高地應(yīng)力軟巖隧道變形測(cè)試與分析

摘要：現(xiàn)有許多支護(hù)措施實(shí)際支護(hù)效果不佳，導(dǎo)致高地應(yīng)力軟巖隧道大變形甚至塌方等安全事故頻頻發(fā)生。文章依托大沙嘴隧道工程坍塌情況，優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)方案，并在相應(yīng)位置處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分析隧道結(jié)構(gòu)變形情況。結(jié)果表明：圍巖壓力在拱頂處取最大值36.01 kPa；鋼拱架應(yīng)力、混凝土應(yīng)力時(shí)程曲線均在前5 d斜率較大，之后趨于平緩，拱頂、拱腰、拱腳和邊墻處整體取值滿足規(guī)范要求；豎向位移和水平收斂時(shí)程曲線整體變化趨勢(shì)相似，豎向位移最大值為20.79 mm，水平收斂最大值為13.46 mm。研究表明，采用該優(yōu)化措施后的支護(hù)方案減少了隧道變形量，并有效控制了其結(jié)構(gòu)變形。

關(guān)鍵詞：高地應(yīng)力；隧道；支護(hù)；監(jiān)測(cè)

中文分類號(hào)：U456.3A461513

0引言

隨著經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，我國西部地區(qū)不斷擴(kuò)大交通基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模。由于該地區(qū)高地應(yīng)力軟巖分布較為廣泛，隧道施工中經(jīng)常會(huì)穿越各種不良地質(zhì)區(qū)域，極易發(fā)生層間滑移引發(fā)大變形甚至塌方等工程事故，嚴(yán)重影響隧道施工進(jìn)度和工人生命安全。

對(duì)于高地應(yīng)力軟巖隧道變形情況，學(xué)者們一般從支護(hù)理念、支護(hù)體系、施工工法等角度展開分析。從傳統(tǒng)“強(qiáng)支硬頂”到如今“讓壓”支護(hù)理念，考慮高地應(yīng)力軟巖力學(xué)特性，新型支護(hù)結(jié)構(gòu)在提供較高支護(hù)阻力的同時(shí)，具有一定的延展性適應(yīng)圍巖變形需要［1-2］；構(gòu)造相似但現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境不同的軟巖，在物理力學(xué)參數(shù)上具有較大差異，導(dǎo)致其支護(hù)體系需根據(jù)實(shí)際情況做出調(diào)整，以控制隧道變形［3-5］；通過改進(jìn)或創(chuàng)新施工工法，經(jīng)濟(jì)高效地解決隧道大變形、塌方等問題［6-9］。綜上可知，雖然學(xué)者們?cè)诟叩貞?yīng)力軟巖隧道新型支護(hù)方案、施工技術(shù)等方面開展了較多研究，但面對(duì)更為復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境時(shí)，許多支護(hù)措施實(shí)際支護(hù)效果不佳，并不能有效控制隧道大變形。

本文基于大沙嘴隧道工程穿越斷層破碎帶、富水軟巖等不良地質(zhì)區(qū)域而坍塌40余次情況，優(yōu)化并詳細(xì)介紹其支護(hù)方案，同時(shí)在拱頂、拱腰、拱腳和邊墻處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在對(duì)應(yīng)位置處布置元件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。繪制初期支護(hù)圍巖壓力、鋼拱架應(yīng)力、混凝土應(yīng)力和洞周位移時(shí)程曲線圖，分析隧道結(jié)構(gòu)變形情況。

1工程概況

1.1隧道概況

大沙嘴隧道位于四川省涼山州境內(nèi)宜賓—攀枝花高速公路金陽至寧南段。隧道采用分離式設(shè)計(jì)左、右線，左線隧道總長3 940 m，其里程樁范圍為Z2K189+946～Z2K193+886；右線隧道總長3 974 m，其里程樁范圍為K189+900～K193+874。依據(jù)規(guī)范判斷均屬特長隧道。圍巖以強(qiáng)-全風(fēng)化千枚巖為主，部分夾雜板巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，地下水較發(fā)育且部分段落出現(xiàn)股狀壓力水，開挖后受地下水侵蝕極易發(fā)生坍塌，地質(zhì)較為復(fù)雜，變化較快?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)隧道局部坍塌近40次，原方案超前預(yù)加固以及初期支護(hù)措施嚴(yán)重不足。

1.2支護(hù)方案優(yōu)化

為了防止千枚巖地段大沙嘴隧道施工再次出現(xiàn)大變形病害，制定防止隧道施工出現(xiàn)大變形的支護(hù)參數(shù)變更方案非常必要。結(jié)合國內(nèi)外千枚巖隧道的支護(hù)參數(shù)選擇以及優(yōu)化措施，針對(duì)大沙嘴隧道主洞Ⅴ級(jí)圍巖千枚巖地層深埋段支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，主要優(yōu)化措施如下。

1.2.1超前支護(hù)和輔助措施

（1）通過擴(kuò)大拱腳的方式開挖上臺(tái)階，在上臺(tái)階底部增設(shè)臨時(shí)仰拱。臨時(shí)仰拱厚度為25 cm，同時(shí)在拱腳部位兩側(cè)增加型鋼斜撐。

（2）超前小導(dǎo)管由原方案單層間距3 m打設(shè)4.5 m搭接1.5 m變更為雙層間距2 m打設(shè)4.5 m搭接2 m，對(duì)隧道拱部進(jìn)行加固，減少地層變形。

（3）為避免地下水的大量流失，對(duì)隧道全斷面進(jìn)行深孔預(yù)注漿，注漿范圍為8 m。

（4）在掌子面上臺(tái)階鋪設(shè)25 mm玻璃纖維錨桿，長度為12 m，間距為0.6 m×0.6 m，梅花形布置，每8 m施作一循環(huán)，搭接長度為4 m，注漿范圍考慮4 m，并噴涂10 cm噴射混凝土實(shí)現(xiàn)掌子面封閉，加強(qiáng)巖體的支撐和連接，提高隧道掌子面的穩(wěn)定性，同時(shí)防止水流滲漏，以提高掌子面的支撐能力和防止塌方。

（5）斷面徑向注漿加固圍巖，拱部和邊墻注漿范圍為4 m，仰拱注漿范圍為6 m，防止初支斷落侵限失穩(wěn)。

（6）預(yù)留變形量由原方案的10～20 cm變更為40 cm，從而避免因超限變形而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

1.2.2初期支護(hù)

（1）將原方案24 cm的C25噴射混凝土變更為35 cm的C30鋼纖維早高強(qiáng)噴射混凝土。

（2）鋼拱架由HW175型鋼代替原方案的Ⅰ18工字鋼，間距由原來的0.8 m縮短為0.6 m，縱向連接筋由原方案的22 mm鋼筋變更為U14a槽鋼。

（3）錨桿布置形式：調(diào)整隧道拱頂和邊墻的錨桿由3 m的22 mm藥卷錨桿和6 m的25 mm漲殼讓壓式中空注漿錨桿變更為4 m的22 mm藥卷錨桿和8 m的32 mm自進(jìn)式錨桿，間距由原方案縱×環(huán)的1.0 m×1.2 m調(diào)整為0.6 m×1.0 m，形成“長短組合錨桿”體系，擴(kuò)大錨桿對(duì)巖層的加固范圍。同時(shí)在臺(tái)階分界處增設(shè)4根8 m鎖腳錨桿。

改變支護(hù)參數(shù)的同時(shí)對(duì)應(yīng)調(diào)整各部分施工方法，試驗(yàn)段支護(hù)方案與原方案對(duì)比如表1所示。

2現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

施工期間現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的主要項(xiàng)目包括4項(xiàng)，分別為初期支護(hù)混凝土應(yīng)力監(jiān)測(cè)、洞周位移監(jiān)測(cè)、初期支護(hù)圍巖壓力監(jiān)測(cè)和初期支護(hù)鋼拱架應(yīng)力監(jiān)測(cè)。K190+460處為監(jiān)測(cè)斷面，拱頂、左（右）拱腰、左（右）拱腳以及左（右）邊墻處各設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)振弦式土壓力計(jì)監(jiān)測(cè)初期支護(hù)圍巖壓力，鋼拱架內(nèi)外側(cè)布置振弦式表面應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)其應(yīng)力變化。同時(shí)，在鋼拱架混凝土合適厚度處布置振弦式混凝土應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)其應(yīng)力變化。具體布置位置如圖1所示。

洞周位移監(jiān)測(cè)斷面以K190+460為基準(zhǔn)，每隔5 m設(shè)置一個(gè)，利用精密全站儀觀察并記錄隧道邊墻處水平位移時(shí)序曲線以及拱頂、拱腰處豎向位移時(shí)序曲線。

在隧道施工期間，根據(jù)《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》（Q/CR9218-2015）要求，各項(xiàng)目檢測(cè)頻率如表2所示，待監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后即可停止監(jiān)測(cè)。

3現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1初期支護(hù)圍巖壓力

由圖2可知，隧道拱頂、左拱腰處分別出現(xiàn)圍巖壓力最大值（36.01 kPa）和最小值（3.87 kPa）。對(duì)比分析左右拱腰、拱腳和邊墻曲線變化趨勢(shì)，基本上左邊數(shù)值大于右邊。以左右邊墻數(shù)據(jù)為例，左邊墻圍巖壓力穩(wěn)定值為13.53 kPa，右邊墻圍巖壓力穩(wěn)定值為24.29 kPa，兩者相差近1倍，表明右邊圍巖穩(wěn)定性較差。

3.2初期支護(hù)鋼拱架應(yīng)力

由圖3可知，隧道開挖過程中圍巖壓力不斷變化，導(dǎo)致初期支護(hù)鋼拱架受力不斷增加，其應(yīng)力最大值出現(xiàn)在拱頂內(nèi)側(cè)，為99.20 MPa。隨著現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度推進(jìn)，拱腰、拱腳和邊墻處整體曲線趨勢(shì)變化不大，穩(wěn)定取值區(qū)間為5～30 MPa。根據(jù)《碳素結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 700-2006）可知鋼拱架屈服強(qiáng)度為235 MPa，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度，這表明新的支護(hù)方案能有效維持隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

3.3初期支護(hù)混凝土應(yīng)力

由圖4可知，左拱腳外側(cè)出現(xiàn)混凝土拉應(yīng)力最大值1.01 MPa，混凝土壓應(yīng)力最大值為1.63 MPa，出現(xiàn)在右拱腳外側(cè)。拱頂、拱腰、拱腳和邊墻處整體取值區(qū)間為0.5～1.6 MPa。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）得知C25混凝土抗拉、抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值分別為1.79 MPa、16.70 MPa，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值均低于標(biāo)準(zhǔn)值，這表明支護(hù)方案優(yōu)化后，大部分圍巖壓力由鋼拱架承受，僅少部分傳遞給混凝土，更好地保護(hù)了隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

3.4洞周位移

由圖5可知，豎向位移和水平收斂時(shí)程曲線整體變化趨勢(shì)相似，在上臺(tái)階開挖前后，曲線斜率較大，在5 d后增長速度變緩，當(dāng)下臺(tái)階完成開挖時(shí)，曲線斜率基本保持不變。實(shí)施新的支護(hù)方案后，高地應(yīng)力軟巖隧道豎向位移最大值為20.79 mm，水平收斂最大值為13.46 mm，極大地減少隧道變形量并有效控制其結(jié)構(gòu)變形。

4結(jié)語

（1）本文基于大沙嘴隧道現(xiàn)場(chǎng)施工情況，優(yōu)化其支護(hù)參數(shù)并對(duì)相應(yīng)位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過分析初期支護(hù)圍巖壓力、鋼拱架應(yīng)力、混凝土應(yīng)力和洞周位移時(shí)程曲線圖，表明新的支護(hù)方案能有效維持隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，減少其變形量。

（2）從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析中可以發(fā)現(xiàn)：圍巖壓力在拱頂處取最大值36.01 kPa；鋼拱架應(yīng)力、混凝土應(yīng)力時(shí)程曲線均在前5 d斜率較大，之后趨于平緩，拱頂、拱腰、拱腳和邊墻處整體取值滿足規(guī)范要求；豎向位移和水平收斂時(shí)程曲線整體變化趨勢(shì)相似，豎向位移最大值為20.79 mm，水平收斂最大值為13.46 mm。

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作者簡介：劉保川（1990—），工程師，主要從事隧道及地下工程施工與管理工作。