彈性支護(hù)技術(shù)在大斷面高地應(yīng)力隧道工程中的應(yīng)用

劉新文

摘要：針對(duì)某鐵路隧道工程復(fù)雜地質(zhì)條件及大斷面高地應(yīng)力大變形工程實(shí)例，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用彈性支護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)讓壓與抗壓結(jié)合，解決了大斷面高地應(yīng)力軟巖大變形的難題。監(jiān)測(cè)表明該技術(shù)能有效控制隧道圍巖變形，提高隧道初期支護(hù)質(zhì)量，確保了隧道工程施工安全，達(dá)到了預(yù)期目的，可為后續(xù)類似項(xiàng)目提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

Abstract： In view of the complex geological conditions of a railway tunnel project and the large deformation engineering example of large section high ground stress， the elastic support technology is applied on the spot to realize the combination of pressure and compression to solve the difficult problem of large deformation of high stress soft rock in large section. The monitoring shows that the technology can effectively control the deformation of the tunnel surrounding rock， improve the initial support quality of the tunnel， ensure the safety of the tunnel construction， and achieve the desired purpose， which can provide experience for the follow-up similar projects.

關(guān)鍵詞：隧道工程；高地應(yīng)力；彈性支護(hù)；應(yīng)用

Key words： tunnel engineering；high stress ground；elastic support；application

中圖分類號(hào)：U45 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）16-0112-04

0 引言

21世紀(jì)是世界隧道與地下空間大發(fā)展的世紀(jì)，必將出現(xiàn)更多的長(zhǎng)大隧道工程，鐵路、公路隧道等地下工程“長(zhǎng)、大、深、群”的特點(diǎn)日趨明顯，高地應(yīng)力隧道工程大量涌現(xiàn)。高地應(yīng)力軟巖隧道工程大變形控制是國(guó)內(nèi)外地下工程公認(rèn)的難題[1]，針對(duì)高地應(yīng)力軟巖隧道工程，各國(guó)都進(jìn)行了控制隧道大變形及減小高地應(yīng)力對(duì)隧道工程影響的研究，國(guó)外如奧地利陶恩隧道采用可縮性鋼架和加長(zhǎng)錨桿加固進(jìn)行變形控制，國(guó)內(nèi)烏鞘嶺隧道采用加大變形量，短臺(tái)階開挖強(qiáng)支護(hù)等措施進(jìn)行變形控制等。由于各隧道地質(zhì)條件的差異性，一般都是在隧道施工中被動(dòng)驗(yàn)證變形治理方案的合理性，從而找出相對(duì)應(yīng)的施工方法，難以形成系統(tǒng)廣泛的普遍治理方案。某鐵路隧道工程建設(shè)應(yīng)用彈性支護(hù)技術(shù)，在大斷面高地應(yīng)力隧道工程施工中發(fā)揮了重要作用，有效地控制了圍巖變形，達(dá)到預(yù)期目的。

1 彈性支護(hù)技術(shù)原理

業(yè)界對(duì)高地應(yīng)力軟巖隧道工程變形災(zāi)害治理有抗壓與讓壓兩種方法。實(shí)踐中大多采用抗壓即通過強(qiáng)支護(hù)或多次支護(hù)的手段抵抗變形開裂，而讓壓能有效改善圍巖結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，充分發(fā)揮圍巖的自承能力，并將圍巖塑性區(qū)控制在合理范圍內(nèi)[2]。彈性支護(hù)技術(shù)是根據(jù)讓壓與抗壓相結(jié)合的原理，通過在隧道工程初期支護(hù)鋼架中安裝彈性構(gòu)件形成整體彈性支護(hù)結(jié)構(gòu)，前期釋放部分應(yīng)力，待圍巖變形趨于穩(wěn)定噴射混凝土封閉彈性構(gòu)件，增加應(yīng)力釋放部位的強(qiáng)度抵抗殘余應(yīng)力，以適應(yīng)高地應(yīng)力軟巖隧道大變形特征，達(dá)到有效控制圍巖變形，防治隧道工程圍巖變形開裂災(zāi)害的目的。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 工程概況

2.1.1 地質(zhì)及水文條件

某鐵路隧道全長(zhǎng)11920.1m，最大埋深691.3m，為單洞雙線隧道，隧道開挖斷面積94m2。隧道地質(zhì)及水文條件復(fù)雜，巖層為三疊系上統(tǒng)砂巖、粉砂巖夾泥巖，其中砂巖為中層～厚層層狀構(gòu)造塊狀結(jié)構(gòu)，泥巖為薄層～中層層狀構(gòu)造碎石鑲嵌結(jié)構(gòu)，巖層整體水平，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，屬破碎巖層和高壓富水區(qū)，其中出口段砂泥巖互層，巖層水平呈層狀結(jié)構(gòu)，出口洞頂外露巖石受多組節(jié)理、裂隙切割嚴(yán)重。隧道圍巖受線路所經(jīng)溝壑地貌影響，隧道圍巖巖質(zhì)軟弱、分布性差，地層擠壓嚴(yán)重、巖層產(chǎn)狀多變。

2.1.2 地壓及支護(hù)狀況

該隧道工程地壓顯現(xiàn)明顯，隧道開挖后產(chǎn)生大變形，主要特點(diǎn)是累計(jì)變形量大、變形速率快、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，隧道圍巖極易發(fā)生變形、塌方、涌水、涌泥等，造成施工安全風(fēng)險(xiǎn)高、施工進(jìn)度緩慢，隧道前期采用單一格柵鋼架支護(hù)不能適應(yīng)圍巖大變形特征，隧道拱部出現(xiàn)連續(xù)開裂破壞，鋼架呈“Z”形扭曲，維護(hù)成本極高。

2.2 地應(yīng)力測(cè)試

地應(yīng)力測(cè)試是正確認(rèn)識(shí)巖體的力學(xué)性質(zhì)，分析研究工程圍巖變形穩(wěn)定性及其破壞機(jī)制，為巖土工程開挖設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)依據(jù)的前提[3]。為定量分析某鐵路隧道工程的地應(yīng)力狀態(tài)及其對(duì)圍巖變形破壞的影響，于2017年6月下旬在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)試。

2.2.1 測(cè)試地點(diǎn)

測(cè)試地點(diǎn)選擇隧道某號(hào)斜井正洞DK475+874里程，測(cè)試鉆孔位于隧道正洞內(nèi)，鉆孔附近上覆地層厚約130m，鉆孔設(shè)計(jì)深度50m。根據(jù)鉆探巖芯完整度，在鉆孔深度48.2m，45.3m，44.0m位置分別進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)定，在鉆孔深度45.3m，44.0m位置完成地應(yīng)力方向測(cè)定。

2.2.2 測(cè)試方法

地應(yīng)力測(cè)試采用水壓致裂法，見圖1。由于受測(cè)試地點(diǎn)地質(zhì)條件限制，為使測(cè)試快捷方便、結(jié)果可靠，測(cè)試使用圖1（b）所示的單回路水壓致裂應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)試時(shí)當(dāng)鉆孔到達(dá)設(shè)計(jì)深度，用可膨脹的橡皮封隔器封隔一段鉆孔，泵入液體對(duì)該段鉆孔加壓，同時(shí)記錄液壓隨時(shí)間的變化。當(dāng)增壓到孔壁巖體破裂時(shí)，壓力隨之下降，經(jīng)穩(wěn)壓一段時(shí)間后停止加壓，待壓力降到某一定值后結(jié)束試驗(yàn)。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，繪制壓力與時(shí)間關(guān)系曲線，按彈性力學(xué)理論計(jì)算地應(yīng)力值，得出測(cè)點(diǎn)處的最大和最小水平主應(yīng)力的量值以及巖石的水壓致裂抗拉強(qiáng)度等巖石力學(xué)參數(shù)。

2.2.3 測(cè)試結(jié)果

通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)地應(yīng)力及圍巖強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果的綜合分析，確定了隧道某號(hào)斜井正洞DK475+874里程鉆孔圍巖的地應(yīng)力大小、方向、狀態(tài)及圍巖強(qiáng)度等。

①初始地應(yīng)力采用鉆孔深度44.0m～49.0m（埋深174.0m～179m）的平均測(cè)試結(jié)果，最大水平主應(yīng)力σH=7.09MPa，最小水平主應(yīng)力σh=4.59MPa，自重應(yīng)力σV=4.31MPa，最大水平主應(yīng)力方向N79°E。

②三向主應(yīng)力的關(guān)系為σH>σh>σV，表明構(gòu)造應(yīng)力的值大于自重應(yīng)力，地應(yīng)力狀態(tài)以區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力為主。

③巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度RC平均值為44.23MPa；巖石抗拉強(qiáng)度1.9MPa～6.5MPa。

2.2.4 初始地應(yīng)力狀態(tài)評(píng)估

根據(jù)該隧道某號(hào)斜井正洞DK475+874里程鉆孔附近隧道測(cè)定的圍巖強(qiáng)度及地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，進(jìn)行初始地應(yīng)力狀態(tài)評(píng)估。由最大水平主應(yīng)力σH=7.09MPa，最大水平主應(yīng)力平均方向N79°E，經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算垂直隧洞軸線方向的最大初始地應(yīng)力σmax=7.0MPa，Rc/σmax=6.32，屬高地應(yīng)力[3]。

2.3 彈性支護(hù)技術(shù)

①針對(duì)某鐵路隧道工程復(fù)雜地質(zhì)條件及大斷面高地應(yīng)力大變形工程特征，鑒于隧道施工難度大，隧道前期支護(hù)發(fā)生圍巖開裂破壞，鋼架扭曲變形損壞的現(xiàn)象，為改善隧道支護(hù)狀況，確定應(yīng)用彈性支護(hù)技術(shù)。彈性支護(hù)技術(shù)關(guān)鍵是在隧道初期支護(hù)鋼架中安裝彈性構(gòu)件形成整體彈性支護(hù)結(jié)構(gòu)，起到阻尼作用，先讓壓后抗壓，使圍巖應(yīng)力可控性釋放，降低周邊圍巖應(yīng)力值，適應(yīng)高地應(yīng)力段圍巖壓力變形大特征，達(dá)到有效控制圍巖變形，保持隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定的目的。

②彈性構(gòu)件加工。彈性構(gòu)件鋼板材質(zhì)采用Q235，變形部位限阻鋼板厚8mm，連接鋼板厚10mm，限阻鋼板寬度與初期支護(hù)厚度相同。采用工廠化集中加工，焊接成型，連接鋼板螺栓孔采用液壓沖孔機(jī)打孔，沖孔位置根據(jù)拱架連接角鋼螺栓孔位置嚴(yán)格控制，以便現(xiàn)場(chǎng)連接施工，見圖2。

2.4 施工工藝

2.4.1 施工工藝流程（圖3）

2.4.2 彈性構(gòu)件安裝

①彈性構(gòu)件安裝應(yīng)精確定位以保證受力均勻，避免局部凸出部位出現(xiàn)應(yīng)力集中無法發(fā)揮作用。隧道前期施工變形開裂均發(fā)生在拱頂，因此彈性構(gòu)件安裝于拱頂位置，現(xiàn)場(chǎng)安裝見圖4。構(gòu)件安裝于隧道開裂部位，采用螺栓將其和拱架連接形成整體。安裝前使用全站儀對(duì)構(gòu)件放線定位，保證構(gòu)件位于隧道拱頂且縱向線形良好；采用螺栓將構(gòu)件與拱架連接形成整體，螺栓應(yīng)擰緊保證連接良好；采用Φ22mm螺紋鋼幫焊鋼筋將前后兩榀構(gòu)件焊接在一起，焊接牢固形成整體受力結(jié)構(gòu)，防止受力后構(gòu)件錯(cuò)位從而引起初期支護(hù)開裂。

②彈性構(gòu)件安裝后鋼架重量增大，構(gòu)件安裝時(shí)使用螺旋支撐桿進(jìn)行輔助作業(yè)；鋼架安裝時(shí)先將拱腳定位準(zhǔn)確，連接拱架與構(gòu)件，連接完成后用螺旋支撐桿將拱架與構(gòu)件升頂?shù)轿?，進(jìn)行局部微調(diào)，保證構(gòu)件縱向連接一致，定位準(zhǔn)確后用2根Φ22mm鋼筋幫焊固定。鋼架安裝完成后焊接縱向連接筋及鋼筋網(wǎng)片，安設(shè)鎖腳錨桿。

2.4.3 初期支護(hù)

①彈性構(gòu)件安裝完成后進(jìn)行噴混凝土施工，構(gòu)件兩側(cè)噴混凝土應(yīng)平整密實(shí)。噴混凝土前，在構(gòu)件空隙中填塞土工布或上下分別掛設(shè)1層防水板遮擋，以防混凝土噴入空隙。噴混凝土后清除封閉材料，若有混凝土進(jìn)入構(gòu)件需及時(shí)清理，否則影響釋放變形的效果。

②噴混凝土施工時(shí)，嚴(yán)格控制噴射混凝土作業(yè)順序，鋼架拱腳位置封閉后，進(jìn)行構(gòu)件位置噴射混凝土作業(yè)，先將構(gòu)件位置噴射平整后，再進(jìn)行其他位置噴射混凝土作業(yè)，見圖4。

2.4.4 施工質(zhì)量控制

①彈性構(gòu)件加工焊接應(yīng)牢固，焊縫飽滿，螺栓孔定位準(zhǔn)確，驗(yàn)收合格方可投入使用。

②彈性構(gòu)件與拱架安裝應(yīng)連接可靠，相鄰構(gòu)件連接牢固，縱向線型良好。

③噴混凝土前在彈性構(gòu)件2塊連接鋼板中間縱向每4m預(yù)埋1根注漿管，以便后期注漿充填構(gòu)件背后空隙。

④嚴(yán)格控制噴混凝土質(zhì)量，初噴混凝土?xí)r彈性構(gòu)件后不允許噴漿，兩側(cè)應(yīng)噴漿平整密實(shí)，若有噴漿進(jìn)入構(gòu)件，噴漿結(jié)束需及時(shí)清理。除彈性構(gòu)件背后嚴(yán)禁出現(xiàn)虛空現(xiàn)象外，且靠近構(gòu)件兩側(cè)噴混凝土應(yīng)一次完成，禁止補(bǔ)噴或出現(xiàn)噴混凝土不密實(shí)的現(xiàn)象。否則，初期支護(hù)受力后在靠近構(gòu)件兩側(cè)易發(fā)生變形開裂。

3 監(jiān)控量測(cè)

3.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及測(cè)點(diǎn)布置

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要是隧道收斂變形及拱頂沉降。在隧道H180格柵鋼架彈性支護(hù)段及H230格柵鋼架彈性支護(hù)段彈性構(gòu)件安裝后，及時(shí)在隧道兩幫安設(shè)收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)及拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距10m～15m，監(jiān)測(cè)頻率1次/d。

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)H180格柵鋼架彈性支護(hù)段及H230格柵鋼架彈性支護(hù)段日常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制隧道兩幫收斂變形及拱頂下沉曲線見圖5。

分析圖5看出，隧道開挖后兩幫收斂變形及拱頂下沉開始發(fā)生緩慢變化，經(jīng)過一定時(shí)間由初期緩慢變形逐漸過渡至穩(wěn)定，表明隧道應(yīng)用彈性支護(hù)技術(shù)，充分發(fā)揮先讓壓后抗壓作用，允許圍巖發(fā)生一定變形，釋放圍巖壓力，充分發(fā)揮圍巖自承能力，達(dá)到圍巖變形可控目的，隧道保持穩(wěn)定安全，目測(cè)隧道表面噴混凝土層完好無明顯開裂，與前期采用單一格柵鋼架隧道開裂破壞，鋼架變形損壞嚴(yán)重比，隧道支護(hù)狀況大為改善，支護(hù)效果顯著。

4 結(jié)語

彈性支護(hù)技術(shù)是高應(yīng)力軟巖隧道工程圍巖控制一種新型技術(shù)，施工工藝簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了抗壓與讓壓結(jié)合，支護(hù)效果明顯。將彈性支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于大斷面高地應(yīng)力隧道工程，提高了隧道初期支護(hù)效果及施工質(zhì)量，確保了施工安全，節(jié)約了因變形開裂引起的后期維護(hù)成本。隧道彈性支護(hù)技術(shù)在國(guó)外研究應(yīng)用較早，國(guó)內(nèi)現(xiàn)處于起步階段，隨著彈性支護(hù)結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)的測(cè)定及與高地應(yīng)力分級(jí)匹配研究深入，將擴(kuò)大彈性支護(hù)技術(shù)在高地應(yīng)力軟巖地下工程的應(yīng)用范圍，推廣應(yīng)用前景十分廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1]盧春房.隧道工程[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2015.

[2]李留璽.高地應(yīng)力松軟圍巖隧道支護(hù)技術(shù)研究與實(shí)踐[J].西部探礦工程，2015（7）：167-169.

[3]王連捷.地應(yīng)力測(cè)量及其在工程中的應(yīng)用[M].北京：地質(zhì)出版社，1991.

[4]國(guó)家鐵路局.TB10003—2016，鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，1990.

[5]中國(guó)鐵路總公司.Q/CR9604—2015，高速鐵路隧道施工技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2015.