雙層初期支護(hù)在云屯堡隧道高地應(yīng)力軟巖洞段中的應(yīng)用

鐘友江， 劉世杰， 吳建和

(中鐵二局集團(tuán)有限公司， 四川 成都 610032)

0 引言

高地應(yīng)力軟巖大變形隧道具有變形量大、變形速率快、變形持續(xù)時(shí)間長的特征，因而與一般隧道不同，初期支護(hù)的設(shè)計(jì)和施工普遍遵循“放抗結(jié)合”的原則[1-3]。對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)“放抗結(jié)合”的設(shè)計(jì)和施工原則，長期以來廣大隧道工程技術(shù)人員積極探索，尤其是近幾年，通過蘭渝鐵路、西成鐵路等多個(gè)大變形隧道的實(shí)踐總結(jié)，逐漸形成了一套有效應(yīng)對(duì)高地應(yīng)力軟巖大變形問題的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)。概括起來就是隧道斷面采用受力結(jié)構(gòu)更優(yōu)的圓形或近圓形，初期支護(hù)采用雙層結(jié)構(gòu)、2次施作，初期支護(hù)及早封閉成環(huán)，二次襯砌在圍巖變形趨于收斂后適時(shí)施作。其中的雙層支護(hù)結(jié)構(gòu)施作是在開挖時(shí)預(yù)留較大的變形量，為雙層初期支護(hù)預(yù)留足夠的施作斷面，開挖后立即施作第1層初期支護(hù)結(jié)構(gòu)并開展監(jiān)控量測(cè)，在圍巖應(yīng)力部分釋放后再適時(shí)施作第2層初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，最終控制其變形速率和累計(jì)變形量。

近年來，有關(guān)隧道雙層初期支護(hù)施工技術(shù)的研究較多，成果豐富。王洪昌[4]重點(diǎn)研究了雙層初期支護(hù)的力學(xué)傳遞方式、雙層初期支護(hù)厚度分配、第2層初期支護(hù)施作時(shí)機(jī)等；黃新梅[5]、司劍鈞[6]分別開展了雙層支護(hù)及雙層襯砌試驗(yàn)對(duì)比研究，認(rèn)為雙層初期支護(hù)和雙層襯砌都能有效控制圍巖大變形，但雙層初期支護(hù)更方便現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施；韓現(xiàn)民等[7]通過對(duì)雙層初期支護(hù)力學(xué)效應(yīng)及支護(hù)施作時(shí)機(jī)的研究認(rèn)為，第2層初期支護(hù)施作最佳時(shí)機(jī)為內(nèi)層支護(hù)與外層仰拱同時(shí)施作；岳英武[8]對(duì)蘭渝鐵路木寨嶺隧道大變形的特征及施工控制進(jìn)行了研究，認(rèn)為大變形控制應(yīng)遵循加強(qiáng)支護(hù)、及時(shí)封閉、第1層初期支護(hù)一次到位、第2層初期支護(hù)適時(shí)施作的原則；劉陽等[9]、張?zhí)煊頪10]分別通過對(duì)蘭渝鐵路木寨嶺隧道、黑山隧道大變形機(jī)制進(jìn)行研究，提出了超前預(yù)加固、調(diào)整隧道斷面、采用長錨桿、提高支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等大變形控制措施；張德華等[11]依托西成客專阜川隧道炭質(zhì)頁巖段進(jìn)行的雙層支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，認(rèn)為第2層支護(hù)應(yīng)以保證第1層支護(hù)的薄弱部位不破壞為原則，薄弱部位的徑向位移速率可作為判定第2層支護(hù)施作時(shí)機(jī)的依據(jù)。

上述研究成果普遍認(rèn)為采用雙層初期支護(hù)對(duì)于控制隧道大變形是有效的措施之一。但對(duì)于雙層初期支護(hù)中內(nèi)、外2層鋼拱架的布置方式均未涉及，現(xiàn)場(chǎng)做法存在2種方式，一種是與第1層鋼拱架交錯(cuò)布置，另一種是與第1層鋼拱架疊加布置；另外，對(duì)于雙層初期支護(hù)中的第2層初期支護(hù)的施作時(shí)機(jī)，研究結(jié)果也有差異。為更好地指導(dǎo)高地應(yīng)力軟巖大變形隧道現(xiàn)場(chǎng)施工，本文結(jié)合成蘭鐵路云屯堡雙線隧道工程，對(duì)雙層初期支護(hù)中內(nèi)外2層鋼拱架的布置方式和第2層支護(hù)施作時(shí)機(jī)進(jìn)行了分析和研究，以期研究結(jié)果為類似工程施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)

成蘭鐵路云屯堡隧道位于四川松潘縣境內(nèi)，處于橫斷山區(qū)東緣，且位于龍門山斷裂帶、西秦嶺斷裂帶、岷江斷裂帶構(gòu)成的“A”形三角形斷塊中，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜活躍；圍巖巖性以千枚巖、板巖等軟巖為主，揉皺和擠壓強(qiáng)烈，裂隙發(fā)育，巖體破碎，隧道最大埋深720 m，汶川地震效應(yīng)顯著，進(jìn)口端地質(zhì)縱剖面圖見圖1。

圖1 云屯堡隧道進(jìn)口端地質(zhì)縱剖面圖

設(shè)計(jì)勘察期間，在D6K228+085左側(cè)8 m處采用水壓致裂法測(cè)試地應(yīng)力，終孔深度為456.83 m。實(shí)測(cè)洞身附近的最大水平主應(yīng)力值為15 MPa左右，估算的垂向主應(yīng)力約為12 MPa，最大主應(yīng)力方向?yàn)镹31W～N52W,優(yōu)勢(shì)方向約為N42W，與隧道走向夾角為16°。

變更設(shè)計(jì)前，采用聲波法，利用SR-RCT松動(dòng)圈測(cè)試儀分別在3號(hào)橫洞工區(qū)的D5K219+057斷面和4號(hào)橫洞工區(qū)的D5K219+077斷面進(jìn)行松動(dòng)圈測(cè)試，每個(gè)斷面左右邊墻各布置1個(gè)檢測(cè)孔，孔深20～22 m，孔徑100 mm。實(shí)測(cè)D5K219+057斷面的松動(dòng)圈約為6.0 m，D5K219+077斷面的松動(dòng)圈約為7.5 m。典型的孔深-波速曲線見圖2。

1.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

前期施工中，云屯堡隧道進(jìn)口端的3#、4#橫洞工區(qū)均發(fā)生了大變形，拱頂最大變形量達(dá)551 mm，出現(xiàn)了鋼拱架扭曲、混凝土開裂掉塊以及大面積初期支護(hù)侵限等問題。究其原因，雖然隧區(qū)地應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，但因最大主應(yīng)力方向與隧道軸線呈小角度相交，且最大水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力差值不大，加上圍巖軟弱承載力低和施工等因素的影響，隧道開挖后的圍巖和初期支護(hù)變形以拱頂沉降為主，邊墻收斂次之。經(jīng)參建各方充分研討，設(shè)計(jì)優(yōu)化了隧道斷面形式，加大了預(yù)留變形量，加強(qiáng)了初期支護(hù)，即由單層初期支護(hù)優(yōu)化為雙層初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，并增設(shè)了系統(tǒng)長錨桿等。雙層初期支護(hù)參數(shù)見表1。

(a) D5K219+057左側(cè)測(cè)試孔 (b) D5K222+057右側(cè)測(cè)試孔

圖2 孔深-波速曲線

Fig. 2 Relationship between hole depth and wave velocity

表1 云屯堡隧道大變形段雙層初期支護(hù)參數(shù)

2 雙層初期支護(hù)作用機(jī)制及問題的提出

2.1 雙層初期支護(hù)作用機(jī)制

隧道開挖后，圍巖由初始應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換為二次應(yīng)力狀態(tài)，圍巖發(fā)生一定的應(yīng)力釋放和塑性變形，初期支護(hù)的主要作用是抑制塑形區(qū)的發(fā)展、阻止應(yīng)力松弛、控制周邊位移等。根據(jù)王洪昌[4]對(duì)作用在雙層支護(hù)上的壓力pa與支護(hù)變形關(guān)系的研究可知，雙層初期支護(hù)受力破壞關(guān)系曲線如圖3所示。

由圖3可知，采用雙層初期支護(hù)進(jìn)行支護(hù)時(shí)，先施作一定厚度的第1層初期支護(hù)，其受力特征曲線為AC；圍巖釋放應(yīng)力并作用在第1層初期支護(hù)結(jié)構(gòu)上，因其抗彎剛度不足以抵抗圍巖應(yīng)力所需，第1層初期支護(hù)發(fā)生塑性變形，受力特征曲線為CC′；此時(shí)，通過施作第2層初期支護(hù)與第1層初期支護(hù)共同作用，進(jìn)一步增大初期支護(hù)的抗彎剛度，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)恢復(fù)彈性變形，并最終與作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的力pa達(dá)到平衡，其受力特征曲線為C′D。

圖3 雙層初期支護(hù)受力破壞關(guān)系曲線

2.2 問題的提出

按照雙層初期支護(hù)的作用機(jī)制，第2層初期支護(hù)需滯后第1層初期支護(hù)施作，即待地應(yīng)力部分釋放和圍巖部分變形后及時(shí)施作，以達(dá)到既允許地應(yīng)力得到一定程度的釋放又不能讓地應(yīng)力的釋放破壞第1層初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的目的?；诖耍商m鐵路云屯堡隧道設(shè)計(jì)文件要求第2層初期支護(hù)在第1層初期支護(hù)成環(huán)后及時(shí)施作。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)施工來說，第2層初期支護(hù)施作涉及2個(gè)問題： 1)第2層初期支護(hù)的鋼拱架與第1層初期支護(hù)鋼拱架在空間上是采用疊加還是交錯(cuò)布置更有利于變形控制的問題； 2)第2層初期支護(hù)施作時(shí)機(jī)的問題，即第2層初期支護(hù)宜滯后第1層初期支護(hù)多長距離施作。

3 雙層初期支護(hù)鋼拱架布置方式比較

雙層初期支護(hù)內(nèi)外2層鋼拱架的布置方式有2種： 1)第2層初期支護(hù)鋼拱架在第1層鋼拱架處疊加布置(如圖4(a)所示)； 2)第2層初期支護(hù)鋼拱架交錯(cuò)布置在第1層鋼拱架之間的中間位置(如圖4(b)所示)。由于云屯堡隧道設(shè)計(jì)文件中未明確雙層初期支護(hù)中2層鋼拱架的布置方式，因此在先導(dǎo)試驗(yàn)段施工前采用數(shù)值模擬方法對(duì)2種布置方式進(jìn)行了比較研究，通過模擬計(jì)算2種布置方式下鋼拱架的位移和最大主應(yīng)力來判斷哪種布置方式更好。

(a) 疊加布置

(b) 交錯(cuò)布置

3.1 計(jì)算模型的建立

云屯堡隧道大變形段設(shè)計(jì)斷面最大寬度為15.3 m，高度為14.59 m。隧道采用臺(tái)階法開挖，上臺(tái)階開挖高度為7.6 m，下臺(tái)階高度為3.7 m，隧底高度為3.29 m，上臺(tái)階與下臺(tái)階的臺(tái)階長度為8 m，隧底滯后下臺(tái)階12 m。結(jié)合隧道收斂變形與掌子面距離之間的關(guān)系可知，模型長度方向取60 m較為合適。按照圣維南原理，模型隧道兩側(cè)寬度和上下高度取2.5倍洞徑較為合適，故模型高度取90 m，寬度取90 m，計(jì)算模型[12-15]如圖5所示。

圖5 計(jì)算模型

3.2 計(jì)算參數(shù)的選取

根據(jù)云屯堡隧道地勘報(bào)告可知，大變形段隧道圍巖為富水千枚巖，圍巖物理力學(xué)參數(shù)見表2。根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度為19 MPa，內(nèi)摩擦角為35°左右。根據(jù)規(guī)范中的公式可以求出相應(yīng)的黏聚力C0=4.94 MPa，HW200鋼拱架+C30噴射混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)的等效彈性模量E、等效黏聚力c和等效抗拉強(qiáng)度ft通過等效換算考慮。初期支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

表3 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

3.3 模擬計(jì)算過程

計(jì)算過程分為3步，包括： 邊界條件的施加、初始應(yīng)力場(chǎng)的生成、開挖計(jì)算。

1)邊界條件施加?？紤]到計(jì)算工況是深埋，且建立的模型尺寸遠(yuǎn)小于實(shí)際埋深，故取邊界條件為固定全部邊界法向位移。

2)初始應(yīng)力場(chǎng)生成。根據(jù)相關(guān)地勘報(bào)告可知，該地段水平應(yīng)力為15 MPa，豎直應(yīng)力為12 MPa。

3)開挖計(jì)算。臺(tái)階法工況，下臺(tái)階滯后上臺(tái)階8 m；開挖循環(huán)進(jìn)尺為0.6 m，其中，第1層初期支護(hù)0.2 m布置鋼拱架和噴射混凝土，其余0.4 m噴射混凝土；第2層初期支護(hù)同樣0.2 m布置鋼拱架和噴射混凝土，其余0.4 m噴射混凝土；第2層初期支護(hù)比第1層初期支護(hù)延后10 m布置。

3.4 計(jì)算結(jié)果

交錯(cuò)和疊加2種布置方式下鋼拱架的Z向位移如圖6所示，最大主應(yīng)力如圖7所示。

(a) 交錯(cuò)布置

由圖6可以看出，交錯(cuò)布置方式下鋼拱架Z向最大位移發(fā)生在拱頂和拱底，拱頂?shù)淖畲蠓聪蛭灰茷?2.52 cm，疊加布置方式下鋼拱架拱頂Z向位移為15.84 cm，即交錯(cuò)布置方式下鋼拱架雙層初期支護(hù)產(chǎn)生的位移最小，更有利于隧道開挖。由圖7可知，交叉布置和疊加布置方式下鋼拱架雙層初期支護(hù)隧道在開挖過程中均是上臺(tái)階拱腳處的豎向應(yīng)力最大，交錯(cuò)布置方式下鋼拱架的最大主應(yīng)力值為2.33 MPa，疊加布置方式下最大主應(yīng)力值為2.75 MPa，即交錯(cuò)布置更有利。

(a) 交錯(cuò)布置

(b) 疊加布置

4 第2層初期支護(hù)的施作時(shí)機(jī)

根據(jù)云屯堡大變形段隧道現(xiàn)場(chǎng)施工情況，采用臺(tái)階法開挖，模擬計(jì)算第2層支護(hù)滯后第1層支護(hù)0、1.6、2.4、3.2、4.0、7.0、10.0、15.0、20.0 m共9種工況下的塑性區(qū)、位移和最大主應(yīng)力，用來比較分析第2層支護(hù)的最佳施作時(shí)機(jī)。模型建立、參數(shù)選取和計(jì)算過程同第3節(jié)。

4.1 塑性區(qū)模擬計(jì)算

通過進(jìn)行模擬計(jì)算分別得到9種工況下的塑性區(qū)圖，如圖8所示。由圖8可以看出，塑性區(qū)面積隨滯后距離的增加而增加。

4.2 不同工況下的Z向位移、最大主應(yīng)力模擬計(jì)算

通過對(duì)9種不同工況下的拱頂位移、拱腳最大主應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同工況下的拱頂Z向位移和拱腳最大主應(yīng)力，如圖9和圖10所示。

由圖9可知，隧道開挖后拱頂位移隨第2層支護(hù)滯后的距離逐漸增大，但增加的幅度不同，在滯后距離0～7 m內(nèi)，位移增加較慢；在滯后距離大于7 m后，位移增加較快。由圖10可知，隧道開挖拱腳最大主應(yīng)力隨滯后距離的增大而減小。

(a) 滯后0 m (b) 滯后1.6 m (c) 滯后2.4 m (d) 滯后3.2 m (e) 滯后4.0 m

圖9 不同工況下的拱頂Z向位移

圖10 不同工況下的拱腳最大主應(yīng)力

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況

根據(jù)對(duì)雙層初期支護(hù)鋼拱架的布置方式和第2層初期支護(hù)施作時(shí)機(jī)的理論分析和研究結(jié)果可知，云屯堡隧道大變形段按照上臺(tái)階開挖支護(hù)—下臺(tái)階開挖支護(hù)—仰拱開挖支護(hù)—仰拱二次支護(hù)—仰拱及填充混凝土—拱墻二次支護(hù)—二次襯砌的施工順序組織施工。

5.1 洞身開挖

考慮到隧道圍巖自穩(wěn)能力差、開挖跨度大、高度大等因素，洞身采用短臺(tái)階法開挖，臺(tái)階長度控制在8 m左右，如圖11所示。此外，由于是先導(dǎo)試驗(yàn)段，為避免初期支護(hù)侵限和拆換，預(yù)留變形量在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上加大了15 cm，后期根據(jù)量測(cè)情況動(dòng)態(tài)調(diào)整。

(a) 示意圖

(b) 現(xiàn)場(chǎng)施工圖

5.2 雙層初期支護(hù)施工

雙層初期支護(hù)中的第1層初期支護(hù)，由上至下隨開挖步序依次施作；第2層初期支護(hù)與第1層初期支護(hù)的順序正好相反，按照由下至上的順序進(jìn)行施工。在隧底部位第1層初期支護(hù)施工的同時(shí)，將隧底部位的第2層初期支護(hù)一并施工完成，然后根據(jù)圍巖的變形情況及時(shí)施作拱墻部位的第2層初期支護(hù)，一般滯后隧底初期支護(hù)1～2個(gè)循環(huán)的距離。安裝第2層初期支護(hù)的鋼拱架時(shí)，與第1層初期支護(hù)的鋼拱架呈交錯(cuò)布置形式。

因云屯堡隧道大變形段系統(tǒng)錨桿中，拱部、邊墻、隧底的錨桿長度分別為6、10、5 m，一般的鑿巖機(jī)既無法滿足鉆孔深度的需要，更不能保證鉆孔角度要求，因此，只有配置錨桿臺(tái)車或鑿巖臺(tái)車實(shí)施系統(tǒng)錨桿鉆孔作業(yè)才能保證鉆孔深度和鉆孔角度。為此，在先導(dǎo)試驗(yàn)段施工中，配置了錨桿臺(tái)車。同時(shí)，為解決雙層初期支護(hù)鋼拱架安裝工作量大、HW200單節(jié)鋼拱架重、作業(yè)空間大以及人工安裝速度慢、安全風(fēng)險(xiǎn)高的問題，還配置了鋼架安裝機(jī)用于鋼拱架安裝。雙層初期支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)施工圖見圖12。

(a) (b) (c)

5.3 實(shí)施效果

通過采取上述措施，云屯堡隧道大變形問題得到了有效控制。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，大變形段一般沉降速率為5～12 mm/d，收斂速率為5～10 mm/d，最大沉降速率為43 mm/d，最大收斂速率為19 mm/d；一般累計(jì)變形為230～350 mm，收斂趨于穩(wěn)定時(shí)間一般為30 d，最長可達(dá)3個(gè)月。采取措施前后變形情況對(duì)比見圖13。同時(shí)，由于變形得到了有效控制，初期支護(hù)破壞侵限問題得到了根本解決，采取措施前后整體效果對(duì)比見圖14。前期頻繁發(fā)生的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)拆換現(xiàn)象大大減少，隧道施工較為有序，施工進(jìn)度顯著加快，平均月進(jìn)尺為20.8 m，其中最小月進(jìn)尺為15.5 m，最大月進(jìn)尺為26 m。

經(jīng)對(duì)部分?jǐn)嗝孢M(jìn)行實(shí)測(cè)可知： 圍巖與支護(hù)接觸壓力累計(jì)值為0.15～1.70 MPa，其中，拱腰處接觸壓力為0.7～1.7 MPa，拱頂處接觸壓力為0.4～1.4 MPa，總體來說接觸壓力較大； 鋼拱架內(nèi)力為-47.8～-306.1 MPa，其中，拱頂和拱腰處內(nèi)力較大，接近或超過鋼筋屈服強(qiáng)度，鋼拱架受力大；初期支護(hù)混凝土內(nèi)部應(yīng)力累計(jì)值為-2.220～-37.903 MPa，局部接近或超過混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度(C35)，表明初期支護(hù)混凝土受力大；錨桿拉應(yīng)力值為18.40～50.50 MPa，受力較小，可能與錨桿注漿質(zhì)量以及圍巖松動(dòng)圈較大有關(guān)。實(shí)測(cè)D5K219+057斷面的圍巖壓力和鋼拱架應(yīng)力如圖15所示。

(a) 采取措施前

(b) 采取措施后

(a) 采取措施前

(b) 采取措施后

(a) 圍巖壓力

(b) 鋼拱架內(nèi)力

6 結(jié)論與建議

1)雙層初期支護(hù)結(jié)構(gòu)中，第1層與第2層鋼拱架宜采用交錯(cuò)布置形式，其更有利于控制高地應(yīng)力軟巖大變形的位移和應(yīng)力，減少鋼拱架扭曲變形和噴射混凝土開裂。

2)采用雙層初期支護(hù)時(shí)，如采用臺(tái)階法開挖，宜采用短臺(tái)階法，控制臺(tái)階長度，為第2層初期支護(hù)及時(shí)施作創(chuàng)造條件。

3)第2層初期支護(hù)應(yīng)滯后第1層初期支護(hù)一定距離施作，并應(yīng)根據(jù)變形量結(jié)合第1層初期支護(hù)內(nèi)力參數(shù)、地下水等因素綜合動(dòng)態(tài)確定。

4)有效控制高地應(yīng)力軟巖大變形不僅需要科學(xué)合理的技術(shù)措施和施工方法，而且需要嚴(yán)密的現(xiàn)場(chǎng)施工組織和管理，確?？焖儆行虻厥┕ぁ?/p>

5)本次研究中，受現(xiàn)場(chǎng)開挖工法的影響，拱墻的第2層初期支護(hù)未能在滯后掌子面7 m內(nèi)及時(shí)施作，這也是實(shí)測(cè)變形量較數(shù)值模擬值大的主要原因。建議下一步對(duì)下臺(tái)階與隧底同步開挖支護(hù)的工法進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)第2層初期支護(hù)在滯后7 m工況下施作的變形控制。