高地應(yīng)力炭質(zhì)板巖隧道超前洞室應(yīng)力釋放試驗(yàn)研究

武建廣

（中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南洛陽(yáng)471009）

高地應(yīng)力炭質(zhì)板巖隧道超前洞室應(yīng)力釋放試驗(yàn)研究

武建廣*

（中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南洛陽(yáng)471009）

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)高地應(yīng)力實(shí)際情況，以蘭渝鐵路木寨嶺隧道7#斜井進(jìn)行超前導(dǎo)洞、超前導(dǎo)坑地應(yīng)力釋放試驗(yàn)，從理論分析和實(shí)際施工變形監(jiān)測(cè)2方面與原施工段進(jìn)行對(duì)比，無(wú)論是塑性區(qū)的發(fā)展，還是支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形發(fā)展，超前導(dǎo)洞都達(dá)到變形控制的作用，對(duì)其存在的問(wèn)題還需在今后的研究中繼續(xù)完善。

導(dǎo)洞；導(dǎo)坑；應(yīng)力釋放；變形控制

在高地應(yīng)力軟巖隧道施工過(guò)程中產(chǎn)生的大變形導(dǎo)致初期支護(hù)混凝土開(kāi)裂、剝落、掉塊，支護(hù)鋼架扭曲、錯(cuò)斷，初支侵限［1-2］，嚴(yán)重影響了隧道施工安全和進(jìn)度，也加大了施工成本。在高地應(yīng)力區(qū)域修建成的隧道由于變形大導(dǎo)致支護(hù)嚴(yán)重破壞，如烏鞘嶺隧道施工時(shí)最大變形量近1.0m，開(kāi)挖初期平均變形量在0.4～0.6m，致使初支因大變形而遭破壞，并嚴(yán)重侵入隧道襯砌凈空，不得不將初支全部或部分拆除重做［3］；如木寨嶺公路隧道施工中由于大變形導(dǎo)致部分地段多次拆換拱［4］。

在修建蘭渝鐵路木寨嶺隧道初期就因高地應(yīng)力軟巖作用，多數(shù)斜井出現(xiàn)大變形，最為嚴(yán)重的是木寨嶺大坪有軌斜井，大變形導(dǎo)致斜井?dāng)嗝鎻娇s［5］，僅侵限段處理就耗時(shí)2.5個(gè)月，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度。為了尋找解決炭質(zhì)板巖大變形的方法，在木寨嶺隧道大戰(zhàn)溝斜井進(jìn)行了超前導(dǎo)洞應(yīng)力釋放試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)高地應(yīng)力軟巖隧道圍巖初始地應(yīng)力的預(yù)釋放，以期使隧道支護(hù)變形減小至安全可控狀態(tài)。

木寨嶺隧道建設(shè)者已對(duì)超前導(dǎo)洞進(jìn)行了初步研究［6-8］，本文在前人研究的基礎(chǔ)上增加理論計(jì)算分析，從理論和實(shí)際施工2方面對(duì)地應(yīng)力與隧道軸線成大角度相交的情況下超前導(dǎo)洞試驗(yàn)進(jìn)行全面分析，并與正常施工對(duì)比段進(jìn)行對(duì)比，更全面地了解導(dǎo)洞應(yīng)力釋放效果。

1　工程概況

蘭渝鐵路木寨嶺隧道洞身通過(guò)炭質(zhì)板巖區(qū)，板巖及炭質(zhì)板巖段合計(jì)8850m，占隧道全長(zhǎng)的46.5%。隧道穿越斷層破碎帶總計(jì)11條，合計(jì)4500m，占隧道全長(zhǎng)的23.7%。大戰(zhàn)溝斜井最大埋深約500m，隧道軸線方向?yàn)镹80°E，與最大主應(yīng)力方向成46°大角度相交，穿越巖層為板巖夾炭質(zhì)板巖夾砂巖及F16斷層帶壓碎巖區(qū)。

炭質(zhì)板巖的力學(xué)特性與結(jié)構(gòu)面傾角大小有關(guān)，當(dāng)結(jié)構(gòu)面受力后易發(fā)生剪切破壞和順層理面滑移破壞；板巖浸水后強(qiáng)度降低約50%，在水的作用下板巖力學(xué)性質(zhì)會(huì)削弱巖體強(qiáng)度。炭質(zhì)板巖巖體層理發(fā)育，富含裂隙水，遇水易軟化，圍巖穩(wěn)定性較差，極易產(chǎn)生大變形且局部易垮塌?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)得地應(yīng)力方向?yàn)镹34°E，最大水平主應(yīng)力分別為24.95MPa、27.16MPa，屬高應(yīng)力區(qū)。炭質(zhì)板巖地段開(kāi)挖爆破后應(yīng)力重新分布，也極易造成隧道圍巖大變形和局部坍塌。

2　超前導(dǎo)洞的設(shè)計(jì)

超前導(dǎo)洞試驗(yàn)段設(shè)置在大戰(zhàn)溝斜井，導(dǎo)洞設(shè)置在隧道斜井上半斷面。綜合考慮施工安全、方便等因素，小導(dǎo)洞斷面尺寸高3.5，寬為3.5m，小導(dǎo)洞超前距離15m，導(dǎo)洞內(nèi)開(kāi)挖后設(shè)置臨時(shí)支護(hù)，挖完后拆除，應(yīng)力控制時(shí)間為1d。超前導(dǎo)洞示意圖如圖1所示。

超前導(dǎo)坑試驗(yàn)段也設(shè)置在隧道斜井上半斷面。綜合考慮各因素，小導(dǎo)坑斷面4m2（2.0m×2.0m），斷面形狀為方形，小導(dǎo)坑超前距離3～4m，小導(dǎo)坑內(nèi)不進(jìn)行剛性支護(hù)，但可以采取適當(dāng)?shù)娜嵝灾ёo(hù)措施，應(yīng)力釋放時(shí)間1d，超前小導(dǎo)坑設(shè)置如圖2所示。

3　導(dǎo)洞段與對(duì)比段支護(hù)參數(shù)

3.1導(dǎo)洞段支護(hù)參數(shù)

導(dǎo)洞試驗(yàn)段里程為斜6+90～斜6+75，采用曲墻開(kāi)挖斷面，支護(hù)參數(shù)以網(wǎng)噴混凝土+錨桿+工字鋼組成，錨桿拱墻布置；工字鋼采用I16型鋼，每榀間距60cm；拱、墻采用?22mm砂漿錨桿，L=3.0m，環(huán)向間距1.0m× 1.0m，按梅花形布置；拱墻滿鋪?8mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格尺寸20cm×20cm；拱部采用?42mm超前小導(dǎo)管預(yù)注漿進(jìn)行超前支護(hù)，L=3.5m；拱架連接處設(shè)?22mm鎖腳錨桿，L=3.0m，每榀拱架設(shè)8根；噴射早強(qiáng)混凝土23cm；仰拱鋼架采用I16型鋼加工，澆注C25混凝土封閉成環(huán)。

3.2小導(dǎo)坑試驗(yàn)段支護(hù)參數(shù)

小導(dǎo)坑試驗(yàn)段里程為斜7+80～斜7+76，采用曲墻開(kāi)挖斷面，支護(hù)參數(shù)以網(wǎng)噴混凝土+錨桿+工字鋼組成，錨桿拱墻布置；工字鋼采用I16型鋼，每榀間距60cm；拱、墻采用?22m砂漿錨桿，L=3.0m，環(huán)向間距1.0m× 1.0m，按梅花形布置；拱墻滿鋪?8mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格尺寸20cm×20cm；拱部采用?42mm超前小導(dǎo)管預(yù)注漿進(jìn)行超前支護(hù)，L=3.5m；拱架連接處設(shè)?22mm鎖腳錨桿，L=3.0m，每榀拱架設(shè)8根；噴射早強(qiáng)混凝土厚23cm；仰拱鋼架采用I16型鋼加工，澆注C25混凝土封閉成環(huán)。

3.3原施工對(duì)比段支護(hù)參數(shù)

原施工段里程為斜8+00～斜7+90，開(kāi)挖面為曲墻，支護(hù)參數(shù)以網(wǎng)噴混凝土+錨桿+工字鋼組成。工字鋼采用I18型鋼，每榀間距60 cm；錨桿拱墻布置，拱、墻采用?22mm砂漿錨桿，L=3.0m，環(huán)向間距為1.0m×1.0m，按梅花形布置；拱墻鋪設(shè)?8mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格尺寸為20cm×20cm；拱部采用?42mm超前小導(dǎo)管預(yù)注漿進(jìn)行超前支護(hù)，L=3.5m；拱架連接處設(shè)?22mm鎖腳錨桿，L=3.0m，每榀拱架設(shè)8根；噴射早強(qiáng)混凝土23cm；仰拱鋼架采用I18型鋼加工，澆注C25混凝土封閉成環(huán)。

圖1　超前導(dǎo)洞布置示意圖（單位：cm）

圖2　超前小導(dǎo)坑布置示意圖（單位：cm）

4　導(dǎo)洞的理論分析

4.1模型的建立

選取的計(jì)算模型區(qū)域?yàn)闄M向取隧道斜井開(kāi)挖洞徑的8倍左右，即左右各60m；豎向取隧道開(kāi)挖洞高的10倍左右，即隧道拱頂開(kāi)挖以上巖體32m，仰拱開(kāi)挖以下巖體48m，沿隧道縱向取1m進(jìn)行平面計(jì)算，在模型中共生成了5730個(gè)節(jié)點(diǎn)和3688個(gè)單元。

4.2計(jì)算分析

用FLAC3D求解出隧道斜井導(dǎo)洞試驗(yàn)段與原施工對(duì)比段的不同施工階段的塑性區(qū)分布進(jìn)行對(duì)比，從而可以從理論上來(lái)驗(yàn)證各個(gè)試驗(yàn)段應(yīng)力釋放措施控制隧道大變形的可行性。

4.2.1塑性區(qū)對(duì)比

從各施工段半斷面支護(hù)前圍巖塑性區(qū)分布圖中可以很直觀地看出，超前導(dǎo)洞、超前導(dǎo)坑上半斷面開(kāi)挖支護(hù)前，圍巖塑性區(qū)的分布范圍都小于原施工段，理論上來(lái)驗(yàn)證采用超前導(dǎo)洞、超前導(dǎo)坑應(yīng)力釋放控制變形的可行性。

從隧道斜井上半斷面開(kāi)挖后支護(hù)前的圍巖塑性區(qū)分布云圖，還可以直觀地看出，在隧道斜井上半斷面開(kāi)挖后支護(hù)前，圍巖塑性區(qū)主要分布在拱頂、拱腰上半部分以及隧道斜井下半斷面，且分布范圍比較大，表明在隧道斜井上半斷面開(kāi)挖后，應(yīng)力重分布出現(xiàn)在隧道斜井上半斷面及下半斷面巖體。因此在上半斷面支護(hù)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)拱頂及拱腰上半部分的支護(hù)。

從各施工段半斷面支護(hù)后圍巖塑性區(qū)分布圖可以很明顯地看出，與沒(méi)有支護(hù)前相比，上半斷面支護(hù)后，圍巖塑性區(qū)已經(jīng)基本得到了控制，從而使得隧道斜井上半斷面拱頂拱腰附近圍巖的應(yīng)力狀態(tài)得到了比較好的調(diào)整，使受力也更加均勻了。同時(shí)還可看出超前導(dǎo)洞、超前導(dǎo)坑的塑性區(qū)范圍與原施工段相比也略有減少。

從各施工段半斷面支護(hù)后圍巖塑性區(qū)分布圖可以看出，在下斷面開(kāi)挖后，導(dǎo)洞試驗(yàn)段的塑性區(qū)擴(kuò)展范圍也小于原施工段。塑性區(qū)主要分布在墻角和底拱處，尤其底拱處，塑性區(qū)向深部擴(kuò)展范圍比較大，同時(shí)在原施工段，拱腰45°方向也出現(xiàn)了塑性區(qū)，這就需要一方面在上斷面支護(hù)時(shí)，加強(qiáng)拱腰45°方向的支護(hù)，以防止支護(hù)結(jié)構(gòu)的混凝土開(kāi)裂掉塊，鋼架扭曲等現(xiàn)象；另一方面需要及時(shí)封底成環(huán)，加強(qiáng)支護(hù)，以防止底鼓現(xiàn)象的出現(xiàn)。

4.2.2豎向位移對(duì)比分析

用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬計(jì)算出豎向位移云圖。從各施工段上半斷面支護(hù)后豎向位移云圖可以很明顯看出，上半斷面支護(hù)后，隧道斜井各段豎向位移都不是很大。導(dǎo)洞和超前導(dǎo)坑試驗(yàn)段拱頂豎向位移都比原施工段小，且上斷面開(kāi)挖對(duì)下斷面巖體位移的影響，導(dǎo)洞和超前導(dǎo)坑試驗(yàn)段也小于原施工段；同樣，下半斷面支護(hù)后，隧道斜井各段整體豎向位移都得到了控制。隧道斜井導(dǎo)洞和超前導(dǎo)坑試驗(yàn)段上下斷面豎向位移也都比原施工段小。

4.2.3水平位移對(duì)比分析

從各施工上半斷面支護(hù)后水平位移云圖可以明顯看出，上半斷面支護(hù)后，隧道斜井超前導(dǎo)洞和超前導(dǎo)坑試驗(yàn)段的上半斷面水平位移也都比原施工段小，此外，在兩側(cè)拱腰處，位移影響向深部的擴(kuò)展范圍，也都小于原施工段。

綜合以上，超前導(dǎo)洞和超前導(dǎo)坑試驗(yàn)段比原施工段的最大水平位移值，拱頂下沉都減小，說(shuō)明應(yīng)力釋放，能夠減低地應(yīng)力對(duì)支護(hù)的作用，也為現(xiàn)場(chǎng)施工提供了理論基礎(chǔ)。

5　導(dǎo)洞的現(xiàn)場(chǎng)施工及控制效果

5.1導(dǎo)洞施工

超前導(dǎo)洞試驗(yàn)歷時(shí)3d，試驗(yàn)段地質(zhì)為炭質(zhì)板巖，黑色，強(qiáng)風(fēng)化，屬軟巖，薄層狀，局部巖層有扭曲變形現(xiàn)象。該段節(jié)理發(fā)育，地下水不發(fā)育，局部有滲滴水現(xiàn)象。該段巖層受F16斷層影響，巖體破碎。超前導(dǎo)洞試驗(yàn)圖片如圖3所示。

5.2導(dǎo)坑施工

超前導(dǎo)坑試驗(yàn)歷時(shí)2d，開(kāi)挖揭示圍巖為炭質(zhì)板巖，黑色，強(qiáng)風(fēng)化，屬軟巖，薄層狀，局部巖層有扭曲變形現(xiàn)象。該段節(jié)理發(fā)育，地下水不發(fā)育。該段巖層受F16斷層影響，巖體破碎，自穩(wěn)能力差，導(dǎo)坑開(kāi)挖后成型較差，超前導(dǎo)坑試驗(yàn)圖片如圖4所示。

5.3導(dǎo)洞的變形控制效果

導(dǎo)洞試驗(yàn)段和施工對(duì)比段變形數(shù)值如表1所示。

圖3　超前導(dǎo)洞試驗(yàn)照片

圖4　超前小導(dǎo)坑試驗(yàn)圖

表1　導(dǎo)洞試驗(yàn)段和施工對(duì)比段變形值

由表1可知，超前導(dǎo)洞試驗(yàn)段在拱頂下沉和水平收斂位移整體上都明顯小于原施工段，其中試驗(yàn)段平均沉降減少67.7%；試驗(yàn)段平均水平收斂減少36.7%，超前導(dǎo)洞和超前導(dǎo)坑試驗(yàn)段水平收斂變形終值都小于200mm，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)沒(méi)有出現(xiàn)裂縫，說(shuō)明在地質(zhì)情況相似條件下，超前洞室應(yīng)力釋放能夠有效解決高地應(yīng)力軟巖環(huán)境下隧道施工階段大變形的問(wèn)題。

6　結(jié)論

超前洞室、導(dǎo)坑能夠預(yù)先釋放部分地應(yīng)力，使應(yīng)力進(jìn)行調(diào)整，減低了作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的地層壓力，減緩了隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形發(fā)展，保證了支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。但是，由于超前導(dǎo)洞不能與斜井?dāng)嗝嫱瑫r(shí)開(kāi)挖施工，在一定程度降低了施工效率；另外，導(dǎo)洞斷面較小，導(dǎo)洞圍巖破碎，導(dǎo)洞開(kāi)挖中既要保證作業(yè)人員的安全，導(dǎo)洞完成后又要達(dá)到應(yīng)力釋放的目的，對(duì)導(dǎo)洞的支護(hù)參數(shù)選擇尤為重要。

［1］卿三惠，黃潤(rùn)秋.烏鞘嶺隧道軟巖大變形防治技術(shù)問(wèn)題探討［J］.路基工程，2005（4）：93-96.

［2］鄧祥輝.考慮外水壓力的山嶺深埋隧道變形分析［J］.鐵道建筑，2011（4）：70-72.

［3］蔡景獻(xiàn)，張繼奎，方俊波.高地應(yīng)力千枚巖大變形隧道支護(hù)參數(shù)試驗(yàn)研究［J］.隧道建設(shè)，2005（6）：21-22.

［4］劉高、張凡宇，等.木寨嶺隧道大變形特征及機(jī)理分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005（11）：5521-5526.

［5］葉康慨.木寨嶺隧道大坪有軌斜井施工大變形段分析及處理技術(shù)［J］.隧道建設(shè)，2010（4）：190-194.

［6］鄒翀，王朝朋，張文新，等.蘭渝鐵路木寨嶺隧道炭質(zhì)板巖段應(yīng)力控制試驗(yàn)研究［J］.隧道建設(shè)，2010（4）：120-124.

［7］張文強(qiáng)，王慶林，李建偉，等.木寨嶺隧道大變形控制技術(shù)［J］.隧道建設(shè)，2010（4）：157-161.

［8］唐紹武，王慶林.木寨嶺隧道大戰(zhàn)溝斜井高地應(yīng)力軟巖大變形施工技術(shù)［J］.隧道建設(shè)，2010（4）：199-202.

U451.5

A

1004-5716（2016）04-0182-04

2015-04-08

2015-04-19

武建廣（1977-），男（漢族），河南洛陽(yáng)人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事工程技術(shù)與施工管理工作。