高地應(yīng)力軟巖隧道大變形控制措施研究

楊鐵輪　陳偉祥　王智佼　毛羽麗　 王治才

【摘??要】木寨嶺隧道2#斜井屬于典型深埋高應(yīng)力軟巖隧道，在隧道掘進(jìn)過程中極易出現(xiàn)圍巖擠壓性大變形現(xiàn)象，表現(xiàn)為：圍巖變形量較大、變形時間長、初支結(jié)構(gòu)變形破壞嚴(yán)重，嚴(yán)重影響隧道施工工期及隧道長期穩(wěn)定。本文通過現(xiàn)場調(diào)查，現(xiàn)場監(jiān)測等手段對木寨嶺隧道2#斜井變形特性進(jìn)行研究，提出了非對稱恒阻大變形錨索支護(hù)控制措施。研究表明，非對稱恒阻大變形錨索支護(hù)措施可以有效加固圍巖，將隧道圍巖收斂控制在較小的范圍。

【關(guān)鍵詞】高應(yīng)力;軟巖;隧道變形;變形控制

1?引言

隨著我國公路、鐵路隧道建設(shè)的快速發(fā)展，受地形地勢的影響，隧道工程向長度長、埋深大、高地應(yīng)力的復(fù)雜地質(zhì)條件的方向發(fā)展已不可避免[1]。例如大梁隧道、兩水隧道及毛羽山隧道均存在高地應(yīng)力區(qū)軟弱圍巖的大變形問題[2-4]。隧道開挖過程中圍巖變形大，變形持續(xù)時間長，隧道襯砌出現(xiàn)開裂、掉塊，襯砌侵入建筑限界等現(xiàn)象。隧道大變形控制問題一直是隧道建設(shè)亟待解決的重要問題。

國內(nèi)外專家學(xué)者對軟巖大變形隧道已經(jīng)做了大量的理論分析和研究，盧陽[5]等人基于工程勘察資料與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合工程地質(zhì)和施工條件分析隧道大變形的特征與原因，提出了針對性的大變形處治措施;王建鵬[6]從隧道高應(yīng)力軟巖的工程地質(zhì)、變形機(jī)理、支護(hù)原理及支護(hù)結(jié)構(gòu)的特性等方面進(jìn)行了分析，對隧道設(shè)計和支護(hù)施工方案進(jìn)行優(yōu)化。

本文在前人研究成果之上，依托渭（源）武（都）高速公路木寨嶺隧道2#斜井，對NPR錨索支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究。

2?工程背景

木寨嶺隧道是蘭州至?？趪腋咚俟罚℅75）渭（源）武（都）高速公路的全線重點控制性工程，隧道全長15.221公里，是全線最長隧道，最大埋深629.1m，采用分離式設(shè)計，隧道進(jìn)口采用削竹式，出口采用端墻式。2#斜井長度1813m，最大埋深591m，最大水平主應(yīng)力24.95Mpa。穿越區(qū)域包括：斷層破碎帶;斷層影響帶，圍巖主要為中風(fēng)化薄層狀炭質(zhì)板巖。巖體節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體破碎，綜合評定圍巖級別為V級。

隧道采用三臺階開挖法，臺階長度4～6m，初期支護(hù)鋼架采用I18型鋼拱架（間距0.5m）。支護(hù)后隧道圍巖發(fā)生較大變形，拱頂沉降達(dá)565mm。大面積混凝土開裂破壞，鋼拱架發(fā)生嚴(yán)重扭曲，初支變形侵限。嚴(yán)重影響施工安全，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。

3?圍巖大變形宏觀表征及影響因素

3.1?初期支護(hù)嚴(yán)重破壞

木寨嶺隧道存在著高地應(yīng)力，隧道洞身巖體軟弱破碎，隧道圍巖自穩(wěn)能力差。隧道圍巖變形量大，變形時間長且圍巖變形呈現(xiàn)非對稱特征，隧道左幫圍巖變形遠(yuǎn)大于右?guī)?。施工過程中多次發(fā)生因初期支護(hù)侵限而造成拆換鋼拱架現(xiàn)象?，F(xiàn)場支護(hù)變形破壞情況如圖1所示。

圖1初期支護(hù)破壞圖

3.2?大變形的影響因素

3.2.1?斷層破碎帶

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪、鉆探及工程物探等結(jié)果顯示，隧址內(nèi)除石炭系砂巖及灰?guī)r為硬質(zhì)巖外，二疊系炭質(zhì)板巖、砂巖均為較硬巖，單軸飽和抗壓強(qiáng)度很難達(dá)到30MPa以上;古近系砂礫巖、泥巖均為軟巖。穿越地層主要有斷層破碎帶、斷層影響帶、中風(fēng)化板巖。斷層的存在使得隧址區(qū)域內(nèi)地應(yīng)力更加復(fù)雜，同時降低了圍巖的強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性。

3.2.2?層理結(jié)構(gòu)的影響

經(jīng)勘查發(fā)現(xiàn)，隧道變形時間長，變形量大且變形非對稱，隧道斷面左幫變形量最大。從隧道斷面取如圖2所示的三處單元體A、B和C，分別代表隧道斷面左幫、右?guī)秃徒?。臨空區(qū)A點由于層理作用處于受拉狀態(tài)，受拉應(yīng)力作用;B點由于上覆巖層作用，多數(shù)處于受壓狀態(tài)，受壓應(yīng)力作用;而C點位于斷面近端，處于隧道開挖后的三向受力狀態(tài)。由于巖石抗壓強(qiáng)度約為抗拉強(qiáng)度的8-10倍左右，即巖石抗拉不抗壓，且A點受拉應(yīng)力作用。因此，A點極易變形，即造成隧道斷面左幫變形十分嚴(yán)重，受力分析如圖3所示[7]。

圖2?單元體選取位置圖

圖3?單元受力情況圖

3.2.3?爆破施工

鉆爆法施工引起的震動是隧道洞身產(chǎn)生大變形的一個重要誘發(fā)因素。爆破震動對圍巖擾動較大，使圍巖完整性進(jìn)一步遭到破壞，強(qiáng)度降低。2#斜井采用的支護(hù)措施自身強(qiáng)度和剛度不足且無法適應(yīng)隧道圍巖大變形要求，引發(fā)隧道洞身圍巖的應(yīng)力集中，支護(hù)體系個別部位的破壞引起整個支護(hù)體的失穩(wěn)。

4?現(xiàn)場試驗及效果

通過現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查研究和室內(nèi)物理力學(xué)試驗研究并根據(jù)軟巖力學(xué)理論分析確定，隧道圍巖復(fù)合型軟巖的變形力學(xué)機(jī)制屬于：重力和工程偏應(yīng)力擴(kuò)容變形（IIBD）、層理傾向型（IIIcc）以及隨機(jī)節(jié)理（IIIe）的復(fù)合型變形機(jī)制[8]。基于NPR錨索無論靜力與動力作用下，錨索支護(hù)阻力都可以保持在350KN高恒阻力和大變形量的特點[9]，提出如圖4所示變形力學(xué)機(jī)制轉(zhuǎn)化途徑和軟巖隧道支護(hù)對策。

圖4?復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制轉(zhuǎn)化技術(shù)

4.1?大變形控制技術(shù)措施

大變形控制技術(shù)措施具體如表1所示，隧道斷面形式及錨索布置如圖5所示，圖6為恒阻大變形錨索試件實物圖。

表1初期支護(hù)參數(shù)對照表

通過上述分析明確了木寨嶺隧道2#斜井圍巖發(fā)生大變形破壞的原因，針對其非對稱變形的現(xiàn)象提出了采用噴設(shè)混凝土及時封閉圍巖;高預(yù)緊力NPR恒阻錨索有控制性釋放變形能量，實現(xiàn)支護(hù)圍巖共同作用，減小圍巖松動圈的發(fā)展[10]。

4.2?監(jiān)測結(jié)果分析

對K1790斷面進(jìn)行初期鋼拱架應(yīng)力監(jiān)測，圍巖變形監(jiān)測。圍巖變形測點布置如下圖7所示5點監(jiān)測，鋼拱架應(yīng)力監(jiān)測為三點監(jiān)測，即拱頂、左拱肩、右拱肩三部分。

圖7?測點布置示意圖

4.2.1圍巖變形分析

如圖8所示，圍巖變形在30天左右時趨于穩(wěn)定，左側(cè)拱肩部位變形最大，右側(cè)拱肩部位次之，右側(cè)拱腰部位最小。上臺階開挖后圍巖收斂變形速度最大，左側(cè)拱肩部位平均每天1.6cm，右側(cè)拱肩部位平均每天1.3cm。中臺階鋼拱架假設(shè)完畢后圍巖收斂速度減小。

4.2.2?鋼拱架應(yīng)力監(jiān)測

如圖9所示鋼拱架受力情況，左拱肩處鋼架應(yīng)力最大，但未超過屈服強(qiáng)度。鋼拱架在上臺階開挖之初受力急劇增加，后逐漸穩(wěn)定。中臺階及仰拱的開挖，造成短暫拱架懸空，鋼拱架受力減小，然后鋼拱架受力逐漸增加。施工中應(yīng)及早封閉，確保鋼拱架的穩(wěn)定。

在實施高預(yù)緊力恒阻錨索之前的K1613-K1713段，換拱率達(dá)到40%。實施高預(yù)緊力恒阻錨索后，K1737-K1813段，無鋼拱架失效現(xiàn)象。

5?結(jié)論

（1）受斷層破碎帶復(fù)雜構(gòu)造應(yīng)力以及板巖層理結(jié)構(gòu)的影響，木寨嶺隧道2#斜井隧道左右兩側(cè)圍巖收斂和鋼拱架應(yīng)力存在較大差異，因此支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮左右非對稱的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（2）高地應(yīng)力軟巖隧道施工過程中應(yīng)適當(dāng)提高初期支護(hù)的剛度，縮短初期支護(hù)體系封閉成環(huán)的時間，及時控制圍巖的收斂變形。

（3）NPR恒阻錨索能在極短時間內(nèi)實現(xiàn)對隧道斷面的及時支護(hù)，避免了圍巖塑性區(qū)不斷擴(kuò)大。恒阻錨索具有更大的預(yù)緊力的同時，通過自身的結(jié)構(gòu)變形來抵御巖體大變形，避免了普通支護(hù)由于材料受力不均出現(xiàn)拉出或拉斷導(dǎo)致支護(hù)失效的現(xiàn)象，進(jìn)而保證巷道的穩(wěn)定性。

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作者簡介：

王治才（1974–），男，高級工程師，主要從事公路交通建設(shè)隧道工程相關(guān)研究。

基金項目：

甘肅省科技計劃資助（19ZD2GA005）

（作者單位：甘肅長達(dá)路業(yè)有限責(zé)任公司）