某隧道極高地應(yīng)力下變形控制技術(shù)探討

鄭 偉 張 磊

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

六盤(pán)水至沾益鐵路三聯(lián)隧道為設(shè)計(jì)速度 160 km/h的雙線隧道，全長(zhǎng) 12 214 m，是全線第二長(zhǎng)隧道。隧道處于云貴高原中部低中山地貌，最大埋深約280 m，隧道通過(guò)地層為二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組(P2β)玄武巖夾凝灰?guī)r；宣威群(P2xn)砂巖夾頁(yè)巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖、煤層；三迭系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)砂巖夾泥巖、頁(yè)巖。全隧通過(guò)6條斷層及1個(gè)向斜，縱斷面如圖1所示。

三聯(lián)隧道1號(hào)斜井工區(qū)在玄武巖夾凝灰?guī)r與煤系地層接觸帶附近(D1K 305+940～D1K 307+120)施工時(shí)，雖對(duì)支護(hù)措施進(jìn)行了逐步加強(qiáng)，但初支變形未能得到有效控制，平導(dǎo)及正洞初期支護(hù)均出現(xiàn)大變形，正洞甚至出現(xiàn)了二次襯砌開(kāi)裂、隧底隆起等現(xiàn)象，具有典型的擠壓性大變形的特點(diǎn)。后經(jīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況、變形原因進(jìn)行分析，采用數(shù)值理論計(jì)算等方法，綜合制定變形控制措施，效果良好，可為類(lèi)似工程提供一定參考。

1 施工變形特征及原因分析

1.1 施工變形特征

1號(hào)斜井工區(qū)施工揭示D1K 305+945～D1K 306+120段巖性以紫紅色凝灰?guī)r為主，局部夾玄武巖，凝灰?guī)r全風(fēng)化，施工過(guò)程中多處地段出現(xiàn)初期支護(hù)變形較大現(xiàn)象，雖對(duì)支護(hù)措施、支護(hù)剛度逐步加強(qiáng)，但變形依然較大。從變形特征分析，段內(nèi)拱頂沉降均在17 cm左右，其周邊收斂量較為突出，單側(cè)最大收斂值約為55 cm，該段初期支護(hù)在隧道開(kāi)挖后距掌子面1倍洞徑范圍內(nèi)變形收斂仍屬正常值范圍，但在距掌子面1.5～2倍洞徑(從時(shí)間上開(kāi)挖初支后30～35 d)處，仰拱開(kāi)挖后初期支護(hù)封閉成環(huán)反而極易發(fā)生邊墻變形加劇，特別是填充面以上2.5 m及5.5 m兩個(gè)位置；其主要表現(xiàn)形式為混凝土開(kāi)裂、掉塊；型鋼鋼架局部出現(xiàn)外突、扭(壓)曲、折斷現(xiàn)象；連接鋼板螺栓剪切破壞，初期支護(hù)變形侵限嚴(yán)重；該變形趨勢(shì)與普通軟巖地段在初支成環(huán)后變形速率明顯減小的變形規(guī)律不一致，具有蠕變、臺(tái)階性應(yīng)力釋放等特征；應(yīng)力釋放時(shí)間長(zhǎng)，局部地段甚至在二襯施作完畢1年后發(fā)生隧底隆起現(xiàn)象。

圖1 三聯(lián)隧道縱斷面示意圖

1.2 變形原因分析

(1)變形段地質(zhì)條件復(fù)雜，位于木嘎斷層和上土木斷層擠壓夾持區(qū)內(nèi)，且位于玄武巖夾凝灰?guī)r與煤系地層小角度不整合接觸帶附近。

(2)本段隧道最大水平主應(yīng)力值為6.87 MPa，線路走向與最大主應(yīng)力方向呈大角度相交，且最大主應(yīng)力主要為構(gòu)造應(yīng)力，凝灰?guī)r、泥頁(yè)巖及煤層強(qiáng)度低，巖石天然單軸抗壓強(qiáng)度平均值約為1 MPa，強(qiáng)度應(yīng)力比為0.15，屬極高強(qiáng)度應(yīng)力比狀態(tài)。

(3)全風(fēng)化的凝灰?guī)r巖體強(qiáng)度低，完整性差，巖質(zhì)軟，遇水后強(qiáng)度急劇降低，自穩(wěn)性極差，且具有一定的膨脹性，膨脹荷載約為0.35 MPa。

2 變形控制措施探討

2.1 支護(hù)理念對(duì)比

針對(duì)前期出現(xiàn)的變形情況，過(guò)程中先后按不同的大變形處理理念進(jìn)行了試驗(yàn)：按“先放后抗、及時(shí)封閉”的原則施作A試驗(yàn)段，采用雙層支護(hù)；按“以抗為主”的原則施作B試驗(yàn)段，采用剛度較大的單層支護(hù)；總結(jié)前兩個(gè)試驗(yàn)段優(yōu)缺點(diǎn)后施作C試驗(yàn)段，優(yōu)化支護(hù)參數(shù)及工法，如表1～表3所示。

表1 試驗(yàn)段范圍表

表2 單層支護(hù)參數(shù)表

表3 雙層支護(hù)參數(shù)表

從各試驗(yàn)段的成果資料分析，單層支護(hù)由于剛度較小，初期支護(hù)變形往往過(guò)大，侵入二襯凈空；雙層支護(hù)雖能將變形控制到可接受范圍，但第一層支護(hù)易發(fā)生變形速率過(guò)大甚至失穩(wěn)現(xiàn)象，第二層支護(hù)需等下臺(tái)階開(kāi)挖后方能施作，錨索施工周期較長(zhǎng)，無(wú)法及時(shí)對(duì)塑性區(qū)進(jìn)行控制，且需施作二次支護(hù)，工序較多[1-2]；采用剛度較大的單層支護(hù)在配合采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法后能有效的控制支護(hù)變形，實(shí)現(xiàn)段內(nèi)工序轉(zhuǎn)換平衡。但不管是單層還是雙層支護(hù)，施作后支護(hù)變形始終不能完全收斂。

若待初期支護(hù)完全收斂后再施作二次襯砌，變形長(zhǎng)期累計(jì)勢(shì)必會(huì)侵入二襯凈空，初期支護(hù)變形過(guò)大可能會(huì)導(dǎo)致其失效甚至拆換，為此考慮及時(shí)施作二次襯砌，讓初期支護(hù)和二次襯砌共同作用抵抗圍巖壓力。

2.2 二襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 數(shù)值分析

對(duì)初支和二襯同時(shí)作用時(shí)的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)進(jìn)行分析，采用地層結(jié)構(gòu)方法建立二維實(shí)體模型，考慮鋼架和錨桿的作用，模擬圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的共同變形?？紤]到模型的對(duì)稱(chēng)性，此處取一半進(jìn)行計(jì)算，地層結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。

圖2 地層結(jié)構(gòu)模型(二維對(duì)稱(chēng)模型)

計(jì)算中的支護(hù)結(jié)構(gòu)的材料物理力學(xué)參數(shù)，如表4所示。

表4 材料物理力學(xué)參數(shù)表

凝灰?guī)r地層的物理力學(xué)參數(shù),如表5所示。

表5 圍巖參數(shù)表

原始地應(yīng)力場(chǎng)參數(shù)，如表6所示。

表6 原始地應(yīng)力場(chǎng)參數(shù)表

2.2.2 計(jì)算結(jié)果

考慮初期支護(hù)和二次襯砌共同承受初期支護(hù)變形13 cm后的殘余應(yīng)力，此時(shí)二襯施做后邊墻單側(cè)收斂約為3 mm，拱頂下沉約為3 mm即達(dá)到平衡穩(wěn)定狀態(tài)。平衡狀態(tài)下圍巖的應(yīng)力，如圖3所示。

圖3 圍巖應(yīng)力云圖

根據(jù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，二次襯砌僅需構(gòu)造配筋(4φ18主筋)即可滿足要求。但考慮到極高地應(yīng)力區(qū)域應(yīng)力釋放的不確定性、持久性以及地下水環(huán)境變化可能產(chǎn)生的凝灰?guī)r軟化、膨脹力等復(fù)雜的地質(zhì)物理化學(xué)因素，數(shù)值計(jì)算難以模擬這些因素，因此，二襯進(jìn)行加強(qiáng)，采用厚度為55 cm、配筋為5φ25的二襯結(jié)構(gòu)，其受力和安全性，如表7所示。

表7 襯砌結(jié)構(gòu)受力及安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

由表7可知，各點(diǎn)安全系數(shù)均大于2.0，滿足規(guī)范要求，且有一定的富余，因此二襯是安全的。

2.3 變形控制措施

根據(jù)試驗(yàn)段成果資料及結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)論，對(duì)后續(xù)段落的施工工法、支護(hù)參數(shù)、二襯結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了優(yōu)化，其具體支護(hù)參數(shù)及代表斷面，如表8、表9所示。其典型斷面如圖4所示。

表8 系統(tǒng)支護(hù)參數(shù)表

表9 洞身鋼架及超前支護(hù)對(duì)照表

圖4 典型斷面示意圖(mm)

2.3.1 施工工法

采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法預(yù)留核心土施工[3]，其主要目的和作用為：導(dǎo)洞先行，利于先行施作邊墻的錨索，盡早發(fā)揮錨索的張拉力，在初支成環(huán)時(shí)使其達(dá)到使用條件，進(jìn)一步抑制塑性區(qū)的發(fā)展[4]。小斷面步步成環(huán)更有利于控制塑性區(qū)的發(fā)展，同時(shí)設(shè)置核心土有利于掌子面前方圍巖的穩(wěn)定，控制其早期變形[5-6]，是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)，每次成環(huán)都是對(duì)塑性區(qū)發(fā)展的一次控制，能夠有效避免支護(hù)突變性、臺(tái)階性變形，實(shí)現(xiàn)各工序間的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換[7]。

2.3.2 系統(tǒng)支護(hù)

采用主動(dòng)+被動(dòng)的支護(hù)型式來(lái)控制和約束塑性區(qū)的發(fā)展，發(fā)揮系統(tǒng)錨桿、仰拱基底錨桿、邊墻錨索的主動(dòng)支護(hù)作用，約束圍巖變形、控制塑性區(qū)、加強(qiáng)支護(hù)抗力，增加初期支護(hù)的可靠度[8-9]。

2.3.3 鋼架及超前支護(hù)

采用剛度較大的單層H175型鋼鋼架+超前中管棚的加強(qiáng)支護(hù)形式，其主要作用為：增強(qiáng)了初始鋼架的抗力，從第一時(shí)間就開(kāi)始控制其塑性區(qū)的發(fā)展[10-11]；較少的施工工序，有利于平行作業(yè)，能較快形成有效支護(hù)體系。

2.3.4 二次襯砌

采用與初期支護(hù)共同抵抗初期支護(hù)變形13 cm后的殘余應(yīng)力的加強(qiáng)型二次襯砌(55 cm厚的鋼筋混凝土襯砌)，通過(guò)理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施作后，結(jié)構(gòu)安全可靠，二襯在施作后變形速率小，且在1個(gè)月左右時(shí)間內(nèi)變形速率就已趨于0，襯砌表面未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫。

3 現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)力監(jiān)測(cè)

為進(jìn)一步驗(yàn)證初期支護(hù)及二次襯砌的受力狀態(tài)及可靠度，選取3個(gè)斷面進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)5年的內(nèi)力測(cè)試工作，主要包括:初支與圍巖和初支與襯砌接觸壓力、初支鋼架和噴混凝土內(nèi)力、襯砌混凝土內(nèi)力、仰拱襯砌混凝土內(nèi)力,并對(duì)襯砌安全性進(jìn)行了檢算。

各測(cè)點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)，如表10～表12所示。

表10 初支鋼架內(nèi)外側(cè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力最大值

表11 襯砌混凝土內(nèi)外側(cè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力最大值

表12 仰拱襯砌混凝土內(nèi)外側(cè)最大值

通過(guò)各斷面測(cè)點(diǎn)歷時(shí)長(zhǎng)5年的應(yīng)力監(jiān)測(cè)得出的時(shí)程曲線知,各斷面測(cè)點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)均已穩(wěn)定,且無(wú)異常;該段襯砌混凝土表面無(wú)開(kāi)裂與滲漏水。測(cè)點(diǎn)的安全系數(shù)值均滿足《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中“抗拉安全系數(shù)大于2.4，抗壓安全系數(shù)大于2.0”的要求，結(jié)構(gòu)安全性滿足要求。

4 結(jié)論及建議

(1)高地應(yīng)力軟巖段可允許初期支護(hù)在可控范圍內(nèi)產(chǎn)生較大的變形，釋放一定的應(yīng)力，但應(yīng)避免噴射混凝土應(yīng)力和鋼架應(yīng)力超過(guò)其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值而失效。

(2)對(duì)于高地應(yīng)力軟巖大變形地段，采用與工程措施匹配的工法能最大程度發(fā)揮措施的有效性，如本工點(diǎn)采用的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法盡早發(fā)揮邊墻錨索作用，從而抑制支護(hù)變形。

(3)通過(guò)計(jì)算及長(zhǎng)期測(cè)試成果表明，采用加強(qiáng)型的二次襯砌，與初期支護(hù)共同作用來(lái)抵抗初期支護(hù)變形一定程度后的殘余應(yīng)力是可行的，但是對(duì)于二次襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施作時(shí)機(jī)應(yīng)通過(guò)數(shù)值分析、工程類(lèi)比后綜合確定。

(4)軟巖大變形是隧道工程常見(jiàn)的比較棘手的地質(zhì)問(wèn)題，工程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況結(jié)合理論數(shù)值分析后確定支護(hù)理念及支護(hù)參數(shù)，制定科學(xué)有效的處理方案。