層狀軟弱板巖隧道初期支護(hù)加固技術(shù)試驗(yàn)研究

王慶　楊永斌　焦衛(wèi)寧　高偉政　薛文飛

摘 要：本研究以某高速隧道為依托，現(xiàn)場測試了斷面ZK14+830圍巖壓力、拱架應(yīng)變、混凝土應(yīng)變值，同時(shí)制定了鎖腳錨管（方案1）、鎖腳錨管+拱架縱向連接（方案2）兩種初支結(jié)構(gòu)加固技術(shù)方案。研究表明：兩種加固措施可對(duì)圍巖起到較好穩(wěn)定效果，且方案2處治效果最為顯著。

關(guān)鍵詞：隧道工程;層狀板巖;鎖腳錨管

中圖分類號(hào)：U451.2;U457.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）29-0088-04

Experimental Study on Initial Support and Reinforcement

Technology of Layered Soft Slate Tunnel

WANG Qing YANG Yongbin JIAO Weining GAO Weizheng XUE Wenfei

（CCCC Second Highway Engineering Co.， Ltd.， Xi 'an Shaanxi 710065）

Abstract： In this study， based on a high-speed tunnel， the surrounding rock pressure， arch strain and concrete strain of section ZK14 + 830 are tested on site， and two kinds of initial support structure reinforcement technical schemes of foot lock anchor tube （scheme 1） and foot lock anchor tube + arch longitudinal connection （scheme 2） are formulated. The research shows that the two reinforcement measures can have a good stability effect on the surrounding rock， and the treatment effect of scheme 2 is the most significant.

Keywords： tunnel works;carbonaceous slate;lock foot anchor tube

層狀軟弱板巖隧道施工中常出現(xiàn)圍巖大變形、坍塌等病害[1-4]。層巖隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)加固技術(shù)已成為相關(guān)學(xué)者競相研究的熱點(diǎn)課題。

1 工程概述

以某高速公路隧道為研究對(duì)象，隧道全長2 164 m，采用雙洞分離式設(shè)計(jì)，隧道斷面為典型三心圓結(jié)構(gòu)，上拱部圓半徑為6.05 m，道路橫坡為2%。隧址區(qū)穿越文筆山組及二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M地層，出露巖性為灰黑色層化軟弱板巖、砂巖及泥巖。圍巖整體自穩(wěn)性較差。山體植被茂密，地表起伏較大，地表水不豐富，地下水為第四系松散孔隙水及基巖裂隙水，施工過程偶見滲漏水，薄層板巖易沿板理面滑塌，隧址區(qū)巖層產(chǎn)狀多變，并穿越Fm4及Fm7兩處斷層。

2 現(xiàn)場施工病害分析

隧道現(xiàn)場開挖施工過程中，圍巖大變形、初期支護(hù)結(jié)構(gòu)開裂、鋼拱架屈曲現(xiàn)象偶有發(fā)生[5-8]?，F(xiàn)場圍巖自穩(wěn)性較差，薄層板巖易滑塌，隧道開挖施工后短時(shí)間內(nèi)即形成較大圍巖松散壓強(qiáng)。初支結(jié)構(gòu)與圍巖黏結(jié)程度較差，難以形成有效支護(hù)。隧道上臺(tái)階開挖施工后，拱頂沉降呈快速增長的趨勢，施工36 d后累計(jì)沉降達(dá)360.2 mm。于斷面ZK14+830處進(jìn)行圍巖壓強(qiáng)、鋼拱架應(yīng)變、初支混凝土應(yīng)變測試，圖1為現(xiàn)場安裝測試儀器。

圖2為斷面ZK14+830圍巖壓強(qiáng)變化曲線。由圖2可知，隧道開挖施工后，拱頂、拱腰處圍巖壓強(qiáng)整體偏大，邊墻位置處圍巖壓強(qiáng)偏小，拱腳圍巖壓強(qiáng)基本為0。仰拱施作完畢后，各測點(diǎn)壓強(qiáng)基本保持穩(wěn)定，并分別維持在0.83 MPa、0.42 MPa、0.56 MPa、0.11 MPa、0.12 MPa、0 MPa、0 MPa。

圖3為斷面ZK14+830鋼拱架應(yīng)變曲線。由圖3可知，上臺(tái)階開挖施工后，拱頂、拱腰處拱架應(yīng)變呈快速增加的趨勢，施作中臺(tái)階后拱架應(yīng)變曲線出現(xiàn)收斂拐點(diǎn)，下臺(tái)階施工完畢后各測點(diǎn)拱架應(yīng)變趨于穩(wěn)定，至仰拱施作完畢拱架各處應(yīng)變達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，各測點(diǎn)應(yīng)變值依次為4 073 με、2 651 με、3 026 με、213 με、1 089 με、57 με、88 με。

圖4為斷面ZK14+830混凝土應(yīng)變曲線。由圖4可知：2019年3月28日，上臺(tái)階開挖施工后，拱頂、拱腰處混凝土應(yīng)變呈快速增長的趨勢，中臺(tái)階開挖施工后，拱頂、拱腰處混凝土應(yīng)變進(jìn)一步增長，下臺(tái)階施作完畢后，各測點(diǎn)應(yīng)變曲線出現(xiàn)收斂拐點(diǎn)并趨于穩(wěn)定，仰拱施作完畢后各測點(diǎn)值依次為2 345 με、847 με、1 613 με、320 με、419 με、98 με、131με。可見，隧道開挖施工后初期支護(hù)結(jié)構(gòu)形變量偏大，超過鋼拱架、混凝土允許應(yīng)變值，施工現(xiàn)場需要采取相關(guān)措施處置施工病害。

3 加固措施效果規(guī)律分析

斷面ZK11+240采用鎖腳錨管支護(hù)（方案1）實(shí)施加固，ZK11+260采用鎖腳錨管+拱架縱向連接支護(hù)（方案2）實(shí)施加固。鎖腳錨管分別布設(shè)于上、中、下臺(tái)階拱架兩端，與鋼拱架通過焊接進(jìn)行連接，見圖5。

圖6和圖7為斷面ZK11+240和斷面ZK11+260測點(diǎn)圍巖壓力變化曲線?？芍捎趪鷰r松散壓力較大，開挖施工后。拱頂、拱腰位置圍巖壓力快速增至峰值，邊墻、拱腳處壓力值整體較小，施作仰拱后各測點(diǎn)壓力曲線基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。圖8為斷面ZK14+830、斷面ZK11+240和斷面ZK11+260測點(diǎn)圍巖壓力對(duì)比。上臺(tái)階開挖施工后，加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)方案拱部位置圍巖壓力高于常規(guī)技術(shù)。

圖9和圖10是加強(qiáng)支護(hù)措施鋼拱架應(yīng)變曲線。相較于常規(guī)施工技術(shù)，在上臺(tái)階開挖施工后拱架應(yīng)變迅速增至峰值，常規(guī)方案應(yīng)變曲線則是以近拋物線形式快速增至峰值?？梢姡捎眉庸碳夹g(shù)方案后，拱架縱向連接、鎖腳錨管均可對(duì)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行良好約束，充分發(fā)揮其穩(wěn)定圍巖效果，避免在開挖施工期間支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖共同變形問題而造成圍巖大變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)坍塌。

圖11為斷面ZK14+830、斷面ZK11+240和斷面ZK11+260各測點(diǎn)拱架應(yīng)變對(duì)比。上臺(tái)階開挖施工后，常規(guī)施工技術(shù)拱頂鋼拱架應(yīng)變值為359 με，方案1的拱頂鋼架應(yīng)變?yōu)? 000 με，方案2為4 302 με。由此可見，鎖腳錨管加固技術(shù)可對(duì)初支結(jié)構(gòu)起到明顯加固作用，限制初支結(jié)構(gòu)變形，加強(qiáng)支護(hù)效果，同時(shí)拱部支護(hù)結(jié)構(gòu)承受較大圍巖壓力。相較而言，方案2支護(hù)效果更為明顯。

各工序施作完畢后，圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)形成穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)，常規(guī)技術(shù)方案拱頂處拱架應(yīng)變?yōu)? 029 με，方案1和方案2分別為3 739 με、2 719 με。由此可見，鎖腳錨管、拱架縱向連接可將支護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)為整體，在開挖施工初期即可對(duì)圍巖與初支結(jié)構(gòu)起到明顯穩(wěn)定作用，避免造成圍巖大變形。

圖12和圖13為加強(qiáng)支護(hù)措施各測點(diǎn)混凝土應(yīng)變曲線。拱頂、拱腰處混凝土應(yīng)變值整體偏大，且曲線震蕩較劇烈。由此可見，由于添加鎖腳錨管，實(shí)施拱架縱向連接，上臺(tái)階開挖施工后拱部混凝土應(yīng)變快速增至峰值。常規(guī)施工技術(shù)混凝土應(yīng)變則以近拋物線形式增至峰值。加強(qiáng)支護(hù)措施可加強(qiáng)初支結(jié)構(gòu)穩(wěn)定效果。

圖14為斷面ZK14+830、斷面ZK11+240和斷面ZK11+260各測點(diǎn)混凝土應(yīng)變對(duì)比情況。上臺(tái)階開挖施工后，常規(guī)施工技術(shù)下拱頂混凝土應(yīng)變值為618 με，方案1為1 704 με，方案2為1 394 με。上臺(tái)階開挖施工后，加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)方案拱部混凝土應(yīng)變值偏大，說明圍巖松散壓力得到較好抑制。與此同時(shí)，初支結(jié)構(gòu)將承擔(dān)較大壓力，上臺(tái)階開挖成為整個(gè)施工過程的薄弱環(huán)節(jié)。二次襯砌結(jié)構(gòu)施作完畢后結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)常規(guī)技術(shù)拱頂混凝土應(yīng)變值為2 345 με，方案1和方案2分別為2 657 με、2 188 με?？梢?，鎖腳錨管+拱架縱向連接技術(shù)加固效果最為明顯。

4 結(jié)論

①對(duì)斷面ZK14+830圍巖壓強(qiáng)、拱架應(yīng)變、混凝土應(yīng)變進(jìn)行試驗(yàn)測試。上臺(tái)階開挖施工后，拱頂、拱腰處圍巖壓強(qiáng)迅速增至峰值1.22 MPa、0.74 MPa、0.88 MPa。至仰拱施作完畢，各測點(diǎn)拱架應(yīng)變值為4073 με、2651 με、3026 με、213 με、1089 με、57 με、88 με。下臺(tái)階施作完畢拱頂、拱腰處混凝土應(yīng)變值為2 167 με、917 με、1 411 με。

②施工現(xiàn)場采用鎖腳錨管支護(hù)、鎖腳錨管+拱架縱向連接支護(hù)2種加強(qiáng)支護(hù)處治方案。采用加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)方案，沿隧道縱向，通過工字鋼縱向連接拱架。沿隧道橫斷面方向，利用鎖腳錨管依次對(duì)上、中、下臺(tái)階拱架進(jìn)行連接加固，大幅提高初支結(jié)構(gòu)支護(hù)性能，提升圍巖及結(jié)構(gòu)承載能力。

③上臺(tái)階開挖瞬間，圍巖變形得到充分抑制。每循環(huán)施作完畢后，采用加強(qiáng)支護(hù)措施圍巖壓強(qiáng)、拱架與混凝土應(yīng)變值小于常規(guī)施工技術(shù)。鎖腳錨管+拱架縱向連接加固效果最為顯著。

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