月直山隧道高地應力作用分析及處置

尹奇亮

（中鐵十八局集團有限公司，天津300222）

1 引言

月直山隧道為成昆鐵路控制性工程之一，全長14085 米，屬鐵路特長隧道，鑒于隧道地形復雜，地質(zhì)條件差，高地應力段落較長，塌方、大變形、突泥突水、巖爆等安全風險極高，該隧道納入Ⅰ級風險管理。隧道屬橫斷山中高山地貌，地形起伏較大，大渡河深切，到處是懸崖絕壁，相對高差500～2700m，最大埋深約1810m。在高地應力軟巖段落，軟巖強度低、自穩(wěn)差，加之受高地應力作用，隧道開挖后應力重新分布，使隧道周邊產(chǎn)生較大的松動圈[1]。鑒于月直山隧道斜井轉(zhuǎn)正洞小里程因初支變形換拱及加固，給現(xiàn)場施工帶來諸多安全隱患和不良影響，通過高地應力區(qū)段應力應變分析、監(jiān)控量測分析及加強處置情況，介紹了高地應力作用分析與處理技術。

2 月直山隧道工程概況

月直山隧道斜井轉(zhuǎn)正洞里程DK243+500,小里程段的流紋巖、板巖、千枚巖、片巖地段發(fā)生變形坍塌，該段隧道埋深800～1000m，產(chǎn)生巖爆、大變形以及混雜形態(tài)的風險極高，大變形概率“4～可能”，大變形的損失為“3～嚴重”，綜合評判該段大變形初始風險為“高度”。

月直山隧道斜井轉(zhuǎn)正洞小里程DK243+448～DK243+485 初期支護變形較大，鋼架接頭連接處初支表面有混凝土剝落掉塊和縱向裂縫，多處初支凈空侵限，初支混凝土剝落掉塊及裂縫情況：DK243+449～DK243+461 右側(cè)、DK243+458～DK2 43+463 左側(cè)以及DK243+484～DK243+489 右側(cè)拱腰鋼架連接處初支表面混凝土出現(xiàn)不同程度的剝落掉塊；DK243+470 左側(cè)、DK243+474 右側(cè)和DK243+485 右側(cè)邊墻位置出現(xiàn)不同長度的縱向裂縫，最長裂縫約4m，縫寬約0.5～1mm。初支侵限情況：DK243+448～DK243+456 段右側(cè)拱腰至拱腳侵限較為嚴重，拱腳最大侵限值22.5cm。DK243+462～DK243+482 以兩側(cè)拱腰、拱腳侵限為主，其中左側(cè)拱腰至拱腳較為嚴重，最大侵限值18.9cm。已進行換拱及加固處理。

3 月直山隧道斜井轉(zhuǎn)正洞高地應力區(qū)段巖石強度試驗

2018 年1 月9 日現(xiàn)場進行取樣，分別在DK243+420 上臺階、DK243+461 下臺階右側(cè)、DK243+458 下臺階左側(cè)進行采集樣品，并委托中鐵二院成都工程檢測有限責任公司進行巖石相關試驗。2018 年1 月16 日～1 月24 日進行試驗檢測，勘測期間，取樣分析，板巖的天然單軸抗壓強度普遍在25～33MPa，平均值分別為58.3MPa、62.1MPa、29.3MPa，具體試驗結(jié)果詳見表1。

表1 巖石抗壓強度試驗結(jié)果表

4 月直山隧道斜井轉(zhuǎn)正洞高地應力區(qū)段初期支護應變監(jiān)測

目前巖體應力測量方法很多，分類也不盡一致，但歸納起來可分為直接測試法和間接測試法兩類[1]。直接測試法主要包括應力恢復法、應力解除法、水壓致裂法等，間接測試法主要包括鉆孔崩落法、定向巖芯非彈性應變恢復法、凱塞爾效應測試法等[2]。通過水壓致裂法測量月直山隧道地應力：鉆孔DZ-YZS-02 在硐身附近的最大水平主應力量值約為31.8MPa，最小水平主應力約為18.6 MPa，估算的垂向主應力約為27.5MPa。鉆孔DZ-YZS-02 所測得三向主應力量值關系式為SH＞SV＞Sh，應力特征以水平應力為主[3]。圍巖強度與硐身附近的最大水平主應力比值均小于4[4]，具備高地應力狀態(tài)，尤其隧道左側(cè)拱腰局部尤為嚴重。

通過在月直山隧道斜井轉(zhuǎn)正洞小里程初期支護后埋設應力計，分別在初期支護鋼拱架上埋設振弦式鋼筋計和在初期支護混凝土內(nèi)安裝振弦式砼壓力盒，通過初始數(shù)據(jù)采集，進行初期支護應變分析，公式[5]如下：

式中：P-傳感器所受的壓力或拉力；fi-振弦頻率；fo-初始振弦頻率；k-應力計標定系數(shù)；

根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)結(jié)果顯示：在月直山隧道高地應力區(qū)段圍巖為灰色中薄層狀夾中厚層狀板巖，產(chǎn)狀為N60°E/75°SE，產(chǎn)狀局部扭曲較嚴重，節(jié)理發(fā)育，隧道開挖后初期支護鋼拱架受強地應力作用，初期支護混凝土存在側(cè)面受壓作用強烈，且隨著時間推移線路右側(cè)作用力大小及變形基本趨于穩(wěn)定，線路左側(cè)作用在穩(wěn)定后呈上升趨勢，具體數(shù)據(jù)及曲線見表2、圖1、圖2、圖3、圖4。

圖1 DK243+407.6 右拱腰初支鋼拱架應力變化曲線

說明：在觀測期間，應力增長曲線呈線性，最末略降后趨于穩(wěn)定。DK243+407.6 右拱腰初支鋼拱架經(jīng)過變形后收斂且穩(wěn)定。

圖2 DK243+407.6 左拱腰初支鋼拱架應力變化曲線

表2 初期支護受應力試驗記錄表

說明：在觀測期間，應力增長曲線呈S 形，最后呈上升趨勢。DK243+407.6 左拱腰初支鋼拱架在期間發(fā)生位移變形后，仍不能穩(wěn)定，有侵限可能。

圖3 DK243+410 右拱腳應力應變曲線

說明：在觀測期間，初期支護受應力大至呈線增長，趨穩(wěn)。DK243+410 右拱腳初期支護是有效的。

圖4：DK243+410 左拱腳應力應變曲線

說明：應力曲線初期支護受應在短時間內(nèi)力急速增長，而后較長時間內(nèi)應力增長緩慢，DK243+410 左拱腳巖體與初支共同變形較大，產(chǎn)生卸載。

5 月直山隧道斜井轉(zhuǎn)正洞高地應力區(qū)段監(jiān)控量測

現(xiàn)場監(jiān)控量測布點后進行觀測（圖5、表3），結(jié)果顯示：DK243+441～DK243+385 監(jiān)控量測結(jié)果表明該段水平收斂值明顯大于拱頂沉降值。截止2018 年11 月20 日觀測具體情況：DK243+385拱頂沉降累計值9mm, 水平收斂最大累計值74.4 mm；DK243+390 拱頂沉降累計值16.8mm，水平收斂最大累計值125.8mm；DK243+401 拱頂沉降累計值18.07mm，水平收斂最大累計值58.2mm；DK 243+411 拱頂沉降累計值27.2mm，水平收斂最大累計值77.1mm；DK243+421 拱頂沉降累計值24.9 mm，水平收斂最大累計值29.2mm；DK243+431 拱頂沉降累計值15.8mm，水平收斂最大累計值49.8 7mm；DK243+441 拱頂沉降累計值19.7mm，水平收斂最大累計值28.9mm；

根據(jù)后續(xù)監(jiān)控量測顯示，DK243+320 斷面拱腳收斂變形為97.1mm/14 天，DK243+330 斷面拱腳收斂變形為160.3mm/20 天。

圖5 監(jiān)控量測布點示意圖

6 月直山隧道高地應力作用下施工處置措施

（1）組織設計變更，該高地應力區(qū)段按照Ⅰ級大變形進行處理，原設計情況：設計預留變形量5～8cm，臺階法開挖，支護結(jié)構(gòu)為Ⅲb1 型非絕緣一般錨段復合式襯砌，初期支護采用拱部格柵鋼架，間距1.5m/榀；變更后處理措施[6]：該段預留變形量由5cm 調(diào)整35cm 設置；支護結(jié)構(gòu)調(diào)整為Ⅴb型非絕緣一般錨段復合式襯砌，并加強支護采用全環(huán)I20b 型鋼鋼架，間距0.8m/榀；增加超前支護采用拱部Φ42 小導管，環(huán)向間距0.4m，每環(huán)48根，單根長度4.5m，縱向間距3.2m；拱頂至左側(cè)邊墻范圍內(nèi)的系統(tǒng)錨桿調(diào)整為Φ32 普通中空錨桿，錨桿長8m/根；拱部及左側(cè)邊墻增加徑向Φ42 鋼花管注漿。

（2）加強監(jiān)控量測及超前地質(zhì)預報工作，并及時對收集的資料、數(shù)據(jù)等進行整理分析，用以指導后續(xù)施工，確保施工安全[7]。

（3）加強洞內(nèi)監(jiān)控量測并分析反饋監(jiān)測數(shù)據(jù)，若發(fā)現(xiàn)地質(zhì)變化、地下水變化、監(jiān)控量測超標等異常情況，及時上報[8]。

（4）嚴格按照設計及有關規(guī)范進行，遵循“短進尺、弱爆破、勤量測、早封閉”的原則進行開挖作業(yè)，及時施做初期支護[9-10]。

表3 DK243+441-DK243+385 段監(jiān)控量測記錄表

7 結(jié)語

月直山隧道在高地應力區(qū)段，通過巖石抗壓試驗、應力應變分析、監(jiān)控量測分析，落實高地應力作用下施工處置措施，通過月直山隧道高地應力作用分析，為月直山隧道斜井轉(zhuǎn)正洞小里程DK243+387-DK244+970 段申請Ⅰ級大變形處理做基礎支撐，并得到業(yè)主單位、設計院現(xiàn)場確認，同意按照Ⅰ級大變形處理變更后組織施工，經(jīng)現(xiàn)場實施，隧道左側(cè)未發(fā)生初期支護侵限，順利通過了此段高地應力區(qū)段，大變形隧道不發(fā)生侵限拆換拱就是對工期、進度的最大保證[9]。為其他類似隧道在高地應力作用下施工提供一定技術基礎。