軟硬組合薄層片巖隧道初支結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

常建超

(中鐵十一局集團(tuán)第一工程有限公司,湖北 襄陽 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)整為三臺階預(yù)留核心土法,上臺階高度5 m,中臺階2.6 m,下臺階高度2.1 m,每個臺階長度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HW175型鋼支護(hù)結(jié)構(gòu)受力、變形進(jìn)行監(jiān)測,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)測方案

采用全站儀對初支進(jìn)行監(jiān)控量測。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。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)測斷面布設(shè)在HW175型鋼支護(hù)段內(nèi)。

各測試項(xiàng)目具體測點(diǎn)布置如圖2、圖3所示。

2 支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測分析

監(jiān)測元器件埋設(shè)后,定期讀取儀器數(shù)值,記錄上中下臺階施工時間,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Fig.2 Initial support deformation monitoring

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

2.1 斷面凈空位移監(jiān)測分析

整理隧道拱頂、S1、S2的數(shù)據(jù),繪制變形時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)合上中下臺階的開挖時間,綜合分析監(jiān)測數(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階段:①急速變形階段,即上臺階開挖之后至下臺階開挖前,此時拱頂沉降與S1水平收斂急劇增長。急速變形階段變形量占穩(wěn)定時累計(jì)變形量的62.6%。②快速變形階段,此階段對應(yīng)下臺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,但變形值仍在增長。③穩(wěn)定變形階段,對應(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。

中臺階S2收斂變形也分為三個階段:①急速變形階段,即中臺階開挖之后至下臺階開挖前。②快速變形階段,此階段對應(yīng)下臺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,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)測點(diǎn)數(shù)據(jù),繪制測點(diǎn)圍巖壓力時程曲線,如圖6所示。

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

圍巖壓力時程曲線具備以下特性:上臺階開挖后圍巖壓力值迅速增大,處于急劇增長階段。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€鋼筋應(yīng)變計(jì),監(jiān)測翼緣板壓力讀數(shù)。繪制型鋼斷面上臺階各測點(diǎn)鋼拱架應(yīng)力時程曲線如圖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)力測試結(jié)果表明:①上臺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、下臺階施工階段壓應(yīng)力振蕩變化。下臺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。上臺階施工后至下臺階施工階段,巖面?zhèn)扰c凈空側(cè)壓應(yīng)力逐漸增大。下臺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。上臺施工后至下臺階施工階段,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)時有小幅波動。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)測圍巖深部位移,繪制圍巖深部位移時程曲線如圖9所示。

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

測試結(jié)果顯示,圍巖松動圈范圍推測在5～10 m,其中5 m、10 m、15 m處實(shí)測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。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、下臺階開挖,初支結(jié)構(gòu)變形分為三個變形階段,即掌子面上臺階開挖之后至下臺階開挖的急速變形階段、下臺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、下臺階開挖前后圍巖初支背部圍巖壓力監(jiān)測曲線分析結(jié)果,初支結(jié)構(gòu)背部圍巖變化分為急速增長階段、緩慢增大階段、趨于穩(wěn)定階段,即上臺階開挖后初支結(jié)構(gòu)背部圍巖壓力值急劇增長階段、中臺階開挖后圍巖壓力緩慢增長階段、仰拱施工完成后初支背部圍巖壓力趨于穩(wěn)定階段。

上臺階施工后至下臺階施工階段,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,圍巖松動圈范圍推測在5～10 m,初支右側(cè)薄層區(qū)主動支護(hù)中錨桿長度需大于松動圈范圍,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,提升松動圈破碎體整體性與承載力。