高速公路隧道抗采動(dòng)影響變形技術(shù)體系研究

王樂杰 周錦華

(中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

高速公路隧道抗采動(dòng)影響變形技術(shù)體系研究

王樂杰 周錦華

(中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

隧道是高速公路重要構(gòu)筑物，當(dāng)其通過煤礦井田上方時(shí)，將壓覆大量的煤炭資源。壓覆資源解放與隧道建設(shè)如何協(xié)調(diào)是亟待解決的問題。為此，從隧道襯砌結(jié)構(gòu)形式、圍巖等級(jí)以及設(shè)計(jì)參數(shù)開始分析隧道自身抗采動(dòng)變形的能力，并從隧道初期支護(hù)、二次襯砌、仰拱和防水層材料入手考慮，建立隧道抗采動(dòng)影響變形技術(shù)體系，通過采取一系列綜合措施，達(dá)到隧道既安全運(yùn)營(yíng)又可實(shí)現(xiàn)安全采出壓覆資源的目的。

煤礦開采 隧道襯砌結(jié)構(gòu) 抗變形體系

在經(jīng)濟(jì)、社會(huì)日益發(fā)展的今天，高速公路運(yùn)輸越來(lái)越發(fā)揮著舉足輕重的作用，據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，我國(guó)自1988年底第一條高速公路(滬嘉高速公路)建成通車至2012年底，總里程已達(dá)9.56萬(wàn)km，超越美國(guó)，成為世界第一。隧道作為公路線上的重要構(gòu)筑物，特別是山區(qū)線路或重要干線，隧道可避免線路繞行，起到快速、便捷的作用，當(dāng)其在井田上方建設(shè)時(shí)，將壓覆大量的煤炭資源。本研究通過對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)類型及支護(hù)型式抗變形能力大小的分析，以期通過在新建隧道時(shí)采取抗變形技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)高速公路建設(shè)與壓煤開采互不影響，達(dá)到雙贏的目的。

1 公路隧道襯砌類型與圍巖等級(jí)劃分

1.1 公路隧道襯砌類型

公路隧道襯砌類型分為整體式襯砌、噴錨襯砌、復(fù)合式襯砌和裝配式襯砌，一般常用的形式是前面3種。

(1)整體式襯砌。整體式襯砌分為直墻式襯砌和曲墻式襯砌2種，詳見圖1。直墻式襯砌：由上部拱圈、兩邊豎直邊墻和下部鋪底組成，主要適用于地質(zhì)條件好，隧道開挖后，圍巖水平壓力較小的情況，多用于Ⅰ～Ⅲ類圍巖。曲墻式襯砌：由上部拱圈、兩側(cè)曲墻、仰拱/底板(或鋪底)組成，主要適用于地質(zhì)條件較差，隧道開挖后，圍巖水平壓力較大，為了抵抗該壓力將隧道邊墻做成曲線形狀，并在地基基礎(chǔ)較差的情況下設(shè)置仰拱，從而使襯砌形成環(huán)形閉合結(jié)構(gòu)，抵抗底鼓壓力使隧道底板出現(xiàn)鼓脹與襯砌沉陷情況，多用于在Ⅳ類以上圍巖或者Ⅲ類圍巖雙線隧道。

(2)噴錨襯砌。根據(jù)實(shí)際情況，需要設(shè)置錨桿的則先裝設(shè)錨桿，再噴混凝土，即為噴錨襯砌，見圖2。

圖1 整體式襯砌

圖2 復(fù)合式襯砌與錨噴襯砌

(3)復(fù)合式襯砌。由初次支護(hù)與二次襯砌組合而成。初次支護(hù)主要作用是對(duì)圍巖進(jìn)行加固，控制圍巖變形，防止圍巖有害松動(dòng)，初期支護(hù)形式可以采用噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)或鋼拱支架的1種或幾種組合。待初次支護(hù)的變形基本穩(wěn)定后，進(jìn)行現(xiàn)澆混凝土二次襯砌。為解決襯砌防水問題，初次支護(hù)與二次襯砌之間鋪設(shè)防水層，見圖2。

(4)裝配式襯砌。這種襯砌是將若干在工廠或現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制的構(gòu)件運(yùn)入坑道內(nèi)，用機(jī)械拼裝而成，一經(jīng)裝配，即可承受圍巖壓力。

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，高速公路、一級(jí)公路、二級(jí)公路的隧道應(yīng)采用復(fù)合式襯砌；三級(jí)以下公路隧道，在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖條件下，隧道洞口段應(yīng)采用復(fù)合式襯砌或整體式襯砌，其他段可采用噴錨襯砌。

1.2 公路隧道圍巖等級(jí)劃分

公路隧道圍巖等級(jí)是根據(jù)圍巖的堅(jiān)硬程度和完整性來(lái)劃分的，通常用圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ或修正的圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)[BQ]為劃分標(biāo)準(zhǔn)。BQ分級(jí)以巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度來(lái)衡量巖體的基本質(zhì)量，以巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc來(lái)劃分巖石堅(jiān)硬程度，而巖體完整程度用巖體完整性系數(shù)表示為

式中，Vpm為巖體彈性縱波速度，Vpr為巖塊彈性縱波速度[1]。巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ可按如下公式計(jì)算：

BQ=90+3Rc+250Kv，

式中，Rc單位為MPa。

根據(jù)圍巖或土體主要定性特征和圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ值來(lái)對(duì)公路隧道圍巖等級(jí)進(jìn)行劃分，共劃分6個(gè)等級(jí)，分別為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)和Ⅵ級(jí)，詳見表1[4]。表1不適用于特殊條件的圍巖分級(jí)，如膨脹性圍巖、多年凍土等。

2 高速公路隧道抗變形能力研究

高速公路隧道襯砌采用復(fù)合式襯砌，復(fù)合式襯砌初期支護(hù)形式和二次襯砌構(gòu)造則根據(jù)隧道圍巖等級(jí)以及車道劃分不同而不同，因此其對(duì)開采引起的隧道圍巖移動(dòng)變形抵抗能力也不同。表2為不同車道類型、不同圍巖級(jí)別高速公路隧道復(fù)合式襯砌的設(shè)計(jì)參數(shù)。復(fù)合式襯砌是由初期支護(hù)、防水層與二次襯砌組成，其中防水層起到緩沖、隔離作用，一方面當(dāng)初期支護(hù)產(chǎn)生形變及形變壓力較大時(shí)，可以吸收一部分變形量和降低形變壓力，并將少量形變壓力均勻地傳布到二次襯砌上，并依靠二次襯砌抵抗該部分變形，從而在一次襯砌出現(xiàn)裂縫時(shí)，二次襯砌是完好的。因此，該防水層相當(dāng)于地基基礎(chǔ)設(shè)置的滑動(dòng)層作用，可以吸收一部分采動(dòng)影響造成隧道圍巖應(yīng)力變化產(chǎn)生的變形作用，從而減少采動(dòng)變形造成二次襯砌受損程度。

表1 公路圍巖等級(jí)劃分表

從表2可知，高速公路隧道凈寬和圍巖等級(jí)決定了初次支護(hù)形式、二次襯砌噴射混凝厚度與配筋大小以及是否增設(shè)仰拱，從而也決定了其抗變形能力。一般來(lái)說，對(duì)于素混土來(lái)說，只抵抗壓應(yīng)力，不抵抗拉應(yīng)力，只有在配有鋼筋的情況下，才可以抵抗一部分拉應(yīng)力。因此在采動(dòng)影響情況下，高速公路隧道抗變形能力有如下特征：①對(duì)于二次襯砌只噴射素混凝土的高速公路隧道來(lái)說抵抗壓縮變形能力大于抵抗拉伸變形能力，混凝土襯砌厚度越大，其抵抗壓縮變形能力越強(qiáng)，反之越弱；②對(duì)于配筋的混凝土二次襯砌既可抵抗采動(dòng)影響產(chǎn)生的壓縮變形又可抵抗拉伸變形，一般來(lái)講至少可以抵抗采動(dòng)影響造成的Ⅰ級(jí)輕微損害；③對(duì)于二次襯砌增設(shè)仰拱提高了高速公路隧道整體性與穩(wěn)定性，其抗變形能力要強(qiáng)于未設(shè)仰拱的隧道。

3 高速公路隧道抗采動(dòng)變形技術(shù)體系研究

表2 不同車道類型、不同圍巖級(jí)別高速公路隧道復(fù)合式襯砌的設(shè)計(jì)參數(shù)

注：有地下水時(shí)，可取大值；無(wú)地下水時(shí)，可取小值。采用鋼架時(shí)，宜選用格柵鋼架。錨桿采用全長(zhǎng)黏結(jié)錨桿。

為了最大限度地解放高速公路隧道壓覆的煤炭資源，因此要根據(jù)采動(dòng)影響對(duì)隧道損害程度，建立隧道抗采動(dòng)變形技術(shù)體系，從而達(dá)到既解放資源的目的，又保證隧道安全運(yùn)營(yíng)。隧道抗采動(dòng)變形體系從初期支護(hù)、切割變形縫、二次襯砌、仰拱及防水層材料加以考慮，具體抗采動(dòng)變形技術(shù)體系如下。

(1)初期支護(hù)。對(duì)于采動(dòng)影響隧道初期支護(hù)，噴射混凝土的厚度及錨桿參數(shù)按降低一個(gè)圍巖等級(jí)進(jìn)行支護(hù)，對(duì)于采動(dòng)影響后圍巖等級(jí)為Ⅱ、Ⅲ級(jí)的要求隧道拱、墻均鋪設(shè)@25 mm×25 mm鋼筋網(wǎng)。

(2)切割隧道變形縫。切割變形縫不僅對(duì)建筑物適用，對(duì)于隧道構(gòu)筑物也是適用的，目的一是控制受影響隧道的單體長(zhǎng)度，減少隧道單體變形總量對(duì)隧道的破壞程度;目的二是將采動(dòng)影響傳遞的應(yīng)力變形在此處集中釋放，從而保護(hù)分割單體不受結(jié)構(gòu)性破壞。隧道變形縫只針對(duì)二次襯砌進(jìn)行切割，要求不破壞復(fù)合式襯砌中間的防水層，單體長(zhǎng)度一般控制以1個(gè)或2個(gè)施工模數(shù)(1個(gè)施工模數(shù)一般為12 m)，縫寬不超過30 mm為宜。

(3)二次襯砌配筋。不論二車道、三車道高速隧道都要求二次襯砌配筋，根據(jù)采動(dòng)影響引起隧道移動(dòng)變形量來(lái)計(jì)算二次襯砌配筋大小。

(4)仰拱。對(duì)采動(dòng)影響段的隧道二次襯砌增設(shè)仰拱，仰拱襯砌配筋根據(jù)采動(dòng)影響引起隧道移動(dòng)變形量進(jìn)行計(jì)算。

(5)防水層材料?？蛇x用聚脂短纖維土工布與EVA (乙烯-醋酸乙烯共聚物)防水板，前者作為柔軟兼具相當(dāng)強(qiáng)度的緩沖層，后者具有抗拉強(qiáng)度大與抗裂強(qiáng)度大特點(diǎn)。

4 結(jié) 論

(1)復(fù)合式襯砌隧道具有較好的抗采動(dòng)變形能力，隧道防水層起到吸收變形的作用，二次襯砌為素混凝土的隧道只具備抗壓縮變形能力，二次襯砌厚度越大，其抗壓縮變形能力越強(qiáng)，二次襯砌為鋼筋混凝土的隧道即抗壓縮變形也抗拉伸變形，其至少可以抵抗采動(dòng)影響Ⅰ級(jí)輕微損壞。

(2)對(duì)于新建隧道，可根據(jù)受采動(dòng)影響程度，對(duì)隧道采取綜合抗變形設(shè)計(jì)措施，實(shí)現(xiàn)新建隧道建設(shè)和礦井資源安全開采雙贏的目的。

[1] 姜 平，孟 偉.基于巖體質(zhì)量分級(jí)的巖石力學(xué)參數(shù)研究[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，6(5)：424-427. Jiang Ping，Meng Wei.Research on rock mechanics parameters of rock quality grade-oriented[J].Journal of China Three Gorges University：Natural Sciences，2004，26(5):424-427.

[2] 王樂杰.地下開采對(duì)高速公路隧道的影響研究[J].金屬礦山，2013(7)：27-30. Wang Lejie.Effect of underground mining on the expressway tunnel[J].Metal Mine，2013(7):27-30.

[3] 王樂杰，李景岱.談路下采煤對(duì)高速公路的損害影響[J].金屬礦山，2008(8)：123-125. Wang Lejie，Li Jingdai.Damage effect of under-expressway coal mining on the expressway[J].Metal Mine，2008(8):123-125.

[4] 重慶交通科研設(shè)計(jì)院.JTG D70—2004 公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004. Chongqing Communications Research and Design Institute.JTG D70-2004 Code for Design of Road Tunnel[S].Beijing:China Communications Press，2004.

(責(zé)任編輯 石海林)

Study on Technical System of Resistance to Mining Influence in Highway Tunnels

Wang Lejie Zhou Jinhua

(TangshanResearchInstitute，ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroup，Tangshan063012，China)

A tunnel is an important structure of the highway.It will cover a great amount of coal resources when going above mining areas.It is in urgent need to harmonize between exploring the covered coal and construction of the tunnels.Accordingly，beginning with the study of the tunnel lining structure，the surrounding rock grade and the design parameter，the ability to resist the mining influence of tunnels themselves is analyzed.Besides，a technical system of resisting the mining influence in highway tunnels is provided based on the analysis of the tunnel initial support，the secondary lining，the inverted arch and water-proof layer materials.A series of measures are taken to ensure the operation safety of tunnels and exploring the covered coals.

Coal mining，Tunnel lining structure，Resistance to deformation system

2015-02-06

王樂杰(1976—)，女，研究員。

X936 TD325

A

1001-1250(2015)-04-040-04