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)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。
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。
2.2.1 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。
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。
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。
(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。