水平層狀圍巖隧道初期支護(hù)參數(shù)研究

苑俊廷

（中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司，山西太原030032）

水平層狀圍巖隧道初期支護(hù)參數(shù)研究

苑俊廷

（中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司，山西太原030032）

針對(duì)水平巖層的工程地質(zhì)特性，依托呂梁—臨縣鐵路車趕隧道工程實(shí)例，依據(jù)室內(nèi)室外試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果綜合分析在該類巖層中隧道開挖支護(hù)的錨桿軸力、圍巖壓力、鋼架應(yīng)力及噴射混凝土應(yīng)力的變化規(guī)律，探討初期支護(hù)參數(shù)的合理性。結(jié)果表明:拱部錨桿受力較大，邊墻錨桿受力很小，可取消邊墻錨桿，適當(dāng)增加拱部錨桿長(zhǎng)度；開挖后圍巖壓力釋放較快，建議在不良地質(zhì)段或有水地段增設(shè)超前支護(hù)；全環(huán)安設(shè)格柵拱架偏于安全，可優(yōu)化為僅對(duì)拱部增加格柵拱架，形成“格柵拱架拱部帶帽+錨網(wǎng)噴”支護(hù)；水平巖層施工控制的關(guān)鍵點(diǎn)在拱部，當(dāng)圍巖較差或遇水時(shí)，可優(yōu)先考慮對(duì)拱部圍巖采用超前小導(dǎo)管注漿加固。采用優(yōu)化后的初期支護(hù)參數(shù)安全順利地通過了水平巖層地段，說明支護(hù)參數(shù)取值合理。

隧道；水平巖層；工程特性；初期支護(hù)參數(shù)；合理性

層狀巖體由于巖體物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)致密程度等不同，加之沉積過程中的沉積作用和礦物顆粒的擇優(yōu)取向，具有顯著的非均質(zhì)性、非連續(xù)性及各向異性，其變形及強(qiáng)度特征受層面控制，可產(chǎn)生塑性變形［1］，穩(wěn)定性較差。

在隧道施工中，水平巖層及夾層最不利于隧道的穩(wěn)定，而且隨著隧道斷面凈空、跨度增大，開挖支護(hù)安全風(fēng)險(xiǎn)增加。在隧道施工過程中發(fā)現(xiàn)，中薄～中厚層狀巖體膠結(jié)能力低，層間結(jié)合很差，常有層間錯(cuò)動(dòng)面，其水平層理對(duì)隧道拱頂穩(wěn)定性影響較大［2-3］。水平層理使拱頂?shù)牧菏叫?yīng)大大減弱，在節(jié)理的影響下容易彎曲、折斷。隧道爆破開挖后，開挖輪廓光爆效果較差，超挖較多［4］，且拱頂巖石逐漸剝落、掉塊、甚至塌方，嚴(yán)重影響了施工質(zhì)量、施工安全及進(jìn)度。研究其支護(hù)參數(shù)的合理性，對(duì)隧道開挖支護(hù)具有重要意義。

1　工程概況

呂梁至臨縣鐵路車趕隧道位于山西省呂梁市方山縣，全長(zhǎng)11818m，設(shè)計(jì)為單線隧道，最大埋深約285m［5］。出口因預(yù)留湍水頭車站，設(shè)置1248m雙線隧道，線間距5m。水平巖層地段基本設(shè)計(jì)為Ⅲ級(jí)圍巖，支護(hù)措施較弱，一般為錨網(wǎng)噴支護(hù)。開挖揭示圍巖主要為泥巖、砂巖、頁巖等，呈互層或夾層狀，夾煤層，局部為薄層～中厚層狀構(gòu)造，強(qiáng)～弱風(fēng)化，水平層理或近水平層理，可見光滑泥面，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，層間膠結(jié)較差，整體含水率較小。

根據(jù)隧道現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的拱頂?shù)魤K、彎曲、折斷、小型坍塌等現(xiàn)象［6］，對(duì)原設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了變更。水平巖層地段變更前后支護(hù)參數(shù)見表1，開挖地段巖層見圖1。

表1　變更前后支護(hù)參數(shù)

圖1　開挖地段巖層

從表1可以看出，主要對(duì)噴射混凝土厚度、錨桿長(zhǎng)度及設(shè)置范圍、鋼架支護(hù)進(jìn)行了優(yōu)化。

2　初期支護(hù)參數(shù)合理性分析

以車趕隧道DK24+550典型斷面為例，共計(jì)布設(shè)7個(gè)測(cè)點(diǎn)，主要測(cè)試拱頂下沉、水平收斂、錨桿軸力、圍巖壓力、初期支護(hù)噴射混凝土應(yīng)力及鋼架應(yīng)力，來驗(yàn)證初期支護(hù)參數(shù)的合理性。測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意如圖2。

圖2　測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意

2.1拱頂下沉與水平收斂

典型斷面累計(jì)拱頂下沉隨時(shí)間變化曲線見圖3，累計(jì)水平收斂隨時(shí)間變化曲線見圖4。

圖3　累計(jì)拱頂下沉隨時(shí)間變化曲線

圖4　累計(jì)水平收斂隨時(shí)間變化曲線

由圖3、圖4可以看出：累計(jì)拱頂下沉和累計(jì)水平收斂變化曲線均可以分為急劇變形、緩慢變形、基本穩(wěn)定3個(gè)階段。累計(jì)拱頂下沉值為58.7mm，日最大下沉量發(fā)生在開挖當(dāng)天，為7.6mm；前7d下沉最快，累計(jì)達(dá)到38mm，占總下沉量的64.7%；15d后基本處于穩(wěn)定狀態(tài)；累計(jì)水平收斂值為46.8mm，日最大收斂量發(fā)生在開挖當(dāng)天，為6.2mm，前7d水平收斂最快，累計(jì)達(dá)到35mm，占總變形量的74.8%，13d后基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。拱頂日最大下沉量、累計(jì)最大下沉量均大于水平收斂日收斂量及累計(jì)收斂量，說明水平層狀圍巖拱部較邊墻變形更大，更不穩(wěn)定，極易出現(xiàn)彎曲、鼓脹、破裂、折斷破壞［7-8］。

2.2錨桿軸力

典型斷面錨桿軸力的測(cè)試結(jié)果見表2和圖5。

表2　錨桿軸力測(cè)試結(jié)果kN

圖5　拱頂錨桿軸力隨時(shí)間變化曲線

由表2可以得出：錨桿受力主要為拉力，最大拉力值為16.54kN，位于拱頂；左、右側(cè)拱腰錨桿受力也較大，達(dá)到11.42kN，而左右邊墻錨桿軸力較小，最大值僅為4.57kN；拱部錨桿受力較大，邊墻錨桿受力很小，僅為拱部錨桿受力的1/4左右，且邊墻錨桿與巖層層面基本平行或相交角度較小，錨桿將水平巖層連接在一起的懸吊作用不明顯，建議取消邊墻錨桿［9］。

從圖5可以看出：拱頂錨桿軸力增長(zhǎng)很快，7d內(nèi)就達(dá)到10kN左右，為最大值的60.5%，之后緩慢增加；下臺(tái)階開挖時(shí)，錨桿軸力暫時(shí)有所下降，支護(hù)完成后又逐漸回升；二次襯砌施作完畢后錨桿軸力相應(yīng)減?。?0］，這主要是由于二次襯砌承擔(dān)了一部分圍巖壓力所致。

2.3圍巖壓力

典型斷面各測(cè)點(diǎn)圍巖壓力見表3，圍巖壓力隨時(shí)間變化曲線見圖6。所測(cè)圍巖壓力值均較小，圍巖壓力最大值出現(xiàn)在拱頂位置，為0.058MPa。左右拱腳處圍巖壓力較大，分別為0.040，0.050MPa。最大值未超過0.1MPa，表明圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表3　圍巖壓力及支護(hù)應(yīng)力量測(cè)結(jié)果MPa

圖6　圍巖壓力隨時(shí)間變化曲線

從圖6可以看出：圍巖壓力在斷面開挖后6d內(nèi)增幅較快，已基本達(dá)到最大圍巖壓力的80%左右，之后增長(zhǎng)緩慢，25d后趨于穩(wěn)定，說明在該種巖層中開挖圍巖壓力釋放較快；下臺(tái)階、仰拱開挖時(shí)，圍巖壓力變化較大，至二次襯砌施工前圍巖已基本趨于穩(wěn)定［11］，二次襯砌施作前后圍巖壓力變化不明顯。

2.4初期支護(hù)鋼架應(yīng)力

典型斷面各測(cè)點(diǎn)初期支護(hù)鋼架應(yīng)力見表3，初期支護(hù)鋼架應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線見圖7。所測(cè)鋼架應(yīng)力較大，最大值出現(xiàn)在拱頂附近，其值為168.75MPa，兩側(cè)邊墻拱架基本不承受圍巖壓力［12］，拱部鋼架應(yīng)力遠(yuǎn)大于兩側(cè)邊墻，邊墻受力較小，僅對(duì)拱部采取鋼架支護(hù)即可保證圍巖穩(wěn)定。鋼架應(yīng)力在仰拱封閉后逐漸趨于穩(wěn)定。但從圖7來看，下臺(tái)階、仰拱開挖、二次襯砌施作對(duì)鋼架應(yīng)力均有一定影響，特別是二次襯砌施作后，鋼架應(yīng)力明顯下降。這主要是由于二次襯砌承擔(dān)了一部分圍巖壓力所致。

圖7　初期支護(hù)鋼架應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

2.5初期支護(hù)噴射混凝土應(yīng)力

典型斷面各測(cè)點(diǎn)初期支護(hù)噴射混凝土應(yīng)力見表3，其隨時(shí)間變化曲線見圖8。

圖8　初期支護(hù)噴射混凝土應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

由圖8可見，初期支護(hù)噴射混凝土應(yīng)力值較小，最大應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂，其值為6.13MPa，較大值出現(xiàn)在左、右拱腰，其值分別為3.52，2.35MPa。從總體上來看，拱部應(yīng)力值遠(yuǎn)大于邊墻，初期支護(hù)噴射混凝土應(yīng)力受開挖影響不大，30d后初期支護(hù)噴射混凝土應(yīng)力已基本趨于穩(wěn)定。初期支護(hù)噴射混凝土應(yīng)力值較小說明格柵拱架承擔(dān)了一部分圍巖壓力［13］，驗(yàn)證了格柵拱架更適合于噴射混凝土柔性支護(hù)，彌補(bǔ)了噴射混凝土剛度不足的缺點(diǎn)，達(dá)到了良好的支護(hù)效果。

3　結(jié)論

通過對(duì)水平巖層初期支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，得出以下結(jié)論：

1）采用變更后的初期支護(hù)參數(shù)安全順利地通過了水平巖層地段，說明支護(hù)參數(shù)基本合理。

2）從錨桿軸力受力情況來看，拱部錨桿受力較大，邊墻錨桿受力很小，僅為拱部錨桿受力的1/4左右，且邊墻錨桿與巖層層面基本平行或相交角度較小，建議取消邊墻錨桿，適當(dāng)增加拱部錨桿長(zhǎng)度。

3）從圍巖壓力測(cè)試結(jié)果來看，圍巖壓力在開挖初期增長(zhǎng)較快，6d內(nèi)基本達(dá)到最大圍巖壓力的80%左右，說明在水平巖層中開挖后圍巖壓力釋放較快。建議在不良地質(zhì)段或有水地段增設(shè)超前支護(hù)，預(yù)防支護(hù)不及時(shí)造成坍塌。

4）根據(jù)鋼架應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況分析，全環(huán)安設(shè)格柵拱架偏于安全，建議優(yōu)化為僅對(duì)拱部增加格柵拱架，形成“格柵拱架拱部帶帽+錨網(wǎng)噴”支護(hù)。

5）拱部錨桿軸力、圍巖壓力、鋼架應(yīng)力及初期支護(hù)噴射混凝土應(yīng)力均遠(yuǎn)大于邊墻，說明水平巖層施工控制的關(guān)鍵點(diǎn)在拱部。當(dāng)圍巖較差或遇水時(shí)，可優(yōu)先考慮對(duì)拱部圍巖采用超前小導(dǎo)管注漿加固。

6）由于水平巖層一般夾雜泥巖、砂巖、黏土等或?yàn)榛?，具有浸水瓦解泥化的特點(diǎn)，其強(qiáng)度受水影響極大，施工中須做好防排水工作。

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AbstractBased on engineering geological characteristics of horizontal layered surrounding rock，the Chegan T unnel in Lyuliang-Linxian railway was studied and its initial support rationality was discussed.According to the indoor and outdoor test and field monitoring results，comprehensive analysis of anchor bolt axial force，rock mass pressure，steel stress，concrete stress and deformation of primary support in the rock tunnel excavation was conducted.T he results shows that arch anchor stress is large，requiring longer length，while side wall anchor force is small and ignorable. After excavation rock pressure is released quickly.It is suggested to use support in advance in undesirable geological section or in area full of water.A full grid arch is too conservative，and partial installation at the arch，i.e.，grid arch with cap plus anchor net spray support is advisable.T he key to construction control of horizontal layered rock is the arch.W hen the surrounding rock is undesirable or full of water，advanced small pipe grouting may be used for arch surrounding rock.T he initial support parameters using this optimized technology were proved rational by the practice.

KeywordsT unnel；Horizontal layered surrounding rock；Engineering properties；Primary support parameter；Rationality

（責(zé)任審編葛全紅）

Study on Primary Support Parameters of Tunnel in Horizontal Layered Surrounding Rock

YUAN Junting
（The 2nd Engineering Co.，Ltd.of the 12th Bureau Group of China Railway，Taiyuan Shanxi 030032，China）

U455.7

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.15

1003-1995（2016）04-0056-04

2015-10-12；

2016-01-25

苑俊廷（1984—），男，工程師，碩士。