淺埋富水軟弱圍巖隧道支護(hù)受力特征及方案研究

萬(wàn) 飛，譚忠盛，楊森森，馬 棟

（1.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所，北京 100088；2.北京交通大學(xué)土木工程建筑學(xué)院，北京 100044；3.中國(guó)鐵建十六局集團(tuán)有限公司，北京 100018)

淺埋富水軟弱圍巖隧道支護(hù)受力特征及方案研究

萬(wàn) 飛1，譚忠盛2，楊森森2，馬 棟3

（1.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所，北京 100088；2.北京交通大學(xué)土木工程建筑學(xué)院，北京 100044；3.中國(guó)鐵建十六局集團(tuán)有限公司，北京 100018)

依托關(guān)角隧道河谷淺埋段，展開(kāi)富水軟弱圍巖隧道支護(hù)受力特征及方案的研究。對(duì)試驗(yàn)段的初支圍巖壓力、鋼架應(yīng)力、錨桿軸力、襯砌水壓力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明：初支應(yīng)力不能得到有效控制、突水突泥塌方現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，現(xiàn)有的支護(hù)方案無(wú)法滿足淺埋段安全施工要求。在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)綜合分析，對(duì)支護(hù)方案作出調(diào)整。在Ⅴ級(jí)圍巖區(qū)段，拱部120°范圍設(shè)超前管棚和小導(dǎo)管，寬大節(jié)理掌子面超前小導(dǎo)管注漿加固，初期支護(hù)取消系統(tǒng)錨桿，采用I20型鋼鋼架和拱墻設(shè)雙層鋼筋網(wǎng)；在Ⅵ級(jí)圍巖區(qū)段，超前支護(hù)采用管棚工作室施作拱部180°及以下1 m范圍的0°角長(zhǎng)管棚，全斷面超前水平鉆孔注漿，初期支護(hù)取消系統(tǒng)錨桿，采用I20型鋼鋼架、三臺(tái)階型鋼臨時(shí)橫撐和雙層防水板。研究成果可為河谷淺埋隧道支護(hù)方案的確定提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為同類工程的設(shè)計(jì)與施工決策提供借鑒。

隧道工程；河谷淺埋；軟弱圍巖；支護(hù)方案；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

1 前言

軟弱圍巖隧道淺埋段下穿河谷通常地下水富存，裂隙間具較好的聯(lián)通性，洞內(nèi)地下水與地表水聯(lián)系明顯，且由于圍巖軟弱破碎，強(qiáng)度低、透水性大、易變形，隨時(shí)都有可能給工程帶來(lái)塌通、涌水、突水突泥的危險(xiǎn)。

合理的支護(hù)方案的確定是隧道穿越軟弱圍巖段的關(guān)鍵所在。目前國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究并取得了一些成果[1～6]。茍定才和黃潤(rùn)秋等[7]對(duì)渝懷線圓梁山隧道冷水河水流量進(jìn)行觀測(cè)，研究結(jié)果表明冷水河河床在隧道冷水河谷淺埋段存在較大規(guī)模的滲漏，建議施工中采取高壓注漿止水措施。張青龍等[8]基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料對(duì)富水軟巖隧道的變形特性及變形機(jī)制進(jìn)行分析，認(rèn)為要盡量減少對(duì)側(cè)墻圍巖的擾動(dòng)，采取措施對(duì)側(cè)墻處圍巖進(jìn)行預(yù)先加固，一次支護(hù)應(yīng)及早封閉，加強(qiáng)側(cè)墻支護(hù)剛度。陳耕野等[9]對(duì)韓家?guī)X四車道特大斷面隧道施工進(jìn)行了應(yīng)力測(cè)試，認(rèn)為噴混凝土和錨桿在初期支護(hù)結(jié)構(gòu)中，對(duì)圍巖變形只起到協(xié)同與輔助的支撐作用，鋼拱架和圍巖的自承能力起主要支撐作用。

關(guān)角隧道進(jìn)口河谷淺埋段施工中出現(xiàn)了數(shù)次突發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，造成停工長(zhǎng)達(dá)1年之久，嚴(yán)重影響了工程進(jìn)度。河谷淺埋段由于隧道與地表河溝有水力聯(lián)通，地表徑流及降水對(duì)洞內(nèi)圍巖影響極大，洞內(nèi)圍巖巖體破碎、來(lái)壓快，往往在未出現(xiàn)大變形的征兆下，就突發(fā)塌方現(xiàn)象。為了獲得河谷淺埋段的合理支護(hù)方案，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)手段，對(duì)圍巖壓力、鋼拱架應(yīng)力、錨桿軸力、襯砌水壓力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)工作。本文在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分析了支護(hù)體系的受力特征，并對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行研究。

2 工程概況

新建的關(guān)角隧道是新建青藏鐵路西格二線具有控制性、標(biāo)志性特點(diǎn)的重點(diǎn)、難點(diǎn)工程，正洞總長(zhǎng)度為32.645 km，中鐵十六局集團(tuán)有限公司承擔(dān)進(jìn)口段17.372 km（雙線）施工任務(wù)，由正洞進(jìn)口及7座輔助斜井（5座斜井在1 000 m以上，最長(zhǎng)斜井為2 808 m）展開(kāi)施工，正洞、斜井及橫通道總長(zhǎng)為47.694 km（單線）。

關(guān)角隧道正洞進(jìn)口海拔3 447 m，施工經(jīng)過(guò)河溝淺埋段DYK281+765～282+165，局部埋深不足40 m，此段圍巖主要為志留系變質(zhì)砂巖夾板巖，以變質(zhì)砂巖為主，局部為夾板巖及少量千枚巖，變質(zhì)砂巖占70%，局部呈不等厚互層狀。變質(zhì)砂巖為中、細(xì)粒結(jié)構(gòu)，中薄層狀為主，單層厚10～40 cm；板巖呈粉砂質(zhì)、泥狀結(jié)構(gòu)，巖體受構(gòu)造影響嚴(yán)重，節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體破碎，以Ⅳ級(jí)軟石及Ⅴ級(jí)次堅(jiān)石為主。隧道上部為季節(jié)性流水河溝，豐水期水量較大，河溝內(nèi)的卵碎石地層厚約13 m，含水性、透水性好；下伏基巖節(jié)理、裂隙發(fā)育，節(jié)理、裂隙間具較好的聯(lián)通性，洞身開(kāi)挖后地下水與地表聯(lián)通明顯，地表水下滲較嚴(yán)重，洞內(nèi)地下水較發(fā)育，正常涌水量Qst=2 674.4 m3/d，最大涌水量Qmax=5 348.8 m3/d，在水壓力作用下，易發(fā)生突泥，如圖1所示。

圖1 河谷淺埋段示意圖Fig.1 Schematic diagram of shallow buried section under valley

在試驗(yàn)段將隧道的施工工法進(jìn)行轉(zhuǎn)換，改短兩臺(tái)階法為三臺(tái)階預(yù)留核心土環(huán)形導(dǎo)坑法開(kāi)挖，具體施工流程簡(jiǎn)化如下。

第1步：施作拱部超前支護(hù)后，上臺(tái)階預(yù)留核心土開(kāi)挖，開(kāi)挖高度3 m，進(jìn)尺0.5 m，核心土高度為1.5 m，長(zhǎng)度為2 m，兩側(cè)距開(kāi)挖輪廓2 m，三面按施工需要適當(dāng)放坡。開(kāi)挖后立即進(jìn)行支護(hù)。

第2步：中臺(tái)階在上臺(tái)階初期支護(hù)穩(wěn)定后開(kāi)挖，中臺(tái)階滯后上臺(tái)階約3 m，中臺(tái)階開(kāi)挖高度為3.2 m，中臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)左右錯(cuò)開(kāi)1 m，開(kāi)挖進(jìn)尺0.5 m，開(kāi)挖后立即進(jìn)行支護(hù)。

第3步：下臺(tái)階在中臺(tái)階初期支護(hù)穩(wěn)定后開(kāi)挖，下臺(tái)階滯后中臺(tái)階約3 m，開(kāi)挖進(jìn)尺0.5 m。下臺(tái)開(kāi)挖時(shí)左右錯(cuò)開(kāi)1 m。開(kāi)挖后立即進(jìn)行支護(hù)。

第4步：開(kāi)挖核心土，開(kāi)挖進(jìn)尺與上臺(tái)階循環(huán)進(jìn)尺相同。

第5步：仰拱開(kāi)挖落底并及時(shí)施作仰拱初期支護(hù)和仰拱填充混凝土，及早封閉成環(huán)，保證距掌子面不超過(guò)30 m。

圖2 隧道施工步序圖Fig.2 The excavation procedures of tunnel

試驗(yàn)段具體的支護(hù)參數(shù)如下。

1）超前支護(hù)：拱部120°范圍設(shè)?42超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)，小導(dǎo)管長(zhǎng)度為3.5 m，注雙液漿，環(huán)向間距30 cm。

2）初期支護(hù)：邊墻設(shè)?22砂漿錨桿，長(zhǎng)3.0 m，間距1.2 m×1.0 m（環(huán)向×縱向），按梅花型布置。拱墻網(wǎng)噴混凝土厚25 cm，設(shè)?8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm，拱墻設(shè)2榀/m的I16型鋼鋼架，仰拱素噴混凝土厚10 cm，噴混凝土采用濕噴工藝施工。

3 測(cè)點(diǎn)布置

為了掌握淺埋河谷段隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特征，并最終確定其支護(hù)參數(shù)，共設(shè)置2個(gè)試驗(yàn)斷面，監(jiān)測(cè)內(nèi)容見(jiàn)表1，監(jiān)測(cè)儀器布置如圖3所示。

表1 測(cè)試斷面和項(xiàng)目Table 1 Test sections and items

圖3 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測(cè)布置圖Fig.3 Arrangement plan for measuring force in support system

根據(jù)開(kāi)挖后的地質(zhì)調(diào)查，兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的地質(zhì)條件較為接近，地層以志留系變質(zhì)砂巖為主，巖體受風(fēng)化、構(gòu)造影響嚴(yán)重，巖體破碎，層間結(jié)合力差。開(kāi)挖后，拱墻掉塊、拱部線狀滴水、邊墻股狀出水，整體穩(wěn)定性差。DK281+855斷面為Ⅴ級(jí)圍巖，DYK281+898斷面掌子面有突泥突砂現(xiàn)象、坍塌嚴(yán)重，為Ⅵ級(jí)圍巖。河谷淺埋段圍巖情況及試驗(yàn)斷面情況如圖4所示。

4 Ⅴ級(jí)圍巖測(cè)試結(jié)果及支護(hù)方案

4.1 初支圍巖壓力

左邊墻測(cè)點(diǎn)在測(cè)試過(guò)程中損壞，圍巖壓力時(shí)態(tài)曲線如圖5所示，應(yīng)力分布如圖6所示。

圖4 試驗(yàn)斷面布置圖Fig.4 Positions of test sections

圖5 圍巖壓力時(shí)態(tài)曲線Fig.5 Timing curve of surrounding rock pressure

由圖5、圖6可以看出：a.中臺(tái)階右開(kāi)挖當(dāng)日，右拱腰處圍巖壓力突然降低，變化19 kPa，在中臺(tái)階支護(hù)完成后，右拱腰處圍巖壓力又突然增大，變化達(dá)47 kPa，其余測(cè)點(diǎn)處圍巖壓力在支護(hù)完成當(dāng)日達(dá)到最大值，之后隨時(shí)間逐漸減??；b.仰拱開(kāi)挖后，右拱腰處圍巖壓力減小，仰拱填充施作完成后，拱腰處圍巖壓力又增大，然后趨于穩(wěn)定；c.穩(wěn)定后的斷面土壓在8～507 kPa，斷面壓力分布不均，其中右拱腰處壓力最大，達(dá)到506.7 kPa。

圖6 圍巖壓力分布圖（單位：kPa）Fig.6 Distribution maps of surrounding rock pressure（unit：kPa）

4.2 鋼架應(yīng)力

外環(huán)仰拱右，內(nèi)環(huán)左拱腳、仰拱右測(cè)點(diǎn)在測(cè)試過(guò)程中損壞，鋼架應(yīng)力時(shí)態(tài)曲線如圖7所示，應(yīng)力分布如圖8所示。

圖7 鋼架應(yīng)力時(shí)態(tài)曲線Fig.7 Timing curve of stress in steel frame

圖8 鋼架應(yīng)力分布圖（單位：MPa）Fig.8 Distribution maps of stress in steel frame(unit：MPa)

由圖7、圖8可以看出：a.中臺(tái)階右開(kāi)挖及支護(hù)對(duì)右拱腳內(nèi)側(cè)應(yīng)力影響顯著，應(yīng)力變化達(dá)174 MPa；b.初支鋼架內(nèi)外側(cè)主要受壓，個(gè)別部位受拉，且拉應(yīng)力較小，最大拉應(yīng)力僅為50.7 MPa。右拱腳內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力最大，達(dá)610.7 MPa；拱頂內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力次之，為558.2 MPa。

4.3 錨桿軸力

錨桿軸力時(shí)態(tài)曲線如圖9所示，錨桿軸力分布如圖10所示。

圖9 錨桿軸力時(shí)態(tài)曲線Fig.9 Timing curve of axial force of rock bolts

圖10 錨桿軸力分布圖（單位：kN）Fig.10 Distribution maps of axial force of rock bolts（unit：kN）

由圖9、圖10可以看出。

1）左邊墻錨桿施作初期，軸力變化劇烈，0.4 m、1.3 m測(cè)點(diǎn)拉力最大值達(dá)到70.1 kN、2.2 m測(cè)點(diǎn)拉力最大值達(dá)到20.1 kN，之后隨時(shí)間逐漸減小，并在仰拱封閉后開(kāi)始趨于穩(wěn)定。

2）各測(cè)點(diǎn)埋設(shè)初期均受拉，隨時(shí)間逐漸減小。錨桿受力穩(wěn)定后，各測(cè)點(diǎn)基本均受壓，其中左邊墻錨桿1.3 m測(cè)點(diǎn)處壓力最大，達(dá)34.8 kN。

3）由錨桿前期受拉后期受壓的規(guī)律可以看出，左邊墻處圍巖松動(dòng)圈在逐漸擴(kuò)大，當(dāng)大于錨桿長(zhǎng)度時(shí)，錨桿開(kāi)始受壓。在仰拱未封閉時(shí)，邊墻塊體會(huì)不斷變形破碎，最終由形變壓力轉(zhuǎn)變?yōu)樗缮毫ΑＲ虼嗽谘龉拔捶忾]段需要臨時(shí)橫支撐的輔助。

4.4 襯砌水壓力

襯砌水壓時(shí)態(tài)曲線如圖11所示，水壓分布如圖12所示。

圖11 襯砌水壓時(shí)態(tài)曲線Fig.11 Timing curve of water pressure on lining

圖12 襯砌水壓分布圖（單位：kPa）Fig.12 Distribution maps of water pressure on lining(unit:kPa)

由圖11、圖12可以看出：a.各部位測(cè)點(diǎn)水壓隨時(shí)間而逐漸增大，二襯施作15天后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；b.襯砌各部位穩(wěn)定后的水壓在13～142 kPa，其中右拱腰和仰拱較大，分別為141.4 kPa和60.5 kPa。

4.5 施工工序?qū)χёo(hù)體系的影響

1）中臺(tái)階開(kāi)挖造成初支圍巖壓力、初支應(yīng)力均出現(xiàn)先減小再增大的趨勢(shì)，說(shuō)明中臺(tái)階開(kāi)挖破除了上臺(tái)階初期支護(hù)的下部支承，從而使初支圍巖壓力及初支應(yīng)力都出現(xiàn)下降趨勢(shì)，并在邊墻支護(hù)施作后，隨圍巖壓力釋放系數(shù)的增大而增大。

2）下臺(tái)階開(kāi)挖初支壓力及支護(hù)應(yīng)力基本沒(méi)有影響，分析原因是因?yàn)槌跗谥ёo(hù)噴混凝土已經(jīng)凝固，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，已經(jīng)穩(wěn)定，上部初期支護(hù)已形成整體。因此臺(tái)階設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該在初期支護(hù)噴混凝土穩(wěn)定后再開(kāi)挖下部臺(tái)階。

3）仰拱封閉使初支壓力和支護(hù)應(yīng)力趨于收斂，說(shuō)明仰拱的施作完善了初期支護(hù)體系，因此應(yīng)盡早施作仰拱襯砌。

4）二次襯砌施作并未明顯影響初支壓力和支護(hù)應(yīng)力，說(shuō)明二次襯砌施作前初期支護(hù)已經(jīng)穩(wěn)定，二次襯砌基本不承受荷載，主要作為安全儲(chǔ)備使用。

4.6 改進(jìn)支護(hù)方案

由于施工中多次出現(xiàn)突泥和掌子面滑塌的現(xiàn)象，在施工后期對(duì)超前支護(hù)及初期支護(hù)進(jìn)行了改進(jìn)。超前支護(hù)形式為超前管棚和超前小導(dǎo)管，初期支護(hù)形式為噴錨支護(hù)，如圖13所示。改進(jìn)措施如下。

圖13 Ⅴ級(jí)圍巖支護(hù)方案Fig.13 Support scheme in V class surrounding rock section

1）淺埋河谷段施工初期，采用小導(dǎo)管超前支護(hù)手段，在掘進(jìn)至DYK281+855時(shí)拱部發(fā)生了突泥現(xiàn)象，說(shuō)明小導(dǎo)管對(duì)拱頂?shù)募庸绦Ч焕硐?。因此施工后期采用超前管棚?duì)拱部進(jìn)行超前支護(hù)，同時(shí)管棚太長(zhǎng)時(shí)施作的精度就難以保證，有的管棚離開(kāi)挖輪廓線較遠(yuǎn)，如果不加以保護(hù)，這部分圍巖很容易坍塌。并且長(zhǎng)管棚注漿加固范圍有限，很難達(dá)到4 m的加固圈。為此在開(kāi)挖過(guò)程中，需施作小導(dǎo)管注漿補(bǔ)強(qiáng)。

2）由于拱墻滲水較嚴(yán)重，噴混凝土成形效果不理想，采用雙層?8鋼筋網(wǎng)可以有效減小噴混凝土的回彈率，并保證噴混凝土與巖面粘結(jié)牢固。

3）由錨桿試驗(yàn)結(jié)果看出，3 m長(zhǎng)錨桿不能穿過(guò)松動(dòng)圈，錨桿未發(fā)揮支護(hù)作用。采用圍巖松動(dòng)圈理論，得到河溝淺埋段Ⅴ級(jí)圍巖錨桿長(zhǎng)度至少應(yīng)為4.9 m?？紤]到施工難度大和組合支護(hù)體系中各結(jié)構(gòu)的支護(hù)機(jī)理不匹配的原因，建議取消系統(tǒng)錨桿。

4）鋼架試驗(yàn)結(jié)果顯示鋼架最大壓應(yīng)力達(dá)610.7 MPa，因此后期需要采用承載力更大的I20型鋼鋼架。

5）由于隧道正處于淺埋河溝段，洞周圍巖破碎、裂隙發(fā)育，穩(wěn)定性差，并與地表連通現(xiàn)象明顯，地表水下滲現(xiàn)象較嚴(yán)重，已開(kāi)挖地段拱墻沿裂隙有股狀涌水，且涌水量較大，開(kāi)挖揭露的寬大節(jié)理都有可能成為地表水的下滲通道，在開(kāi)挖前對(duì)節(jié)理進(jìn)行超前加固，對(duì)可能的透水通道進(jìn)行封堵，可有效地防止突泥突水現(xiàn)象的發(fā)生。

5 Ⅵ級(jí)圍巖測(cè)試結(jié)果及支護(hù)方案

5.1 初支圍巖壓力

圍巖壓力時(shí)態(tài)曲線如圖14所示，應(yīng)力分布如圖15所示。

圖14 圍巖壓力時(shí)態(tài)曲線Fig.14 Timing curve of surrounding rock pressure

圖15 圍巖壓力分布圖（單位：kPa）Fig.15 Distribution maps of surrounding rock pressure(unit：kPa)

由圖14、圖15可以看出。

1）下臺(tái)階右側(cè)開(kāi)挖后的兩天內(nèi)，拱頂處圍巖壓力出現(xiàn)短期的突增，平均變化率為6.8 kPa/d。下臺(tái)階左側(cè)開(kāi)挖后，右拱腳處圍巖壓力突然增大，平均變化率為5.5 kPa/d。其余測(cè)點(diǎn)處圍巖壓力緩慢增大。

2）仰拱封閉后，各測(cè)點(diǎn)開(kāi)始收斂，趨于穩(wěn)定。

3）二襯施作后，各測(cè)點(diǎn)均出現(xiàn)壓力陡增或陡降的現(xiàn)象，圍巖迅速達(dá)到平衡，且壓力變化率不大。

4）穩(wěn)定后的斷面壓力在0～160 kPa，其中拱頂和仰拱右處壓力較大，分別為134.3 kPa和160 kPa。

5.2 鋼架應(yīng)力

鋼架應(yīng)力時(shí)態(tài)曲線如圖16所示，應(yīng)力分布如圖17所示。

圖16 鋼架應(yīng)力時(shí)態(tài)曲線Fig.16 Timing curve of stress in steel frame

圖17 鋼架應(yīng)力分布圖（單位：MPa）Fig.17 Distribution maps of stress in steel frame（unit：MPa）

由圖16、圖17可以看出。

1）初支鋼架的內(nèi)外側(cè)均受壓。左拱腰外側(cè)應(yīng)力最大，達(dá)560.8 MPa；拱頂外側(cè)壓應(yīng)力次之，為340.5 MPa。測(cè)試值已超過(guò)鋼架強(qiáng)度，分析原因是由于測(cè)試儀器為表面應(yīng)變計(jì)，通過(guò)測(cè)試鋼架的應(yīng)變從而換算出鋼架應(yīng)力，說(shuō)明此時(shí)鋼架已經(jīng)進(jìn)入屈服階段，出現(xiàn)了大應(yīng)變，此時(shí)的應(yīng)力值已無(wú)法代表鋼架的真實(shí)受力情況。

2）鋼架施作初期，鋼架應(yīng)力劇烈變化，鋼架在施作后立刻承擔(dān)荷載，最大應(yīng)力變化率達(dá)到433.9 MPa/d出現(xiàn)在左拱腰處。

3）仰拱封閉后鋼架應(yīng)力趨于穩(wěn)定。二襯施工完成，鋼架應(yīng)力變化率突增后，才最終穩(wěn)定。

5.3 錨桿軸力

右邊墻2.2 m處測(cè)點(diǎn)在測(cè)試過(guò)程中損壞，錨桿軸力時(shí)態(tài)曲線如圖18所示，錨桿軸力分布如圖19所示。

圖18 錨桿軸力時(shí)態(tài)曲線Fig.18 Timing curve of axial force of rock bolts

圖19 錨桿軸力分布圖（單位：kN）Fig.19 Distribution maps of axial force of rock bolts（unit：kN）

由圖18、圖19可以看出：a.錨桿安設(shè)后，其軸力隨時(shí)間逐漸增大，不同深度處測(cè)點(diǎn)的軸力差異較大，各測(cè)點(diǎn)在施作8天后開(kāi)始趨于穩(wěn)定，二襯施作后，錨桿軸力突變后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；b.右拱腳錨桿各測(cè)點(diǎn)均受拉，0.4 m測(cè)點(diǎn)拉力最大，達(dá)到46.3 kN，其余測(cè)桿處各測(cè)點(diǎn)基本都受壓，左邊墻處2.2 m測(cè)點(diǎn)壓力最大，達(dá)到13.8 kN。

5.4 襯砌水壓力

襯砌水壓時(shí)態(tài)曲線如圖20所示，水壓分布如圖21所示。

圖20 襯砌水壓時(shí)態(tài)曲線Fig.20 Timing curve of water pressure on lining

圖21 襯砌水壓分布圖（單位：kPa）Fig.21 Distribution maps of water pressure on lining(unit:kPa)

由圖20、圖21可以看出：a.由于仰拱超前二次襯砌施作，仰拱測(cè)點(diǎn)首先承受水壓，并隨著時(shí)間逐漸增大，二襯施作后，其他測(cè)點(diǎn)水壓同樣隨著時(shí)間逐漸增大；b.襯砌各部位水壓分布較均勻，穩(wěn)定后的水壓在30～90 kPa，其中右拱腰和左邊墻較大，分別為83.9 kPa和74.8 kPa。

5.5 施工工序?qū)χёo(hù)體系的影響

1）中臺(tái)階在上臺(tái)階支護(hù)6天后開(kāi)挖，此時(shí)噴射混凝土已硬化，初期支護(hù)基本已經(jīng)穩(wěn)定，上臺(tái)階初期支護(hù)基本不受中臺(tái)階開(kāi)挖的影響。

2）下臺(tái)階開(kāi)挖對(duì)拱部測(cè)點(diǎn)壓力影響明顯，即初支圍巖壓力受下臺(tái)階開(kāi)挖和圍巖壓力釋放的影響而突然增大。

3）仰拱封閉使圍巖壓力和支護(hù)應(yīng)力趨于收斂，說(shuō)明仰拱的施作完善了初期支護(hù)體系，因此應(yīng)盡早施作仰拱襯砌。

4）二次襯砌施作后，由于二次襯砌剛度很高，限制了圍巖壓力的釋放，短時(shí)間內(nèi)圍巖達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)，因此初支壓力、支護(hù)應(yīng)力、錨桿軸力變化率突然增大，之后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

5.6 改進(jìn)支護(hù)方案

超前支護(hù)形式為超前管棚、超前小導(dǎo)管和超前水平注漿加固，初期支護(hù)形式為噴錨支護(hù)，改進(jìn)措施如下。

1）在按照初期改進(jìn)支護(hù)方案施工過(guò)程中，超前管棚仰角過(guò)大，管間和管下巖塊掉落現(xiàn)象嚴(yán)重。施工中側(cè)墻位置處多次出現(xiàn)裂縫、大變形，如DYK281+903～DYK281+914段線路右側(cè)邊墻鋼架整體變形，最大變形量達(dá)42 cm，裂縫寬度約15 cm。因此后期采用管棚工作室施作0°角長(zhǎng)管棚，將管棚施作范圍由120°變更為180°及以下1 m。

2）由于地下水較發(fā)育，拱部線狀滴水，邊墻股狀出水，掌子面有突泥突砂現(xiàn)象且坍塌嚴(yán)重。地下水的富存導(dǎo)致圍巖整體性降低、承載能力下降，因此后期采用全斷面超前水平鉆孔注漿加固堵水，將地下水隔離于隧道之外。

3）采用圍巖松動(dòng)圈理論，得到河溝淺埋段Ⅴ級(jí)圍巖錨桿長(zhǎng)度至少應(yīng)為7 m?？紤]到施工難度大和組合支護(hù)體系中各結(jié)構(gòu)的支護(hù)機(jī)理不匹配的原因，建議取消系統(tǒng)錨桿。

4）由試驗(yàn)結(jié)果知圍巖壓力分布不均勻，拱頂和左邊墻處壓力較大，偏壓現(xiàn)象較嚴(yán)重。上、中、下臺(tái)階設(shè)置I16臨時(shí)橫撐可以平衡洞室變形，抵抗偏壓作用。

5）由于拱墻滲水較嚴(yán)重，為減小無(wú)紡布吸水后的作業(yè)難度，后期采用防水板代替無(wú)紡布，即鋪設(shè)雙層防水板。

6 工程應(yīng)用效果分析

施工中塌方情況見(jiàn)表2。河谷淺埋段拱頂沉降如圖22所示。

表2 施工塌方情況統(tǒng)計(jì)Table 2 Collapse statistics

由塌方發(fā)生情況可以看出，Ⅴ級(jí)圍巖區(qū)段采用原設(shè)計(jì)支護(hù)方案共發(fā)生三次滑塌、突泥現(xiàn)象，Ⅵ級(jí)圍巖區(qū)段采用初期改進(jìn)支護(hù)方案發(fā)生一次坍塌現(xiàn)象。在施工后期采用改進(jìn)的支護(hù)方案后，未出現(xiàn)過(guò)塌方現(xiàn)象。

圖22 河谷淺埋段拱頂沉降Fig.22 Vault settlement of shallow buried section under valley

由河谷淺埋段拱頂沉降曲線看出，Ⅴ級(jí)圍巖區(qū)段采用原設(shè)計(jì)支護(hù)方案拱頂沉降在20 mm左右，施工后期采用改進(jìn)的支護(hù)方案沉降控制在12.5 mm左右。Ⅵ級(jí)圍巖區(qū)段采用原設(shè)計(jì)支護(hù)方案拱頂沉降26 mm左右，支護(hù)方案改進(jìn)后拱頂沉降控制在16.5 mm左右。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)段支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)及結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行改進(jìn)，綜合分析后得到如下結(jié)論。

1）在淺埋河谷隧道Ⅴ級(jí)圍巖區(qū)段，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明鋼架應(yīng)力大，達(dá)到610 MPa，超過(guò)了I16型鋼的屈服強(qiáng)度；圍巖壓力分布不均，說(shuō)明圍巖仍較破碎，注漿效果不明顯；錨桿受壓，3 m錨桿長(zhǎng)度未穿過(guò)松動(dòng)圈。經(jīng)過(guò)對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，超前支護(hù)變更為拱部120°范圍超前管棚和小導(dǎo)管，取消系統(tǒng)錨桿，型鋼變更為I20型鋼，寬大節(jié)理掌子面超前小導(dǎo)管注漿加固，拱墻設(shè)雙層鋼筋網(wǎng)。

2）在淺埋河谷隧道Ⅵ級(jí)圍巖區(qū)段，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明鋼架應(yīng)力變化劇烈且受力過(guò)大，荷載主要由鋼架承擔(dān)，施作后兩天內(nèi)便達(dá)到峰值，壓應(yīng)力達(dá)到560.8 MPa，超過(guò)了型鋼的屈服強(qiáng)度；圍巖壓力分布不均勻，拱頂和左邊墻處壓力較大，說(shuō)明拱部及邊墻圍巖破碎需要進(jìn)行加固；錨桿大部分受壓，3 m錨桿長(zhǎng)度未穿過(guò)松動(dòng)圈。經(jīng)過(guò)對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定了超前支護(hù)為管棚工作室施作拱部180°及以下1 m范圍0°角長(zhǎng)管棚和小導(dǎo)管，全斷面超前水平鉆孔注漿，取消系統(tǒng)錨桿，I16型鋼臨時(shí)橫撐，雙層防水板的支護(hù)方案。

采用改進(jìn)后的支護(hù)方案，隧道安全快速地通過(guò)了長(zhǎng)達(dá)400 m的河谷淺埋段，測(cè)試數(shù)據(jù)為此類地層條件設(shè)計(jì)施工提供了重要的理論依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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Study on support mechanical behaviour and scheme for shallow buried tunnel in weak surrounding rock with rich water

Wan Fei1，Tan Zhongsheng2，Yang Sensen2，Ma Dong3

(1.Research Institute of Highway Ministry of Transport，Beijing 100088，China；2.School of Civil Engineering and Architecture，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；3.China Railway 16th Bureau Group Co.，Ltd.，Beijing 100018，China)

Shallow buried section under river valley of Guanjiao tunnel has been done a series of research on support mechanical behaviour and scheme for tunnel in weak surrounding rock with rich water.Pressure of surrounding rock，stress in the steel frames，axial force of rock bolts and water pressure on lining are obtained by monitoring in test section.The result indicates that primary support can’t be effectively controlled，inrush of clay and water and collapse occour sometimes，and the present support scheme can’t meet the safe construction requirements.By a comprehensive analysis of monitoring data，adjustment to support scheme is made.InⅤ class surrounding rock section，lead pipe-shed and small pipe is set in the range of 120°at arch part；grouting reinforcement with small pipe is conducted in wide joints of driving face.Five meters grouted rock bolts，I20 steel frames and double layer mesh at arch wall constitute the primary support.InⅥ class surrounding rock section，0°lead pipe-shed set with pipe shed workroom in the range of 180°at arch part and 1 m below and whole section advance level drilling grouting are the main measures of advance support；7.5 m self-drilling bolt，I20 steel frames，steel temporary support and double waterproof board constitute the primary support.These research results can provide theoretical basis and underlying data for support scheme for shallow buried tunnel under river valley，and have high referential value for design and construction decision-making of analogous project.

tunnel project；shallow buried under river valley；weak surrounding rock；support scheme；field monitoring

U45

A

1009-1742（2014）08-0045-09

2013-03-26

鐵道部科技開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目重點(diǎn)課題（2008G030-E）

萬(wàn) 飛，1982年出生，男，山東東營(yíng)市人，博士研究生，主要從事隧道及地下工程方面的研究工作；E-mail：dywf5167@163.com