細(xì)砂卵礫石互層隧道支護(hù)體系與圍巖變形現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

嚴(yán)健，何川，晏啟祥，蔚艷慶，嚴(yán)昆鵬

(1. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031；2. 西南交通大學(xué) 峨眉校區(qū)土木系，四川 峨眉 614202；3. 四川省交通運(yùn)輸廳 公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610031;4. 攀枝花公路建設(shè)有限公司，四川 攀枝花 610000)

細(xì)砂卵礫石互層隧道支護(hù)體系與圍巖變形現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

嚴(yán)健1,2，何川1，晏啟祥1，蔚艷慶3，嚴(yán)昆鵬4

(1. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031；2. 西南交通大學(xué) 峨眉校區(qū)土木系，四川 峨眉 614202；3. 四川省交通運(yùn)輸廳 公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610031;4. 攀枝花公路建設(shè)有限公司，四川 攀枝花 610000)

為避免細(xì)砂卵礫石互層隧道施工中發(fā)生隧道坍塌、砂涌和冒頂?shù)仁鹿?，以在建的?guó)道317線崗?fù)兴淼罏楣こ桃劳?，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和測(cè)試的方法，就超前支護(hù)措施適宜性，細(xì)砂卵礫石互層隧道地表沉降、洞周變形、圍巖深部位移，錨桿軸力、鋼拱架內(nèi)力、圍巖-初期支護(hù)等支護(hù)體系特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明：細(xì)砂卵礫石互層隧道采用小導(dǎo)管注漿難度大，管棚間隙有砂涌，隧道變形大；采用大管棚配合水平旋噴樁進(jìn)行超前支護(hù)，能有效控制砂涌，圍巖變形小。

隧道工程；細(xì)砂卵礫石互層；支護(hù)體系；圍巖變形；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

常見的互層圍巖隧道主要是層面近水平狀的砂泥巖軟硬互層圍巖隧道，其地質(zhì)特點(diǎn)主要是層理明顯，水平軟硬夾層分布，層厚不均強(qiáng)度差異大。目前，針對(duì)近水平狀軟硬互層圍巖隧道，眾多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。杜文[1]通過蘭渝線四方山隧道平緩砂泥巖互層圍巖變形對(duì)支護(hù)的破壞現(xiàn)象, 分析了互層圍巖變形機(jī)理。楊斌等[2]以廣南高速公路文家埡隧道為分析對(duì)象，就近水平軟硬互層圍巖公路隧道初期支護(hù)內(nèi)力進(jìn)行了分析。細(xì)砂卵礫石是互層圍巖中一種較少見的互層形式，其廣泛分布于金沙江上游河段[3]，其典型細(xì)砂卵礫石互層圍巖開挖呈近似水平層狀出露。其研究主要集中在施工工法和控制措施、預(yù)加固技術(shù)等方面。王暉等[4-5]就富水砂層中的施工工法和控制措施進(jìn)行了研究，肖昌軍等[6-12]就干燥粉細(xì)砂地層圍巖利用超前小導(dǎo)管注漿、水平旋噴技術(shù)、大管棚等預(yù)加固措施進(jìn)行了研究。針對(duì)細(xì)砂和卵礫石共同構(gòu)成的互層圍巖隧道，掌握圍巖變形規(guī)律和支護(hù)力學(xué)特性是重點(diǎn)，防止坍塌和控制漏砂是難點(diǎn)，因此，以在建的國(guó)道317線崗?fù)兴淼罏楣こ桃劳羞M(jìn)行的研究，將對(duì)我國(guó)正在開展的川藏高速公路和川藏鐵路相似地質(zhì)條件下的隧道工程具有實(shí)際意義和參考價(jià)值。

1 工程概況

國(guó)道317 線(川藏公路北線)崗?fù)兴淼罏閱味措p線隧道，全長(zhǎng)852 m，設(shè)計(jì)高程3 041.08 m。隧址區(qū)位四川德格縣與西藏昌都地區(qū)江達(dá)縣交界處, 色曲河及金沙江左岸，地形巖性多樣，主要以陡緩相間的斜坡地形為主，在寬緩的剝蝕槽狀地形處多

分布有絹云石英片巖、板巖，在鰭脊陡坡、懸崖處分布著結(jié)晶灰?guī)r及變質(zhì)砂巖。隧道出口處受到金沙江河谷以及青藏高原地質(zhì)構(gòu)造作用影響，圍巖構(gòu)成復(fù)雜，主要是由沖洪積卵礫石土、粉細(xì)砂層、含卵礫石細(xì)砂等構(gòu)成的第四系松散堆積層。開挖顯示粉細(xì)砂層與卵礫石層呈五花肉形狀間隔交錯(cuò)分布(見圖1)。因此，隧道施工難度大，極易發(fā)生坍塌和砂涌等事故。

隧道設(shè)計(jì)采用三臺(tái)階預(yù)留核心土環(huán)形開挖法。采用雙層超前小導(dǎo)管支護(hù)，施工進(jìn)尺為 2 m，施工方法和支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

單位：m圖1 K425+517斷面地質(zhì)剖面圖Fig.1 Geological section of K425+517

表1 隧道支護(hù)體系參數(shù)明細(xì)表Table 1 List of parameters of supporting system mm

圖2 施工方法和支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Construction method and the supporting structure diagram

2014年7月～9月，掌子面掘進(jìn)離出口67 m附近時(shí)，掌子面圍巖以細(xì)砂卵礫石互層出露，其中細(xì)砂層厚1.2～2.5 m，干燥、致密，無粘結(jié)性，空隙率小，自穩(wěn)能力極差，顆粒粒徑主要集中在0.075～0.35 mm區(qū)間，顆粒較均勻，顆粒級(jí)配差，天然含水率僅為2%～5%，呈密實(shí)狀態(tài)，黏聚力低。卵礫石土結(jié)構(gòu)呈稍密～密實(shí)狀，含卵礫石細(xì)砂結(jié)構(gòu)松散～稍密。根據(jù)設(shè)計(jì)采用雙層小導(dǎo)管超前支護(hù)，在施工中出現(xiàn)了注漿困難，注漿效果差、易爆管等問題；采用普通大管棚出現(xiàn)了管棚變形大，抗彎強(qiáng)度差 ，路面沉降量大等問題。雖然有管棚作用，但隧道開挖后掌子面立即出現(xiàn)砂涌，拱頂砂層呈現(xiàn)漏斗形擴(kuò)散，短時(shí)間內(nèi)形成堆積體，無阻擋封閉時(shí)間，直接對(duì)初期支護(hù)拱架造成破壞，且在初期支護(hù)背后形成大空腔，導(dǎo)致隧道K425+452～466出現(xiàn)了砂涌、塌方冒頂事故共3處。上述問題給工程建設(shè)和正常通行的甘白路帶來很大的困難和風(fēng)險(xiǎn)。

2 超前支護(hù)措施適宜性分析

因崗?fù)兴淼莱隹诙斯こ汰h(huán)境特殊，出口段洞頂為正常通行的甘孜—白玉路，其交通功能重要，設(shè)計(jì)采用的超前支護(hù)措施和支護(hù)參數(shù)必須滿足地表沉降和洞周位移的要求。同時(shí)，為隧道安全通過該段圍巖并合理發(fā)揮初期支護(hù)作用，針對(duì)施工中出現(xiàn)的隧道變形、砂涌、冒頂?shù)仁鹿?，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了超前支護(hù)措施和參數(shù)，并就其應(yīng)用方案進(jìn)行了比較歸納(見表2)?，F(xiàn)就崗?fù)兴淼离p層小導(dǎo)管超前支護(hù)、普通管棚支護(hù)措施、大管棚配合水平旋噴樁措施及其適宜性進(jìn)行對(duì)比分析。

表2 崗?fù)兴淼莱爸ёo(hù)措施應(yīng)用情況表Table 2 Pre-reinforcement scheme of Gangtuo tunnel table

2.1 雙層小導(dǎo)管超前支護(hù)

崗?fù)兴淼涝O(shè)計(jì)采用雙層小導(dǎo)管超前支護(hù)，超前小導(dǎo)管能起到超前預(yù)支護(hù)和注漿導(dǎo)管作用，達(dá)到超前加固圍巖和止水目的，適合于在軟弱、松散地層中施工。φ42 mm 無縫鋼管現(xiàn)場(chǎng)加工，小導(dǎo)管前段管壁每隔15～20 cm 交錯(cuò)鉆眼用以注漿，眼孔直徑在8 mm左右。小導(dǎo)管沿隧道開挖輪廓外縱向向前傾斜安設(shè)，打入時(shí)外插角分別為緩傾角10°～14°，陡傾角30°～40°。小導(dǎo)管上下兩層交錯(cuò)布置，按拱部120°范圍布置，環(huán)向間距為40 cm，雙層每環(huán)63根，前端外露300 mm。根據(jù)圍巖條件進(jìn)行漿液種類選擇，常見的有超細(xì)水泥及1∶1 水泥漿，水泥～水玻璃雙液漿以及化學(xué)漿液，注漿壓力一般在0.6 MPa。根據(jù)崗?fù)兴淼绹鷰r無地下水發(fā)育的特點(diǎn)，選用1∶1 水泥漿進(jìn)行注漿，并現(xiàn)場(chǎng)配合鋼拱架使用。

2.2 管棚支護(hù)

管棚支護(hù)主要起加固圍巖，擴(kuò)散和傳遞圍巖壓力，減少隧道開挖釋放應(yīng)力的作用。對(duì)控制塌方和抑制地表沉降效果明顯。長(zhǎng)管棚主要適用于軟弱砂礫地層或軟巖破碎帶地層，隧道進(jìn)出口位置和穿越重要建構(gòu)筑物等特殊地段。

在翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)踐中，教師的角色不僅僅是課程內(nèi)容的傳授者，更多則轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)過程的引導(dǎo)者，學(xué)生則由原來被動(dòng)的接受者，轉(zhuǎn)變?yōu)榉e極主動(dòng)的參與者[3]。

孔口管采用φ108 mm 的熱軋鋼管制作，按拱部120°范圍布置。環(huán)向間距為40 cm，雙層每環(huán)32根，端部外露300 mm，沿隧道開挖輪廓外縱向向前傾斜安設(shè)，套拱內(nèi)焊接鋼架。

2.3 長(zhǎng)大管棚配合水平旋噴樁

在崗?fù)兴淼莱隹谔?，長(zhǎng)大管棚支護(hù)部分方按設(shè)計(jì)進(jìn)行，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖情況，適當(dāng)變更管棚長(zhǎng)度。將原甘白路臨時(shí)改線后在原甘白路正下方，管棚外側(cè)60 cm范圍內(nèi)、拱部開挖輪廓線120°范圍內(nèi)先施做2個(gè)循環(huán)的水平旋噴樁，通過后，將洞口上方線路改回原甘白路下方后。然后再在洞內(nèi)開挖面前方沿隧道輪廓在拱部開挖輪廓線80°范圍內(nèi)施工正向水平旋噴樁，樁長(zhǎng)15 m，樁徑60 cm，樁間距35 cm，咬合20 cm，注漿壓力35～50 MPa，從而使拱部在砂層圍巖中形成55～70 cm 厚的水泥土墻拱形帷幕。

水平旋噴樁從內(nèi)而外對(duì)細(xì)砂層和卵礫石層分別具有硬化、攪拌、壓縮和滲透的作用，其不僅具有梁效應(yīng)，同時(shí)沿著地層縫隙滲透擴(kuò)散的水泥漿液還能填充縫隙，從而起到改良土體、防沙涌、抗塌方的作用。水平旋噴樁與大管棚共同作用后使大管棚的抗彎能力得到增強(qiáng)，并彌補(bǔ)了管棚間的縫隙，最終保證了隧道掘進(jìn)時(shí)整個(gè)掌子面的穩(wěn)定。

圖3 大管棚配合水平旋噴樁支護(hù)示意圖Fig.3 Drawing of pipe shed with rotary horizontal jet grouting pile

2.4 3 種方案應(yīng)用效果對(duì)比分析

就該工程實(shí)際應(yīng)用3種超前支護(hù)方案的應(yīng)用結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見表3。

上述支護(hù)措施均需要進(jìn)行注漿使地層形成固結(jié)，且具有一定的承載能力。但從表2 可以看出，在采取雙層小導(dǎo)管支護(hù)時(shí)，施工進(jìn)展緩慢，多次調(diào)整注漿參數(shù)但注漿量卻極小，支護(hù)效果非常差。當(dāng)注漿壓力達(dá)到0.8 MPa后，小導(dǎo)管爆管，從而無法形成加固體，更無法解決漏砂、砂涌等問題。

采用大管棚時(shí)的加固范圍可控，但管棚變形大，抗彎強(qiáng)度差，管棚對(duì)于細(xì)砂層支護(hù)效果差，管間隙有砂涌現(xiàn)象。采用水平旋噴樁能彌補(bǔ)砂卵石層斷裂砂涌的情況，有效控制漏砂及砂涌，同時(shí)配合大管棚工作，形成具有一定承載力的預(yù)支護(hù)拱，支護(hù)效果較好，并能保證洞頂甘白路的正常通行，現(xiàn)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該工法進(jìn)行進(jìn)一步研究。

表3 3種方案應(yīng)用效果對(duì)比Table 3 Contrast of three schemes

考慮崗?fù)兴淼缆裆钚∮诙纯绲?倍且隧道出口正上方甘白路交通安全，必須進(jìn)行地表下沉量測(cè)[13]?，F(xiàn)場(chǎng)根據(jù)圖4所示進(jìn)行其他測(cè)點(diǎn)布置，圖4中字母代表意義如下：B為隧道變形即拱頂下沉和水平收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)；M為沿軸向布置有4個(gè)軸力測(cè)點(diǎn)的錨桿布置點(diǎn)；T為埋設(shè)于圍巖與初支之間的土壓力盒測(cè)點(diǎn)；D為多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)點(diǎn)；G為測(cè)鋼拱架內(nèi)力的鋼筋計(jì)布置測(cè)點(diǎn)；C為二襯混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變計(jì)測(cè)點(diǎn)。現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)的測(cè)點(diǎn)用字母后所附數(shù)字進(jìn)行編號(hào)。

(a)隧道變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置；(b)混凝土應(yīng)變計(jì)測(cè)點(diǎn)布置圖4 選測(cè)斷面各量測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖Fig.4 Decoration of measuring points on site

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果及分析

3.1 地表下沉

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，出口處3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面地表最終變形值如表4所示。地表沉降觀測(cè)點(diǎn)從左往右編號(hào)為1～7，則K425+465斷面地表沉降位移曲線和最終沉降值分布如圖5(a)和5(b)所示。

表4 地表最終變形值Table 4 Final deformation of surface

4和5號(hào)點(diǎn)位于拱頂上方位置。從圖9中可以看出：在隧道拱頂附近沉降較大，遠(yuǎn)離隧道逐漸變小。初期斷面地表下沉速率較小，在K425+445斷面剛開始施作管棚而沒有實(shí)施水平旋噴樁時(shí)，開挖導(dǎo)致拱部及工作面漏砂，繼而導(dǎo)致工作面失穩(wěn)，出現(xiàn)塌方現(xiàn)象。同時(shí)，該斷面隧道上部受車輛通行影響亦使斷面地表沉降速率發(fā)生變化?？紤]該處沒有實(shí)施水平旋噴樁，在該掌子面前方發(fā)生砂涌和隧道變形超限后，現(xiàn)場(chǎng)立即停止掌子面開挖并利用現(xiàn)場(chǎng)條件采取相關(guān)控制措施，首先，向掌子面打鋼管并噴射水泥漿從而臨時(shí)封閉掌子面。與此同時(shí)，采取反壓回填緊急預(yù)案，除核心土外，利用棄碴回填掌子面，反壓回填至上臺(tái)階拱腳上0.8 m 處。

在K425+445斷面采用大管棚配合水平旋噴樁支護(hù)后變形速率降低，但因后期對(duì)冒頂?shù)奶幚碇胁捎脻仓炷?、降雨、下?dǎo)開挖和仰拱拱架接退等，導(dǎo)致了地表沉降進(jìn)一步增大，最終導(dǎo)致地表沉降變形相對(duì)較大。

(a)地表下沉降累計(jì)曲線圖；(b)各測(cè)點(diǎn)地表下沉細(xì)累計(jì)圖5 K425+465各測(cè)點(diǎn)地表下沉累計(jì)圖Fig.5 Cumulative settlement of surface ground at K425+465

3.2 洞周位移

通過對(duì)布設(shè)在崗?fù)兴淼莱隹诙?1 m范圍內(nèi)的12個(gè)斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，隧道拱頂下沉、水平收斂數(shù)據(jù)見表4，位移收斂累計(jì)及速率曲線如圖6～7所示。

對(duì)比大管棚配合水平旋噴樁支護(hù)實(shí)施前后K425+432～K425+476.5共12個(gè)斷面拱頂沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，共7個(gè)斷面拱頂沉降值超過隧道預(yù)留變形量值，后期采用支護(hù)措施3進(jìn)行處理后，有8個(gè)斷面隧道拱頂最終沉降值和水平位移收斂值在隧道預(yù)留變形量值30 cm的控制范圍內(nèi)。分析認(rèn)為，細(xì)砂卵礫石互層圍巖隧道變形超限和塌方事故的主要原因是卵礫石層變形超限后發(fā)生斷裂，細(xì)砂層不具有抗拉能力且易從斷裂的卵礫石層及管間隙漏砂，小導(dǎo)管注漿無法實(shí)現(xiàn)預(yù)期地層固結(jié)的效果，因此，采用大管棚配合水平旋噴樁能使拱頂沉降得到控制，顯示出其良好的支護(hù)效果。

單位：cm(a)K425+465量測(cè)斷面水平收斂速率曲線(b)K425+465量測(cè)斷面水平收斂時(shí)間曲線圖6 隧道水平位移收斂累計(jì)及速率曲線Fig.6 Tunnel horizontal cumulative settlement and settlement rate curves

單位：cm(a)K425+465量測(cè)斷面拱頂下沉速率時(shí)間曲線(b)K425+465量測(cè)斷面拱頂下沉?xí)r間曲線圖7 隧道拱頂下沉累計(jì)及下沉速率曲線圖Fig.7 Tunnel vault cumulative settlement and settlement rate curves

從表5和圖6～7還可以看出，即使采用大管棚配合水平旋噴樁支護(hù)，12個(gè)斷面中依然還有3個(gè)斷面拱頂最終沉降值超限，說明該圍巖隧道砂層涌出后地層出現(xiàn)了多個(gè)縫隙和空腔，建議今后類似隧道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)預(yù)留變形量多加以考慮，同時(shí)，利用水平旋噴樁，使水泥漿液沿著地層縫隙滲透擴(kuò)散填充縫隙和空腔，起到固結(jié)圍巖的良好效果。

表5 洞周最終變形值Table 5 Final deformation of tunnel

對(duì)于變形速率的判定主要根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)細(xì)則》[14]，即位移變形速率分別在大于1.0 mm/d時(shí)，在0.2～1.0 mm/d時(shí)，在小于0.2 mm/d時(shí)，其變形可判定為變形急劇增長(zhǎng)階段、變形緩慢增長(zhǎng)階段和變形基本穩(wěn)定階段。在開挖初期，崗?fù)兴淼拦绊斚鲁梁椭苓吽绞諗孔兓俾示^大，隨著細(xì)砂層細(xì)砂涌盡，或未擾動(dòng)砂層因水平旋噴樁體得到加固穩(wěn)定后，圍巖應(yīng)力釋放得以暫時(shí)平衡，后期隨著管棚支護(hù)抗力的增加其變化速率減小。由此可見，對(duì)于細(xì)砂卵礫石互層隧道，采用大管棚配合水平旋噴樁的斷面，洞周圍巖的急劇變形期縮短，后期變形基本穩(wěn)定，但個(gè)別斷面因受地層和仰拱開挖、拱架接腿影響，洞周最終變形值依然相對(duì)較大。

3.3 圍巖深部位移

選取典型斷面K425+470進(jìn)行圍巖深部位移現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，其最終地中位移分布如圖8所示。

從以上的最終位移分布圖看出：因細(xì)砂卵礫石互層圍巖穩(wěn)定性較差，加之儀器設(shè)置距開挖面較近，受開挖擾動(dòng)和圍巖應(yīng)力釋放影響，使圍巖深部位移較大。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)記錄和開挖圍巖出露顯示：埋設(shè)段在卵礫層中的多點(diǎn)位移計(jì)位移值較大，而埋設(shè)在干燥細(xì)砂層中的多點(diǎn)位移計(jì)顯示其位移較小，且呈正負(fù)分布。分析認(rèn)為：卵礫石層約束了干燥細(xì)砂層的移動(dòng)，當(dāng)?shù)貙娱g力超過砂層與卵礫石層之間最大抗剪強(qiáng)度后，卵礫石層斷裂，干燥細(xì)砂層出現(xiàn)斷崖式塌落，這與拱頂沉降數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)情況相吻合。

單位：0.1 mm圖8 圍巖深部位移最終地中位移分布圖Fig.8 Final displacement distribution of deep surrounding rock

3.4 錨桿軸力

圖9為K425+465監(jiān)測(cè)斷面右拱腰處錨桿軸力隨時(shí)間變化分析圖。圖10為K425+465斷面錨桿最終軸力分布圖。

圖9 監(jiān)測(cè)斷面錨桿軸力(右拱腰)隨時(shí)間變化曲線圖Fig.9 Time-history curve of anchor axial force of monitoring section(Right hance)

單位：kN圖10 監(jiān)測(cè)斷面錨桿軸力最終分布圖Fig.10 Final distribution of anchor axial force of monitoring section

由圖9可以看出：錨桿軸力經(jīng)歷了由施做初期的急劇變化到斷面封閉之后逐漸趨于穩(wěn)定的過程。就圖10中軸力最終分布來看，錨桿受力均較小，但錨桿軸力的峰值位于錨桿長(zhǎng)度的1/5處(左拱肩16.5 kN)。根據(jù)中性點(diǎn)理論[15-16]，軸力峰值應(yīng)位于錨桿長(zhǎng)度1/3～1/2處，這與該理論不相符。由此可見，在細(xì)砂卵礫石互層圍巖隧道開挖后，主要系統(tǒng)錨桿的力學(xué)性質(zhì)不能有效發(fā)揮，而是靠圍巖中卵礫石層與管棚配合水平旋噴樁的初期支護(hù)來平衡，在干燥細(xì)砂層，系統(tǒng)錨桿施工效果不明顯，錨桿軸力小，甚至不發(fā)生作用；而在卵礫石層中軸力較大。因此，在細(xì)砂卵礫石互層圍巖中可采用局部增減或長(zhǎng)短結(jié)合的成組錨桿進(jìn)行支護(hù)。

3.5 鋼拱架內(nèi)力

圖11是出口端K425+465斷面鋼拱架應(yīng)力分布圖。其中虛線表示鋼拱架外翼緣應(yīng)力，實(shí)線表示鋼拱架內(nèi)翼緣應(yīng)力。

單位：MPa圖11 鋼拱架應(yīng)力分布圖Fig.11 Distribution of stress arch bridge

根據(jù)圖11可以看出，分布較均勻的壓應(yīng)力是鋼拱架的主要應(yīng)力，拱肩部應(yīng)力分布較大，值在256～267 MPa范圍，邊墻、拱腳部位應(yīng)力分布較小，位于隧道頂部處的應(yīng)力值最大，為280 MPa，該最大值遠(yuǎn)小于《GB50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]中規(guī)定Q235鋼材的受拉受壓極限強(qiáng)度值375 MPa，表明隧道采用的支護(hù)鋼拱架在互層圍巖條件下仍具有一定的安全儲(chǔ)備。進(jìn)一步分析認(rèn)為：采用支護(hù)措施3后，水平旋噴樁使細(xì)砂卵礫石互層圍巖具有一定的自穩(wěn)能力和承載能力，同時(shí)，水平旋噴樁與大管棚和鋼拱架相互協(xié)調(diào)、共同承擔(dān)了外部荷載，雖受地表行車荷載影響，結(jié)構(gòu)也不會(huì)因強(qiáng)度不足而失穩(wěn)破壞。

3.6 圍巖與初支接觸壓力

圖12為圍巖與初支的接觸壓力分布圖。最大圍巖壓力最終量值為3.421 MPa左右，最小值0.293 MPa左右，可見與初支接觸的細(xì)砂層、卵礫石層，作用在初期支護(hù)上的接觸壓力最終量值均較大，且分布不均，分析認(rèn)為除地質(zhì)原因外，因隧道上方有既有線甘白路，上方車輛通行對(duì)接觸壓力產(chǎn)生影響，尤其是接近甘白路的左拱肩位置，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)接觸壓力值較大。由于圍巖急劇變形和層間松弛所引起的圍巖壓力變化較大，因此施工中在保證安全穩(wěn)定的前提下，應(yīng)盡量避免關(guān)閉既有線交通運(yùn)行，以減少不必要的附加荷載影響。

單位：100 KPa圖12 圍巖與初支接觸壓力分布圖Fig.12 Contact pressure’s distribution between wall rock and primary support

4 結(jié)論

1)細(xì)砂卵礫石互層圍巖是一種特殊的近水平狀互層圍巖，采用大管棚配合水平旋噴樁進(jìn)行超前支護(hù)具有效好的適宜性，能擠壓、固結(jié)細(xì)砂和卵礫石層并形成預(yù)支護(hù)拱，可有效防止坍塌及控制漏砂。

2)采用淺埋暗挖法施工，細(xì)砂卵礫石互層隧道地表沉降值和洞周變形值均較大，地表沉降速率因砂涌常發(fā)生突變，當(dāng)?shù)貙娱g力超過砂層與卵礫石層之間最大抗剪強(qiáng)度后，卵礫石層斷裂，干燥細(xì)砂層出現(xiàn)斷崖式塌落。

3) 水平旋噴樁與大管棚共同承擔(dān)外部荷載，因此鋼拱架內(nèi)力較小，而錨桿與圍巖間的黏結(jié)力差異明顯，在干燥細(xì)砂層錨桿軸力小，甚至不發(fā)生作用，而在卵礫石細(xì)層中軸力較大，因此，應(yīng)采用局部增減或長(zhǎng)短結(jié)合的成組錨桿進(jìn)行支護(hù)。

[1] 杜文.雙線鐵路隧道平緩砂泥巖互層圍巖變形機(jī)理分析[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù),2012,49(4) :70-75. DU Wen. Analysis of the surrounding rock deformation mechanism of a gently inclined sand and mudstone interbed in double-track railway tunnel[J]. Modern Tunneling Technology, 2012,49(4) :70-75.

[2] 楊斌，方勇，王小敏. 近水平軟硬互層圍巖公路隧道初期支護(hù)內(nèi)力分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)( 自然科學(xué)版) ,2013,32(2) :229-235. YANG Bin，F(xiàn)ANG Yong，WANG Xiaomin. Force analysis on highway tunnel’s primary support in approximate horizontal inter-bedded strata of soft and hard bock[J].Journal of Chongqing Jiaotong University(Natural Science),2013,32(2): 229-235.

[3] 王運(yùn)生,鄧茜,羅永紅,等.金沙江其宗河段河床深厚覆蓋層特征及其工程效應(yīng)研究[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì),2011,38(1):40-45. WANG Yunsheng,DENG Xi, LUO Yonghong,et al. A study on the characteristics of deep overburden in qizong segment of jinsha river and its engineering effects[J]. Hydrogeology & Engineering Geology,2011,38(1):40-45.

[4] 王暉，竺維彬，李大勇. 富水砂層中聯(lián)絡(luò)通道施工工法及其控制措施[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào)，2010，42(9)：82-87. WANG Hui，ZHU Weibin，LI Dayong. Construction method and control measure for connecting passage in water-enriched sand bed[J]. Journal of Railway Engineering Society，2010，42(9)：82-87.

[5] 王社江. 在富水粉砂地層中盾構(gòu)到達(dá)段施工技術(shù)[J]. 石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，25(1)：53-57. WANG Shejiang.Construction technology in shield-approaching area in water-rich silt strata[J]. Journal of Shijiazhuang Tiedao University(Natural Science)，2012，25(1)：53-57.

[6] 肖昌軍，王曉剛. 超前小導(dǎo)管注漿技術(shù)在北京地鐵10 號(hào)線勁松站粉細(xì)砂地層加固中的應(yīng)用[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2008，18(12)：231-233. XIAO Changjun，WANG Xiaogang. Application of grouting technology with advanced small ducts in reinforcement of jinsong station at powder sand stratum in Beijing Metro #10 line[J]. Railway Standard Design，2008，18(12)：231-233.

[7] 弋琰. 砂土軟巖隧道水平旋噴樁施工技術(shù)[J]. 鐵道建筑技術(shù)，2011，19(5)：107-109. YI Yan. Construction technology of tunnel level jet grouting pile in soft rock of sandy soil[J]. Railway Construction Technology，2011，19(5)：107-109.

[8] 劉鐘，柳建國(guó)，張義，等. 隧道全方位高壓噴射注漿拱棚超前支護(hù)新技術(shù)[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(1)：59-65. LIU Zhong，LIU Jianguo，ZHANG Yi，et al. New technique of rotary horizontal jet grouting for arched tunnel pre-support[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(1)：59-65.

[9] 賈金青,王海濤,涂兵雄,等. 管棚力學(xué)行為的解析分析與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試[J]. 巖土力學(xué), 2010, 33(6):1858-1859. JIA Jinqing,WANG Haitao,TU Bingxiong,et al. Analytical approach and field monitoring for mechanical behaviors of pipe roof reinforcement[J]. Rock and Soil Mechanics,2010，33(6):1858-1859.

[10] 周順華. 軟弱地層淺埋暗挖施工中管棚法的棚架原理[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,17(14):2565-2566. ZHOU Shunhua. Principles of pipe roof appled to shallow-buried tunnels in soft ground[J]. Rock and Soil Mechanics, 2005,17(14):2565-2566.

[11] 孫星亮，王海珍. 水平旋噴固結(jié)體力學(xué)性能試驗(yàn)及分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，22(10)：1695-1698. SUN Xingliang，WANG Haizhen. Testing on physico-mechanical properties of horizontal jet-grouted soilcrete[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22(10)：1695-1698.

[12] 孫星亮，景詩(shī)庭. 水平鉆孔旋噴注漿加固地層效果研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1998，17(5)：589-593. SUN Xingliang，JING Shiting.Testing study on effect of horizontal drilling jet grouting for soil improvement[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1998，17(5)：589-593.

[13] 王建宇. 隧道工程監(jiān)測(cè)和信息化設(shè)計(jì)原理[M]. 北京:中國(guó)鐵道出版社,1990. WANG Jianyu. Tunnel engineering monitoring and information design principle[M ]． Beijing: China Railway Publishing House，1990.

[14] JTG/T F60—2009,公路隧道施工技術(shù)細(xì)則[S]. JTG/T F60—2009,Code for design of road tunnel[S].

[15] 朱訓(xùn)國(guó)，楊慶. 全長(zhǎng)注漿巖石錨桿中性點(diǎn)影響因素分析研究[J]. 巖土力學(xué)，2009，30(11)：3386-3392. ZHU Xunguo,YANG Qing. Analysis and study of influential factors for determining neutral point position of fully grouted rock bolt[J]. Rock and Soil Mechanics，2009，30(11)：3386-3392.

[16] 姚顯春，李寧，陳蘊(yùn)生. 隧洞中全長(zhǎng)黏結(jié)式錨桿的受力分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(13)：2272-2276. YAO Xianchun,LI Ning,CHEN Yunsheng.Theoretical solution for shear stresses on interface of fully grouted blot in tunnels[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24(13)：2272-2276.

[17] GB50017—2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. GB50017—2003,Code for design of steel structures[S].

The filed-testing on surrounding rock deformation and supporting system in inter-bedded strata sand-gravel tunnel

YAN Jian1,2，HE Chuan1， YAN Qixiang1，WEI Yanqing3, YAN Kunpeng4

(1. MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China；2. Department of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Emei 614202,China；3. Sichuan Province Transportation Department Highway Planning,Survey,Design and Research Institute，Chengdu 610031, China；4. Panzhihua Highway Construction Co, Ltd , Panzhihua 610000, China)

In order to avoid the occurrence of accident such as collapse, sand flow, roof caving , this paper presents a study of the GangTuo tunnel in the 317 national highway. Field experiments analysis and field measurement are presented in this paper to investigate the suitability of pre-reinforcement, the variation laws of surface subsidence ,tunnel deformations and the final displacement distribution of deep surrounding rock, axis forces of anchors, contact pressures between surrounding rock and primary support, and the internal forces in arch frames. The results show that for the inter-bedded strata sand-gravel tunnel , the small ductules grouting is difficult, the pre-grouted pipe shed could induce large deformation and the sand flow will take place in the pipe shed clearance. The sand flow and the large deformation can be controlled effectively by means of the pipe shed with rotary horizontal jet grouting pile.

tunnel engineering；inter-bedded strata sand-gravel；supporting system; surrounding rock deformation；field measurement

2016-02-14

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(U1134208，U1361210，51378434)； 國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAB10B04)；西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)基金資助項(xiàng)目(SWJTU10101B10096019)

嚴(yán)健(1979-)，男，四川西昌人，博士研究生，從事高海拔高寒地區(qū)隧道施工及結(jié)構(gòu)防凍研究；E-mail:sharefuture33@163.com

TU45

A

1672-7029(2016)12-2455-08