高原隧道建設(shè)中的大變形支護(hù)原理及施工研究

楊銳

（中國(guó)建筑土木建設(shè)有限公司，北京 100071）

1 引言

在高原隧道建設(shè)施工中，變形問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，為施工安全帶來(lái)不利影響。以往隧道項(xiàng)目施工變形控制中，施工方普遍采取支護(hù)方案并做好施工面監(jiān)測(cè)。新時(shí)期，隨著施工理念與技術(shù)的發(fā)展，升級(jí)支護(hù)施工技術(shù)、做好施工質(zhì)量控制變得十分重要。研究指出，在高原隧道項(xiàng)目施工全過(guò)程中，采取大變形支護(hù)方案效果理想，不僅能提升施工質(zhì)量，而且可減少變形發(fā)生概率，使項(xiàng)目施工水平達(dá)到合同要求。本文在分析大變形支護(hù)原理的基礎(chǔ)上，明確變形支護(hù)施工步驟，以確保項(xiàng)目施工質(zhì)量達(dá)標(biāo)，促進(jìn)建筑行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

2 項(xiàng)目概況

CZ 三期項(xiàng)目為高原隧道施工，隧區(qū)內(nèi)微地貌主要表現(xiàn)為高中山構(gòu)造侵蝕，河流階地地貌，地面標(biāo)高3 970～4 430 m，相對(duì)高差200～500 m，自然坡度15°～50°，地形起伏較大，隧道最大埋深約402 m。隧道全長(zhǎng)4 289 m，為單洞雙線隧道（見(jiàn)圖1）。

圖1 項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)

3 大變形支護(hù)原理

現(xiàn)階段，我國(guó)多數(shù)施工單位已積累大量治理隧道圍巖大變形的經(jīng)驗(yàn)，但對(duì)支護(hù)原理、施工要點(diǎn)的研究相對(duì)有限。隧道建設(shè)極易被地質(zhì)、線路和地形因素影響，進(jìn)而出現(xiàn)變形情況（見(jiàn)圖2），由此可見(jiàn)，圍巖壓力與變形程度密切相關(guān)，建設(shè)高原隧道時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制圍巖變形程度，一方面要避免變形程度不足導(dǎo)致圍巖壓力過(guò)高；另一方面要避免過(guò)度釋放，致使圍巖強(qiáng)度難以得到充分利用[1]。換言之，隧道建設(shè)期間，施工方應(yīng)將“放”與“抗”放在同等位置上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況確定二者的平衡點(diǎn)，由此達(dá)到對(duì)壓力釋放進(jìn)行科學(xué)控制的目的。

圖2 隧道變形

綜上，要避免支護(hù)被破壞，需準(zhǔn)確掌握圍巖壓力與變形程度之間的關(guān)系。正式開(kāi)挖隧道前，圍巖多處于三軸受力狀態(tài)，彈性應(yīng)變能儲(chǔ)量極大。開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖所承受側(cè)向壓力逐漸消除，與此同時(shí)，其儲(chǔ)存能量的能力隨抗壓強(qiáng)度的下降而降低，受應(yīng)力分布影響，將有大量能量聚集于圍巖表面，圍巖內(nèi)部所存儲(chǔ)能量持續(xù)增多，只有盡快釋放剩余能量才能避免圍巖質(zhì)量受到影響[2]。研究發(fā)現(xiàn)，圍巖、支護(hù)均需參與了釋放能量的過(guò)程，釋放剩余能量導(dǎo)致圍巖受到延性破壞，多數(shù)能量均會(huì)被塑性變形所影響而耗散。考慮到應(yīng)變耗能與圍巖變形程度的關(guān)系為正相關(guān)，且其取值通常會(huì)達(dá)到或超過(guò)支護(hù)所能吸收能量的上限，故在本項(xiàng)目中，施工方應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注支護(hù)所具有的耗能水平，而非傳統(tǒng)觀念所認(rèn)為的吸能水平。上文提及的耗能水平指圍巖、支護(hù)的變形程度，圍巖可憑借峰后性能將剩余能量耗散，無(wú)論是常見(jiàn)的低恒阻支護(hù)，還是新型高恒阻支護(hù)，均應(yīng)對(duì)支護(hù)阻力加以限制，確保結(jié)構(gòu)內(nèi)力始終在支護(hù)所能承受的范圍內(nèi)，且支護(hù)阻力在預(yù)設(shè)最小阻力值以上。

4 大變形支護(hù)施工步驟

4.1 確定施工方案

實(shí)踐表明，多數(shù)完成開(kāi)挖且有支護(hù)作為支撐的隧道均不會(huì)出現(xiàn)坍落拱現(xiàn)象，此時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受力與形變壓力相等，坍落拱所產(chǎn)生的影響可忽略不計(jì)。對(duì)大變形隧道而言，在圍巖條件確定的情況下，洞室內(nèi)部能量往往不會(huì)出現(xiàn)明顯變化，因此，除特殊情況外，均可通過(guò)能量法制訂設(shè)計(jì)方案，相關(guān)公式如下：

式中，W為圍巖內(nèi)部的能量，J；F為圍巖所承受的力，N；S為圍巖受力作用所移動(dòng)距離長(zhǎng)度，m[3]。

對(duì)式（1）進(jìn)行分析可知，若能量固定，則位移、力存在無(wú)窮解，傳統(tǒng)理念更傾向于更改結(jié)構(gòu)剛度或厚度，該做法將增加結(jié)構(gòu)所承受力的大小，不具備良好的經(jīng)濟(jì)性?？紤]到鋼筋混凝土和素混凝土結(jié)構(gòu)均具有剛度大、變形小等特點(diǎn)，故施工方?jīng)Q定放棄傳統(tǒng)方案，使用新材料及新結(jié)構(gòu)，由此獲得與大變形隧道需求相符的全新結(jié)構(gòu)，即限阻支護(hù)體系（見(jiàn)圖3、圖4）[4]。

圖3 限阻器左側(cè)偏壓

圖4 限阻器右側(cè)偏壓

隧道支護(hù)常用方法可概括如下。

1）少挖多支。通過(guò)強(qiáng)支硬頂方式，對(duì)支護(hù)剛度進(jìn)行提升，雖然該方法可取得突出效果，但往往需消耗大量材料，項(xiàng)目成本難以控制，經(jīng)濟(jì)性無(wú)法滿足客戶要求。

2）多挖少支。該方法強(qiáng)調(diào)通過(guò)改變支護(hù)剛度和預(yù)留變形量的方式，對(duì)形變壓力進(jìn)行釋放，由此達(dá)到控制支護(hù)受力的目的，該方法可確保支護(hù)參數(shù)始終維持在理想水平，其經(jīng)濟(jì)性較顯著。

3）多挖多支。該方法的關(guān)鍵是以聯(lián)合支護(hù)措施為依托，通過(guò)多次拆換支護(hù)的方式，使圍巖能量及時(shí)釋放，由此達(dá)到控制隧道變形的目的，該方法存在材料消耗量大、施工速度慢等不足。以往，高原隧道施工方式普遍為多挖多支，項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性難以保證。在本項(xiàng)目中，施工方在限量抵抗和以放為主原則的指導(dǎo)下，創(chuàng)造性地引入限阻支護(hù)，通過(guò)多挖少支的方式，使項(xiàng)目質(zhì)量、建設(shè)成本最大程度接近預(yù)期。

4.2 明確施工要點(diǎn)

4.2.1 前期準(zhǔn)備

研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)變形的支護(hù)結(jié)構(gòu)，通常能展現(xiàn)收斂狀態(tài)，考慮到限阻器可強(qiáng)化支護(hù)結(jié)構(gòu)柔性，使其出現(xiàn)輕微變形，故支護(hù)變形帶來(lái)的積極影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是釋放形變壓力；二是將力所造成的負(fù)面影響降至最低。二次襯砌前，施工方需在限阻器內(nèi)部注入適量混凝土，既能約束鋼板變形程度，又可使鋼架連成整體，進(jìn)而獲得較為穩(wěn)定且可靠的支護(hù)。通過(guò)上文分析可知，只有對(duì)鋼架、限阻器所承受力的大小加以控制，才能將項(xiàng)目投運(yùn)后出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的概率降至最低，并確保隧道所具有價(jià)值得到最大化實(shí)現(xiàn)。由于限阻器被用于隧道建設(shè)的時(shí)間較短，尚存較多亟待解決的問(wèn)題，故在項(xiàng)目施工期間，施工方應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)定開(kāi)展檢測(cè)等工作，確保潛在威脅能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除。

4.2.2 變形檢測(cè)

本項(xiàng)目使用激光掃描儀檢測(cè)支護(hù)變形情況，若支護(hù)已出現(xiàn)變形，需技術(shù)人員盡快確定變形程度并將檢測(cè)結(jié)果同步給施工方，確保施工方能及時(shí)了解地質(zhì)條件，根據(jù)地質(zhì)條件調(diào)整設(shè)計(jì)方案。如果支護(hù)變形速度達(dá)2～3 cm/d，應(yīng)增加檢測(cè)次數(shù)，以免由于檢測(cè)不及時(shí)引起不必要的問(wèn)題；如果變形速度≥3 cm/d，應(yīng)盡快采取相應(yīng)措施，對(duì)變形速度及程度加以控制。在本項(xiàng)目中，施工方將限阻器變形閾值設(shè)定為15 cm，一旦限阻器變形超過(guò)15 cm，便需噴射提前拌和的混凝土，達(dá)到封閉目的。另外，還需對(duì)拱腰安裝的限阻器引起重視，由于該限阻器直接影響拱腰支護(hù)質(zhì)量，故在條件允許的情況下，可通過(guò)增設(shè)套拱的方式，增強(qiáng)拱墻的穩(wěn)定性，將拱部支護(hù)被破壞的概率降至最低。

4.2.3 設(shè)備安裝

在拱腰恰當(dāng)位置增設(shè)限阻器，限阻鋼板所使用原材料首選Q235B 鋼，由技術(shù)人員負(fù)責(zé)對(duì)型鋼架、限阻器進(jìn)行科學(xué)連接，連接方法如下：先通過(guò)螺栓連接，再焊接鋼筋加固，使型鋼架、限阻器成為一個(gè)整體。噴射混凝土前需在限阻器后側(cè)安裝防水板，再用瀝青填充限阻器空隙，填充量應(yīng)控制在1/3 左右，最后用土工布填充其他區(qū)域。待噴射混凝土工作完成，應(yīng)盡快去除土工布，仔細(xì)清理鋼板，保證鋼板表面不存在松散料，隨后即可著手進(jìn)行二次襯砌。

若項(xiàng)目出現(xiàn)壓縮量超出允許范圍的情況，應(yīng)通過(guò)注漿方式逐一處理密實(shí)度不達(dá)標(biāo)的區(qū)域。本項(xiàng)目所使用工具為無(wú)縫鋼管，要求施工方將注漿壓力控制在0.5 MPa 左右，在施工的同時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)位移情況，確保位移問(wèn)題能及時(shí)得到處理，并如實(shí)記錄結(jié)構(gòu)位移量、限阻器變形量，為后續(xù)工作的開(kāi)展提供便利。為確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有實(shí)際意義，需施工方針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)限阻器斷面加以設(shè)置，分別對(duì)拱腳、拱頂及邊墻進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，此外，還應(yīng)將初支內(nèi)力、圍巖壓力加入監(jiān)測(cè)名單，一旦發(fā)現(xiàn)初支出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，便增設(shè)套拱，以使拱墻更加牢固且可靠。

4.3 安全管理策略

在本項(xiàng)目中，為保證施工安全，需盡快落實(shí)以下工作。

1）在豎向鋼板所形成空隙內(nèi)填充土工布，避免混凝土被噴射至鋼板空隙內(nèi)，使限阻器性能受到影響。待施工告一段落，便可去除土工布。

2）重視監(jiān)測(cè)初期變形、限阻器狀態(tài)的工作情況，如監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)限阻器壓縮量在允許范圍外，應(yīng)盡快用混凝土填充鋼板之間存在的空隙，通過(guò)小導(dǎo)管注漿與混凝土噴射相結(jié)合的方式，保證支護(hù)可靠性及穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

研究發(fā)現(xiàn)，施工單位普遍更傾向于通過(guò)施作、破壞及拆換的方式進(jìn)行支護(hù)施工，該做法既不利于提升施工質(zhì)量，又無(wú)法縮短項(xiàng)目工期，圍繞大變形支護(hù)展開(kāi)討論很有必要。高原隧道極易受圍巖性能不理想或施工影響而遭遇突發(fā)情況，導(dǎo)致項(xiàng)目無(wú)法如期交付，要想避免類似問(wèn)題，關(guān)鍵是要準(zhǔn)確掌握支護(hù)原理，結(jié)合圍巖變形原因制定相應(yīng)的支護(hù)方案，靈活運(yùn)用限阻支護(hù)及其他支護(hù)技術(shù)強(qiáng)化圍巖穩(wěn)定性。事實(shí)證明，將限阻器用于隧道建設(shè)，能在保證施工質(zhì)量的前提下縮短工期，未來(lái)可加大該技術(shù)的推廣力度，使其發(fā)揮更大優(yōu)勢(shì)。