175型鋼支護(hù)段落,結(jié)合上、中、下臺(tái)階開挖,初支結(jié)構(gòu)變形分為三個(gè)變形階段,即掌子面上臺(tái)階開挖之后至下臺(tái)階開挖的急速變形階段、下臺(tái)階開挖至仰拱封閉成環(huán)前的快速變形階段,仰拱封閉成環(huán)至二襯澆筑前的穩(wěn)定變形階段。急速變形階段初支結(jié)構(gòu)變形量大,是初支結(jié)構(gòu)應(yīng)力釋放的關(guān)鍵階段,也是控制初支結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵階段。

根據(jù)上、中、下臺(tái)階開挖前后圍巖初支背部圍巖壓力監(jiān)測(cè)曲線分析結(jié)果,初支結(jié)構(gòu)背部圍巖變化分為急速增長(zhǎng)階段、緩慢增大階段、趨于穩(wěn)定階段,即上臺(tái)階開挖后初支結(jié)構(gòu)背部圍巖壓力值急劇增長(zhǎng)階段、中臺(tái)階開挖后圍巖壓力緩慢增長(zhǎng)階段、仰拱施工完成后初支背部圍巖壓力趨于穩(wěn)定階段。

上臺(tái)階施工后至下臺(tái)階施工階段,初支結(jié)構(gòu)型鋼拱頂、拱肩部位鋼架應(yīng)力逐漸增大;下臺(tái)階施工后至初支成環(huán)階段,拱頂部位鋼架應(yīng)力持續(xù)增大,左拱肩巖面?zhèn)蠕摷軕?yīng)力減小;初支成環(huán)后,左拱肩巖面?zhèn)蠕摷軕?yīng)力先增大后趨于穩(wěn)定。下臺(tái)階施工后至初支成環(huán)階段,左、右拱腰部分巖面?zhèn)壤瓚?yīng)力先減小后轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力,壓應(yīng)力逐漸增加,左拱腰應(yīng)力大于右拱腰應(yīng)力,因此拱頂壓應(yīng)力持續(xù)增加,拱腰部位應(yīng)力形式轉(zhuǎn)變。左拱肩位于較硬片巖區(qū),由于右側(cè)薄層片巖松動(dòng)擠壓造成左拱肩壓力增加,極易導(dǎo)致噴射混凝土開裂、掉塊,需提高噴射混凝土強(qiáng)度。右拱肩處于薄層片巖區(qū),需加強(qiáng)主動(dòng)支護(hù)措施,降低初支成環(huán)前鋼架應(yīng)力增加值,提升初支結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

右側(cè)拱腰薄層片巖區(qū)多點(diǎn)位移計(jì)顯示,圍巖松動(dòng)圈范圍推測(cè)在5～10 m,初支右側(cè)薄層區(qū)主動(dòng)支護(hù)中錨桿長(zhǎng)度需大于松動(dòng)圈范圍,降低初支結(jié)構(gòu)變形量引起的噴射混凝土開裂、掉塊風(fēng)險(xiǎn),采用徑向注漿措施,提升松動(dòng)圈破碎體整體性與承載力。