富水巖溶大斷面鐵路隧道超前支護加固方案研究

崔光耀 朱建偉 姜 沖 王立川 祁家所

(1. 北方工業(yè)大學， 北京 100144；2. 中鐵隧道集團一處有限公司， 重慶 401123)

隨著我國西部大開發(fā)腳步的加快和經(jīng)濟的快速發(fā)展，西部地區(qū)鐵路發(fā)展也越來越迅速。越來越多的鐵路不可避免地需要穿越巖溶發(fā)育地區(qū)，溶洞、富水軟弱圍巖隧道隨之增多[1-3]。如何保證富水巖溶地層隧道結構支護穩(wěn)定性，是目前有待解決的重點問題之一。

目前，國內(nèi)外專家學者對富水巖溶隧道的襯砌支護控制技術開展了部分研究，主要有富水軟巖隧道的室內(nèi)模型試驗研究[4-5]、富水斷層帶初期支護綜合處治方案優(yōu)化研究[6-8]。富水破碎帶隧道支護變形特征研究[9-10]、富水軟巖隧道拱頂所需支護力的研究[11-12]等。但截止目前，對于富水巖溶大斷面鐵路隧道超前支護加固技術方面的研究還未成熟。基于此，本文以渝黔鐵路天坪隧道富水巖溶段為依托，針對富水巖溶大斷面鐵路隧道超前支護加固技術進行研究。

1 天坪隧道富水巖溶段工程概況

1.1 地質(zhì)條件

渝黔鐵路天坪隧道位于貴州省北部，重慶與貴州省交界地段，隧道全長13 978 m，存在順層偏壓及多處斷層，暴露后易風化崩解，且?guī)r體完整性較差，易發(fā)生坍塌。隧道DK 127+195～DK 127+920段可溶巖發(fā)育，地下水與巖溶地表水系連通，地下水豐富，瞬時涌水量為500 m3/h，水質(zhì)渾濁。隧道圍巖以可溶性碳酸巖為主，遇水后強度迅速降低，圍巖等級為V級。

1.2 襯砌結構設計

隧道富水巖溶段為馬蹄形斷面，初支采用C30耐腐蝕混凝土(厚28 cm)，二襯采用C25噴射混凝土(厚45 cm)。

2 研究情況

2.1 計算模型

以天坪隧道富水巖溶段為背景建立計算模型，本構模型采用彈塑性模型，屈服準則采用摩爾-庫倫準則。模型上下、左右邊界距離均大于5倍洞徑，計算縱向長取42 m，寬取72 m，高75 m。模型四周與底部邊界施加法向約束，上邊界為自由邊界。

2.2 計算工況

為研究超前支護效應及相應施工過程中隧道的力學行為特征，本文對小導管注漿超前支護和大管棚加小導管注漿綜合超前支護兩種支護工況進行模擬。計算工況如表1所示。

表1 計算工況表

2.3 計算參數(shù)

圍巖及支護結構物理力學指標如表2所示。

表2 計算模型參數(shù)表

2.4 測點布置

以y=21 m處為監(jiān)測斷面，在仰拱與拱頂處分別設置沉降監(jiān)測點，拱腰、邊墻、拱腳處分別設置水平收斂線。測點布置如圖1所示。

圖1 測點布置圖

3 計算結果及分析

3.1 結構位移

提取兩種工況下監(jiān)測斷面的結構位移數(shù)據(jù)，繪制結構位移變化與開挖步關系曲線，如圖2～圖5所示，兩種工況的位移監(jiān)測最大值如表3所示。

圖2 拱頂下沉隨開挖步關系曲線圖

圖3 上臺階水平收斂隨開挖步關系曲線圖

圖4 中臺階水平收斂隨開挖步關系曲線圖

圖5 下臺階水平收斂隨開挖步關系曲線圖

由圖2～圖5可知，工況2的拱頂沉降值和臺階水平收斂值均較工況1小。其中拱頂沉降最大值減小18.5 mm，約為15.7%；上臺階水平收斂最大值減小3.3 mm，約為19.4%；中臺階水平收斂最大值減小4.6 mm，約為12.6%。大管棚加小導管綜合注漿超前支護對中上臺階水平收斂作用明顯，對下臺階作用微弱，這是由支護設置位置造成的(支護設置于中上臺階處)。

表3 結構位移監(jiān)測最大值表(mm)

綜上所述，大管棚加小導管注漿綜合超前支護對隧道襯砌位移控制明顯，特別是對上臺階水平收斂及拱頂沉降的控制作用尤為明顯。

3.2 掌子面擠出變形

當隧道開挖至監(jiān)測斷面時，中上臺階掌子面擠出變形如圖6、圖7所示。

圖6 工況1掌子面擠出變形圖

圖7 工況2掌子面擠出變形圖

由圖6、圖7可知，最大掌子面擠出變形均出現(xiàn)在上臺階偏下部。工況1上臺階最大掌子面擠出變形為152.9 mm，中臺階最大掌子面擠出變形為267.0 mm；工況2上臺階最大掌子面擠出變形為146.2 mm，中臺階最大掌子面擠出變形為254.7 mm。較工況1，工況2上臺階最大掌子面擠出變形降低4.58%，下臺階最大掌子面擠出變形降低4.83%。由此可見，采用大管棚加小導管注漿綜合超前支護對最大掌子面擠出變形有所改善。

3.3 初期支護結構應力

提取監(jiān)測斷面處初期支護的最小主應力和最大主應力分布云圖，如圖8～圖11所示，兩工況下初支最大拉應力、壓應力值如表4所示。

表4 初期支護最大主應力表

圖8 工況1初期支護最大主應力圖(Pa)

圖10 工況1初期支護的最小主應力圖(Pa)

圖9 工況2工況初期支護最大主應力圖(Pa)

圖11 工況2初期支護的最小主應力圖(Pa)

由圖8～圖11可知，在應力云圖中，最大壓應力均位于隧道邊墻位置，而最大拉應力均位于拱頂位置。較工況1，工況2應力值均有所降低。其中最大壓應力減小4.53%，最大拉應力減小15.6%。

綜上，采用大管棚加小導管注漿綜合超前支護對初支所受應力狀態(tài)有所改善，對初期支護所受拉應力控制效果尤為顯著。

4 加固方案優(yōu)選

兩工況的位移、掌子面擠出變形及初支最大主應力最終計算結果如表5所示。

表5 兩工況下位移、掌子面擠出變形以及初支最大主應力表

由表5可知，大管棚加小導管注漿綜合超前支護的加固效果在各方面均較小導管注漿超前支護有所提升，且在上臺階水平收斂及初支最大拉應力方面提升顯著，因此推薦渝黔鐵路天坪隧道富水巖溶段采用大管棚加小導管注漿綜合超前支護加固方式。

5 結論

(1)采用大管棚加小導管注漿綜合超前支護，各臺階水平收斂量與拱頂沉降量均較小導管注漿超前支護有所減小，其中拱頂沉降最大值減小15.7%，上臺階水平收斂最大值減小19.4%，中臺階水平收斂最大值減小12.6%。說明大管棚加小導管注漿綜合超前支護在隧道開挖過程中對襯砌結構位移的控制作用較好，特別對拱頂沉降和上臺階水平收斂的控制作用尤為顯著。

(2)大管棚加小導管注漿綜合超前支護對控制上臺階下部的掌子面擠出變形作用明顯，較小導管注漿超前支護，上臺階最大掌子面擠出變形量減小4.58%，中臺階最大掌子面擠出變形量減小4.83%。

(3)較小導管注漿超前支護，大管棚加小導管注漿綜合超前支護對初支受力有所改善。最大壓應力減小4.53%，最大拉應力減小15.6%。

(4)渝黔鐵路天坪隧道富水巖溶段推薦采用大管棚加小導管注漿綜合超前支護加固方式。