軟巖大變形隧道二次襯砌混凝土回填量控制研究

姬延波

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南洛陽 471009)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國的鐵路、公路、水利、地鐵等基礎(chǔ)建設(shè)發(fā)生著日新月異的變化，越來越多的工程轉(zhuǎn)向地下空間。在地下工程施工中，鉆爆法以其適用范圍廣和工藝簡單等特點(diǎn)，成為現(xiàn)階段隧道施工的主要方法。但鉆爆法由于工序多，以人工操作為主，一定程度上加大了施工工藝的控制難度。初期支護(hù)結(jié)構(gòu)預(yù)留變形量對(duì)二次襯砌混凝土厚度的影響就是其中之一，且在軟巖大變形段隧道施工中尤為突出。

在隧道軟巖大變形控制方面:劉建友等［1］提出軟弱圍巖的力學(xué)特征及其變形規(guī)律是實(shí)現(xiàn)軟弱圍巖隧道安全快速施工的理論基礎(chǔ)。強(qiáng)度低、變形大、變形時(shí)間長、變形速度快是軟弱圍巖的基本特征，故在軟弱圍巖隧道施工過程中，必須根據(jù)圍巖應(yīng)力調(diào)整的特征及其變形規(guī)律，合理選擇開挖分部和開挖進(jìn)尺，切實(shí)做好超前支護(hù)，加強(qiáng)施工管理，按照“預(yù)支護(hù)、快挖、快支、快封閉”的施工原則，實(shí)現(xiàn)軟弱圍巖隧道安全快速施工。

徐慧芬［2］對(duì)大埋深軟巖隧道的合理開挖斷面、合理施工工序和支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了深入的研究。優(yōu)化后的方案改善了斷面仰拱位置的幾何奇異性，使開挖斷面更加平滑，使襯砌的受力更加均勻。優(yōu)化后的方案在盡量不增加開挖面積的前提下，增加了仰拱的深度，很好地控制了圍巖的豎向收斂，從而有效地控制了圍巖塑性區(qū)的發(fā)展。

徐勇等［3］為解決雙線軟巖隧道施工中普遍存在沉降和收斂過大、初期支護(hù)變形侵限導(dǎo)致拆換拱的現(xiàn)象，通過介紹蘭渝鐵路兩水隧道施工中應(yīng)用的幾種工法，根據(jù)圍巖監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析，從安全、進(jìn)度和設(shè)備利用方面進(jìn)行比選，得出大拱腳臺(tái)階法比較適合于雙線軟巖隧道的施工。

在隧道軟巖大變形段施工時(shí)，為避免初期支護(hù)變形侵限導(dǎo)致拆換拱增加施工投入的現(xiàn)象發(fā)生，普遍采用按最大累計(jì)變形量來確定初期支護(hù)預(yù)留變形量的方法施工，且傳統(tǒng)理念確定的初期支護(hù)預(yù)留變形量為拱墻統(tǒng)一設(shè)置［4－5］。通過大量現(xiàn)場實(shí)踐證明，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)并不是全環(huán)均勻變形的，這就造成局部二次襯砌混凝土實(shí)際施工厚度大大超出設(shè)計(jì)厚度，即二次襯砌混凝土回填量過大。

針對(duì)此問題，目前無相關(guān)的文獻(xiàn)可供借鑒。本文通過對(duì)蘭渝鐵路同寨隧道軟巖大變形段圍巖情況及變形數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)其變形規(guī)律，并對(duì)初期支護(hù)斷面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出預(yù)留變形量從拱頂?shù)焦澳_由大到小漸變?cè)O(shè)置的理念，從而減少二次襯砌混凝土的回填量。

1 工程概況

1.1 總體情況

同寨隧道是新建蘭州至重慶鐵路夏官營至廣元段的一座高風(fēng)險(xiǎn)隧道，全長8 827 m(DK247+308～DK256+135)，位于甘肅省隴南市宕昌縣境內(nèi)，線路基本呈西北向東南走向。隧道洞身通過的地層主要為三疊系下統(tǒng)板巖夾砂巖及華力西期安山玢巖，原設(shè)計(jì)70%為Ⅲ級(jí)圍巖，28%為Ⅳ級(jí)圍巖，2%為Ⅴ級(jí)圍巖。實(shí)際揭示70%為三疊系下統(tǒng)板巖夾砂巖地層，屬Ⅳ級(jí)圍巖。

1.2 地質(zhì)情況

同寨隧道大變形主要發(fā)生在三疊系下統(tǒng)板巖地層內(nèi)，薄層板狀、節(jié)理、小揉皺和褶曲等構(gòu)造發(fā)育，巖層的傾向和走向與隧道的位置關(guān)系是該種地層隧道初期支護(hù)大變形的主要原因。

1.3 大變形段隧道主要施工參數(shù)

拱部120°范圍設(shè)φ42 mm超前注漿小導(dǎo)管，長4 m，環(huán)向間距為40 cm，縱向間距為2.4 m。全環(huán)噴射C25混凝土，拱墻厚30 cm，仰拱厚25 cm。全環(huán)設(shè)置H175型鋼鋼架，間距為 0.6～0.8 m;鋼架采用 φ22 mm縱向連接筋連接，環(huán)向間距為1.0 m。拱墻掛設(shè)φ8 mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距為20 cm×20 cm，拱部掛雙層鋼筋網(wǎng)。邊墻設(shè)φ22 mm砂漿錨桿，長4 m，間距為1.2 m×1.0 m(環(huán)×縱)，砂漿錨桿可作為鋼架鎖固錨桿進(jìn)行位置調(diào)整。鋼架設(shè)置φ42 mm注漿鎖腳錨管，長4.0 m，每榀鋼架12根。拱墻增設(shè)φ42 mm小導(dǎo)管徑向注漿加固，長 4.0 m，間距為 1.5 m ×1.5 m(環(huán) ×縱)。二次襯砌采用C35鋼筋混凝土，鋼筋環(huán)向采用φ22 mm@20 cm，縱向采用φ14 mm@20 cm，箍筋采用φ8 mm@20 cm×20 cm，拱墻厚50 cm，仰拱厚55 cm。

2 變形規(guī)律研究

2.1 變形量與地質(zhì)因素關(guān)系

根據(jù)同寨隧道軟巖大變形不同里程段的不同圍巖情況，建立了圍巖情況與累計(jì)變形量關(guān)系表。測線布置見圖1。圍巖情況與累計(jì)變形量關(guān)系見表1。

圖1 測線布置圖Fig.1 Layout of measurement lines

表1 圍巖情況與累計(jì)變形量關(guān)系表Table 1 Relationship between surrounding rock conditions and cumulative deformation

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本工程穿越的地層以表1中第4種情況居多，即三疊系下統(tǒng)板巖地層，薄層板狀構(gòu)造，層間結(jié)合力差，節(jié)理、褶曲和小揉皺發(fā)育。本文下述內(nèi)容均以該種地層為例，統(tǒng)稱“隧道大變形段”。

2.2 開挖臺(tái)階設(shè)置與步距控制

隧道大變形段采用三臺(tái)階鉆爆法施工，初期支護(hù)預(yù)留變形量從拱頂?shù)焦澳_均為30 cm。具體支護(hù)結(jié)構(gòu)及臺(tái)階劃分情況見圖2。

圖2 隧道斷面(單位:mm)Fig.2 Cross-section of tunnel(mm)

現(xiàn)場正常施工統(tǒng)計(jì)顯示，開挖掘進(jìn)日進(jìn)尺2.4 m，月完成72 m。仰拱封閉作業(yè)面與上臺(tái)階掘進(jìn)作業(yè)面始終保持40 m的安全距離計(jì)算，同一里程部位從初期支護(hù)完成到仰拱封閉，上臺(tái)階需要17 d，中臺(tái)階需要15 d，下臺(tái)階需要7 d。在此期間，上臺(tái)階初期支護(hù)結(jié)構(gòu)將受中臺(tái)階、下臺(tái)階及仰拱開挖施工擾動(dòng)多次，中、下臺(tái)階與之相比，受到的擾動(dòng)次數(shù)相應(yīng)較少［6－7］。隧道施工分布情況見圖3。

圖3 隧道施工分布圖Fig.3 Arrangement of tunnel construction

2.3 施工期間變形分析

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，正常情況下仰拱封閉后初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形趨于穩(wěn)定。以典型地段為例進(jìn)行變形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，同一里程部位從初期支護(hù)完成到仰拱封閉拱頂下沉H線累計(jì)達(dá)255 mm左右，周邊收斂A線累計(jì)達(dá)350 cm左右(單側(cè)為175 mm)，周邊收斂B線累計(jì)達(dá)150 cm左右(單側(cè)為75 mm)。時(shí)間－位移曲線見圖4。

圖4 時(shí)間－位移曲線Fig.4 Displacement Vs time

2.4 變形規(guī)律

1)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)累計(jì)變形量與圍巖薄層板狀、節(jié)理、小揉皺、褶曲等構(gòu)造發(fā)育情況，以及巖層產(chǎn)狀與隧道走向等因素均具有一定的關(guān)系。

2)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)累計(jì)變形量與其暴露時(shí)間及受擾動(dòng)次數(shù)成正比。

3)同寨隧道軟巖大變形段累計(jì)變形量從拱頂?shù)焦澳_呈現(xiàn)由大到小漸變的規(guī)律，即拱頂變形量最大、邊墻次之、拱腳變形量最小。

3 初期支護(hù)斷面優(yōu)化

3.1 斷面優(yōu)化

在不改變隧道初期支護(hù)凈空斷面等設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，結(jié)合上述變形規(guī)律，可對(duì)其初期支護(hù)斷面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。將初期支護(hù)內(nèi)輪廓半徑由圖2的693 cm減小為678 cm，將圓心與內(nèi)軌頂面的距離由圖2的242 cm變更為257 cm，將圖2斷面的下部直線段變更為拱墻同心圓曲線，二次襯砌按原設(shè)計(jì)施工，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化后初期支護(hù)斷面的預(yù)留變形量由拱頂至拱腳為30～9.5 cm漸變。優(yōu)化后隧道斷面見圖5。

圖5 優(yōu)化后隧道斷面(單位:mm)Fig.5 Optimized tunnel cross-section(mm)

3.2 斷面優(yōu)化對(duì)比分析

按拱墻預(yù)留變形量均為30 cm的初期支護(hù)斷面施工后(見圖6，圖中黑色區(qū)域?yàn)槎我r砌混凝土回填區(qū)域，襯砌前初期支護(hù)斷面輪廓采用全站儀加密測點(diǎn)繪圖獲得)，平均每延米實(shí)際用量超出設(shè)計(jì)量3.5 m3(采用CAD繪圖或根據(jù)測點(diǎn)求二次襯砌混凝土平均厚度計(jì)算獲得)。按二次襯砌混凝土成本為500元/m3計(jì)算，則每延米隧道成本增加1 750元。

圖6 優(yōu)化前襯砌斷面Fig.6 Lining cross-section before optimization

按優(yōu)化后初期支護(hù)斷面(見圖5)施工后(見圖7，圖中黑色區(qū)域?yàn)槎我r砌混凝土回填區(qū)域)，平均每延米實(shí)際用量超出設(shè)計(jì)量1.1 m3，比采用原初期支護(hù)斷面施工的二次襯砌混凝土超耗量減少2.4 m3，減少量達(dá)69%。同樣按混凝土成本為500元/m3計(jì)算，則每延米隧道成本增加550元。與按優(yōu)化前的初期支護(hù)斷面施工相比，每延米隧道成本相應(yīng)減少1 200元。按同寨隧道預(yù)計(jì)5 000 m的大變形段預(yù)估，單此一項(xiàng)將節(jié)約成本600萬元。

圖7 優(yōu)化后襯砌斷面Fig.7 Lining cross-section after optimization

4 結(jié)論與探討

本文對(duì)蘭渝鐵路同寨隧道軟巖大變形段的地層情況、施工步距及變形數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)初期支護(hù)斷面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到大幅度減少二次襯砌混凝土超耗的目的，降低了施工投入。主要結(jié)論如下:

1)軟巖大變形段隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)累計(jì)變形量與圍巖特征、暴露時(shí)間及被擾動(dòng)次數(shù)有直接關(guān)系。

2)根據(jù)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的累計(jì)變形量與不同臺(tái)階以及圍巖特征之間的關(guān)系，對(duì)全環(huán)均勻設(shè)置預(yù)留變形量進(jìn)行了優(yōu)化，拱頂至拱腳分別在30～9.5 cm、40～12 cm和20～5 cm等范圍內(nèi)，采用不同程度漸變?cè)O(shè)置預(yù)留變形量的初期支護(hù)斷面。

3)在施工過程中，根據(jù)每循環(huán)開挖后揭示的圍巖特征，判斷可能出現(xiàn)的變形程度，動(dòng)態(tài)調(diào)整不同圍巖條件下各部位的預(yù)留變形量，從而選擇合適的優(yōu)化斷面。

4)仰拱初期支護(hù)完成至仰拱混凝土澆筑封閉時(shí)間較短，一般不超過12 h，變形量在施工誤差值允許范圍內(nèi)，不考慮預(yù)留變形量。

由于軟巖大變形隧道地質(zhì)條件十分復(fù)雜，變形影響因素眾多，一味通過加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)或二次支護(hù)，工程投入將大大提高［8－10］。通過動(dòng)態(tài)調(diào)整預(yù)留變形量控制二次襯砌混凝土回填量，僅是控制大變形隧道施工投入的一小部分，也存在于變形控制措施充分有效發(fā)揮作用的基礎(chǔ)之上。如何在確保安全的前提下進(jìn)一步降低軟巖大變形隧道的工程投入，最終達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、高效的目的，仍有待于進(jìn)一步深入研究。

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