鐵路隧道施工主動(dòng)控制變形技術(shù)研究與實(shí)踐

肖廣智

(中國(guó)鐵路總公司工程管理中心, 北京 100844)

0 引言

目前，在隧道施工中普遍重視、強(qiáng)調(diào)初期支護(hù)和襯砌的作用，而對(duì)加固圍巖、充分發(fā)揮圍巖自身承載能力方面重視不夠，或施作不到位，致使在軟弱圍巖施工時(shí)開(kāi)挖分部較多，總變形量較大，在高地應(yīng)力軟巖、硬質(zhì)破碎巖隧道施工時(shí)發(fā)生大變形[1]，超過(guò)正常施工預(yù)留變形量，而必須拆換初期支護(hù)，不但大大降低施工工效，也造成了較大的施工安全隱患。產(chǎn)生這一問(wèn)題的原因?yàn)椋?1)對(duì)控制變形的機(jī)制認(rèn)識(shí)不足； 2)未配備相應(yīng)施工設(shè)備; 3)未掌握相應(yīng)施工工藝。

針對(duì)隧道變形控制的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)已有大量的研究。肖廣智[1]、關(guān)寶樹(shù)[2]、張梅等[3]、趙勇[4]對(duì)軟弱圍巖隧道變形機(jī)制與控制技術(shù)進(jìn)行了全面且系統(tǒng)的探討； 劉欽[5]、王云龍[6]、李磊等[7]、李波[8]從機(jī)制和變形控制方面對(duì)不同巖性的隧道進(jìn)行了研究；史克臣[9]、萬(wàn)明富等[10]分析了大斷面、大跨隧道開(kāi)挖變形特征，并制定了相應(yīng)的變形控制方法。

黃林偉等[11]通過(guò)數(shù)值計(jì)算優(yōu)化開(kāi)挖工法和支護(hù)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)軟巖隧道大變形的施工控制；丁遠(yuǎn)振等[12]通過(guò)對(duì)成蘭柿子園隧道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，得到了軟巖大變形隧道的支護(hù)應(yīng)力特征與變形特征；鄒翀等[13]以木寨嶺隧道為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究分析高地應(yīng)力、軟巖隧道變形控制方法；彭峰等[14]、孫洋等[15]分別研究了核心土加固和施作加長(zhǎng)錨桿等措施來(lái)控制軟巖變形的效果； Pietro Lunardi[16]針對(duì)軟弱破碎地質(zhì)，采取預(yù)約束和加固掌子面控制隧道變形實(shí)現(xiàn)全斷面開(kāi)挖。

然而,以上研究成果均未明確提出主動(dòng)控制變形的概念，也未系統(tǒng)形成具有普遍適用性的主動(dòng)控制變形技術(shù)。本文通過(guò)相關(guān)工程調(diào)研，結(jié)合近年來(lái)部分鐵路隧道的實(shí)踐和工程試驗(yàn)，提出主動(dòng)控制變形的理念，簡(jiǎn)要介紹主動(dòng)控制變形關(guān)鍵技術(shù)，以期推動(dòng)隧道設(shè)計(jì)施工技術(shù)的發(fā)展。

1 主動(dòng)控制變形技術(shù)調(diào)研

1.1 主動(dòng)控制變形概念

鋼拱架和噴射混凝土組成的初期支護(hù)、二次襯砌通常被稱為被動(dòng)支護(hù)，錨桿、錨索以及注漿加固地層因充分發(fā)揮圍巖自身承載能力，被稱為主動(dòng)支護(hù)，采用主動(dòng)支護(hù)措施控制圍巖變形通常稱為主動(dòng)控制變形[17-19]。

1.2 煤礦行業(yè)主動(dòng)控制變形技術(shù)

煤礦行業(yè)20世紀(jì)70年代初期在巖巷推廣應(yīng)用錨桿支護(hù)技術(shù)，90年代初期淘汰金屬鋼架支護(hù)，推廣應(yīng)用錨桿支護(hù)技術(shù)，巷道主動(dòng)支護(hù)技術(shù)的核心在“錨”，錨桿發(fā)揮了巨大作用。兗礦集團(tuán)經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)積累，在遵循《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、《煤礦巷道錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范》等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基本原則下，形成《兗礦集團(tuán)煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范》《煤巷錨桿支護(hù)材料標(biāo)準(zhǔn)》等企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋了錨桿支護(hù)技術(shù)管理體制、地質(zhì)力學(xué)評(píng)估及煤巷圍巖穩(wěn)定性分類、錨桿設(shè)計(jì)、支護(hù)材料、錨桿施工、支護(hù)監(jiān)測(cè)和質(zhì)量檢測(cè)等環(huán)節(jié)，對(duì)樹(shù)脂錨桿螺紋鋼桿體、扭矩螺母、錨固劑和鋼筋網(wǎng)提出了明確的技術(shù)要求。

1)樹(shù)脂錨桿桿體采用高強(qiáng)度、高延伸率的熱軋左旋螺紋鋼和精軋連續(xù)螺紋鋼，由鋼廠定制生產(chǎn)，適應(yīng)煤礦巷道地應(yīng)力高、變形大的特點(diǎn)； 扭矩螺母有阻尼式、銷釘式(見(jiàn)圖1)和壓片式(見(jiàn)圖2)； 錨固劑由樹(shù)脂膠泥和固化劑2部分分隔包裝成卷形，由工廠生產(chǎn)，施工時(shí)裝入錨桿孔混合后3～5 min將錨桿和巖體錨固在一起，初始錨固力在40 kN以上； 錨桿端頭采用扭矩螺母和墊片施加預(yù)應(yīng)力，將鋼筋網(wǎng)片等錨固達(dá)到主動(dòng)支護(hù)的目的，錨桿端頭設(shè)置讓壓環(huán)，當(dāng)錨桿抗拔力達(dá)到一定程度時(shí)，讓壓環(huán)壓縮變形，達(dá)到圍巖應(yīng)力釋放的目的。

(a) (b)

圖2 壓片式扭矩螺母Fig. 2 Sheet type torque nut

2)由專業(yè)化加工廠生產(chǎn)錨桿桿體、鋼筋網(wǎng)片、菱形金屬網(wǎng)和經(jīng)緯金屬網(wǎng)等(見(jiàn)圖3—6)。桿體專用鋼材、樹(shù)脂錨固劑、扭矩螺母、墊片和讓壓環(huán)等統(tǒng)一采購(gòu)； 每批錨桿等成品在出廠前進(jìn)行檢驗(yàn)，合格后簽發(fā)產(chǎn)品合格證，包裝好后按規(guī)定存儲(chǔ)。

圖3 磨平桿體螺紋Fig. 3 Screw thread planishing of anchor body

圖4 錨桿滾絲安裝螺母Fig. 4 Nut installation on anchor

圖5 錨墊板Fig. 5 Anchor gasket

圖6 菱形編網(wǎng)Fig. 6 Rhombic net

3)采用單體風(fēng)動(dòng)錨桿鉆機(jī)或液壓錨桿鉆機(jī)成孔、人工插入錨固劑、鉆孔頂入桿體、氣動(dòng)扳手緊固扭矩螺母的施工工藝。巷道爆破開(kāi)挖完成后，即可安裝鋼筋網(wǎng)片，然后錨桿鉆機(jī)鉆孔，人工塞入樹(shù)脂錨固劑，錨桿鉆機(jī)頂入錨桿，氣動(dòng)扳手帶動(dòng)扭矩螺母旋轉(zhuǎn)桿體，將錨固劑中的樹(shù)脂膠泥和固化劑充分混合、固化，當(dāng)錨固達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)扭矩螺母中的銷釘脫落，螺母通過(guò)墊片將鋼筋網(wǎng)錨固于圍巖。錨桿長(zhǎng)度在3 m左右時(shí)，單根錨桿的施工時(shí)間為7～15 min。邊墻錨網(wǎng)和拱部錨網(wǎng)如圖7和圖8所示。

圖7 邊墻錨網(wǎng)Fig. 7 Sidewall anchor net

圖8 拱部錨網(wǎng)Fig. 8 Arch anchor net

1.3 國(guó)外主動(dòng)控制變形技術(shù)

挪威和瑞典是使用噴錨襯砌較早的國(guó)家。挪威約有長(zhǎng)160 km的干線公路隧道采用噴射混凝土或鋼纖維噴射混凝土作為永久襯砌；瑞典的斯德哥爾摩地鐵區(qū)間及地鐵車站亦大量使用單層錨噴襯砌技術(shù)(如圖9所示)；瑞士修建的費(fèi)爾艾那隧道約有97%的支護(hù)都采用單層錨噴襯砌技術(shù)。

(a)

(b)

Fig. 9 Single-layered sprayed lining structure of Stockholm Metro Station

日本非常重視錨桿對(duì)圍巖的加固和控制變形的作用，對(duì)錨桿的施工工藝要求非常嚴(yán)格(如圖10—12所示)。例如： 為了保證設(shè)置的錨桿位置居中，采用金屬構(gòu)件固定錨桿，確保錨桿居中和注漿效果； 為了保護(hù)防水板，在錨頭上設(shè)置泡沫保護(hù)襯墊，防止防水層被錨頭劃破等。

圖10 錨桿整齊排列、編號(hào)Fig. 10 Arranging and numbering of anchor bolt

圖11 錨桿卡Fig. 11 Anchor bolt clip

圖12 錨桿后泡沫保護(hù)蓋Fig. 12 Bubble protection cap

2 鐵路隧道主動(dòng)控制變形技術(shù)

在以往的鐵路隧道施工中由于缺乏施工設(shè)備，錨桿施作普遍不到位，未充分發(fā)揮錨桿的作用，繼而對(duì)錨桿的作用還存在爭(zhēng)論。近年來(lái)，部分鐵路隧道在主動(dòng)控制變形技術(shù)的支撐下實(shí)現(xiàn)了大斷面機(jī)械化快速施工、特大斷面安全施工，在高地應(yīng)力軟巖大變形隧道施工中有效控制了圍巖變形，保證了施工安全，加快了施工進(jìn)度。

2.1 大斷面機(jī)械化快速施工

鄭萬(wàn)鐵路設(shè)置試驗(yàn)段，采用漲殼式注漿錨桿穩(wěn)定圍巖，采用主動(dòng)控制變形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖全斷面機(jī)械化快速施工。

2.1.1 漲殼式注漿錨桿穩(wěn)定圍巖機(jī)制

通過(guò)旋緊螺母使錨桿前端漲殼頭漲開(kāi)，與圍巖有效接觸，給錨桿施加一定的初始張拉力，第一時(shí)間對(duì)圍巖的松弛和變形進(jìn)行約束；通過(guò)便捷快速的注漿工序，使錨桿桿體注漿飽滿，使錨桿與孔壁粘結(jié)牢固，形成摩擦阻力阻止圍巖發(fā)生位移；最終形成應(yīng)力拱效應(yīng)，使圍巖成為承載體而不是施載體。

2.1.2 漲殼式注漿錨桿工裝及機(jī)具配置

包括三臂鑿巖臺(tái)車、注漿組合車、氣動(dòng)扳手、孔口測(cè)力計(jì)、頻率讀數(shù)儀和錨桿索檢測(cè)儀等。

2.1.3 漲殼式注漿錨桿施工工藝現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

錨桿工序(含鉆孔、錨桿推送、施加初始張拉力和注漿等)用時(shí)5 min 左右，是傳統(tǒng)錨桿用時(shí)的1/3，大大節(jié)約了工序時(shí)間；可以施加40 kN 以上的初始張拉力，第一時(shí)間對(duì)圍巖的松弛和變形進(jìn)行約束；注漿水灰比控制在0.3～0.4，注漿壓力控制在0.5～1.2 MPa，能夠確保錨桿桿體注漿飽滿。

2.2 特大斷面安全施工

京張高鐵八達(dá)嶺長(zhǎng)城站大跨段為花崗巖地層，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖，開(kāi)挖跨度32.7 m，開(kāi)挖面積509.98 m2，是目前世界上最大的暗挖交通隧道，采用主動(dòng)控制變形技術(shù)，建立剛?cè)岵?jì)、多重防護(hù)的圍巖自承載體系，改變了傳統(tǒng)的被動(dòng)支護(hù)模式。剛?cè)岵?jì)、多重防護(hù)的圍巖自承載體系是采用普通錨桿、預(yù)應(yīng)力錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索、格柵鋼架和噴射混凝土等柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖進(jìn)行加固，形成圍巖承載拱，承擔(dān)圍巖全部荷載；剛性的二次襯砌結(jié)構(gòu)作為安全儲(chǔ)備，滿足圍巖自承載圈長(zhǎng)期穩(wěn)定性的要求。八達(dá)嶺車站支護(hù)如圖13和圖14所示。

施工期間大跨段圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，最大值僅12.8 mm，滿足預(yù)控要求，確保了施工安全和結(jié)構(gòu)安全。

2.3 高地應(yīng)力軟巖隧道變形控制

在高地應(yīng)力軟巖隧道施工中，采用錨桿、長(zhǎng)錨桿和錨索等主動(dòng)控制變形的措施是有效控制變形的關(guān)鍵。

圖13 八達(dá)嶺車站支護(hù)斷面Fig. 13 Cross-section of support of Badaling Station

圖14 八達(dá)嶺車站現(xiàn)場(chǎng)施工照片F(xiàn)ig. 14 Construction site photo of Badaling Station

2.3.1 部分鐵路隧道案例

南昆鐵路家竹箐隧道[20]軟巖大變形段采用了8 m長(zhǎng)的系統(tǒng)錨桿加固地層主動(dòng)控制圍巖變形，輔以改善隧道形狀、加大邊墻曲率等措施。蘭武二線烏鞘嶺隧道[21]F7斷層軟巖大變形段采用了長(zhǎng)(6 m)、短(4 m)錨桿結(jié)合主動(dòng)控制圍巖變形，輔以雙層初期支護(hù)等措施。蘭渝鐵路木寨嶺隧道嶺脊段采用長(zhǎng)、中、短相結(jié)合的3種錨固體系： 1)長(zhǎng)。預(yù)應(yīng)力錨索，每側(cè)5根，縱向間距1.4 m，長(zhǎng)18 m。2)中。自進(jìn)式錨桿，每榀鋼架10根，作為鎖固錨桿，長(zhǎng)8 m。3)短。徑向注漿小導(dǎo)管，環(huán)縱向間距1.2 m×1.2 m，長(zhǎng)4 m。

2.3.2 成蘭鐵路隧道工程試驗(yàn)

成蘭鐵路對(duì)軟巖大變形隧道開(kāi)展了系統(tǒng)的科研和現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)，試驗(yàn)前期主要強(qiáng)調(diào)“先柔后剛”、“先放后抗”，采取鋼架+噴混凝土支護(hù)措施，對(duì)于錨桿的變形控制效果認(rèn)識(shí)不足，對(duì)于如何發(fā)揮圍巖承載的針對(duì)性不強(qiáng)。通過(guò)對(duì)茂縣、楊家坪、躍龍門和云吞堡等隧道的研究、試驗(yàn)后逐步認(rèn)識(shí)到，隧道開(kāi)挖后圍巖塑性變形破壞是產(chǎn)生圍巖壓力的原因，支護(hù)的目的就是為了限制塑性區(qū)的發(fā)展，發(fā)揮圍巖自承能力。支護(hù)措施應(yīng)從如何減少圍巖塑性破壞出發(fā)，主動(dòng)加固圍巖，因此課題組提出了變形主動(dòng)控制理念，形成了“加深地質(zhì)，主動(dòng)控制，強(qiáng)化錨桿，工法配合，優(yōu)化工藝”的變形控制施工技術(shù)。其主動(dòng)控制變形關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)如下。

1)強(qiáng)化錨桿，強(qiáng)調(diào)錨桿施工效率及錨固力發(fā)揮的及時(shí)性:

①合理選擇錨桿類型。對(duì)于錨桿鉆孔后一定時(shí)間內(nèi)圍巖能夠自穩(wěn)、不會(huì)立刻發(fā)生塌孔縮孔的，選用普通中空錨桿；對(duì)于錨桿鉆孔后孔壁易發(fā)生塌孔、無(wú)法在鉆桿拔出后送入桿體的，選用自鉆式中空錨桿(見(jiàn)圖15)。中空錨桿從錨固端部返漿，注漿質(zhì)量容易控制。

(a) 自鉆式中空注漿錨桿示意

(b) 中空錨桿實(shí)物

②配置專用機(jī)械設(shè)備。人工機(jī)具打設(shè)錨桿，角度受限，施工進(jìn)度慢，質(zhì)量不易保證，大變形地段應(yīng)配置高效率的專業(yè)錨桿鉆機(jī)或鑿巖臺(tái)車，可以實(shí)現(xiàn)全角度錨桿施工， 8～10 m長(zhǎng)的錨桿施作時(shí)間可控制在10～20 min，現(xiàn)場(chǎng)采用的鉆機(jī)如圖16所示。

(a)

(b)

③優(yōu)化錨桿參數(shù)。采用地質(zhì)雷達(dá)、聲波測(cè)試法等方法探明松動(dòng)區(qū)，明確不同等級(jí)、不同斷面的隧道圍巖松動(dòng)圈，為確定錨桿參數(shù)提供依據(jù)。

④長(zhǎng)短錨桿結(jié)合，形成群錨效應(yīng)。短錨桿施作便捷快速，用于初期變形控制，限制淺部圍巖松弛的發(fā)展，為長(zhǎng)錨桿創(chuàng)造施作時(shí)機(jī)； 長(zhǎng)錨桿錨入彈性區(qū)，將組合拱支護(hù)結(jié)構(gòu)懸吊于深部穩(wěn)定巖體，使淺部圍巖和深部圍巖共同作用，協(xié)調(diào)變形。長(zhǎng)短錨桿合理組合，形成群錨效應(yīng)，可以有效限制隧道圍巖的塑性區(qū)發(fā)展，約束圍巖變形速率，保證隧道施工安全,見(jiàn)圖17。

圖17 長(zhǎng)短錨桿結(jié)合Fig. 17 Long and short anchor bolts

躍龍門隧道3號(hào)斜井工區(qū)嚴(yán)重變形段，采用雙層支護(hù)+長(zhǎng)短錨桿結(jié)合的措施(見(jiàn)圖18)，二次支護(hù)施作完成后基本控制了圍巖變形，圍巖變形最大速率在0.4 mm/d以內(nèi)。

在躍龍門隧道3號(hào)斜井工區(qū)進(jìn)行了不同工程措施控制變形對(duì)比試驗(yàn)，見(jiàn)表1。從表1可以看出，H175+長(zhǎng)短錨桿結(jié)合的支護(hù)方式，其變形控制較其他措施更為有效。

⑤快錨固，早承載。早期短錨桿可采用藥包水泥、樹(shù)脂錨固劑等快速錨固盡快形成承載力；中后期長(zhǎng)錨桿采用快凝水泥砂漿。快凝水泥砂漿錨桿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明早強(qiáng)錨桿使邊墻圍巖壓力減小56%，使拱架拱部應(yīng)力減小36%，拱頂下沉和邊墻位移分別減小47.2%、41.8%。

表1躍龍門隧道3號(hào)斜井試驗(yàn)段(按正洞斷面)最終變形量控制對(duì)比

Table 1 Comparison of final deformation control amount of test section of inclined No. 3 of Yuelongmen Tunnel (in main tunnel cross-section)

里程埋深/m截至2016年6月最終變形量/mm拱頂下沉上臺(tái)階中臺(tái)階下臺(tái)階采取的主要措施+255424.77484.6471.6427.5415.8格柵+工20b+8 m砂漿錨桿+235432.92500.6520.4744.1430.2雙層工20b+8 m砂漿錨桿+225438.72396.7397.9526.8315.5H175+8 m自進(jìn)式錨桿+215446.02158319.9489.8155.8H175+長(zhǎng)短錨桿結(jié)合

2)優(yōu)化工法，盡量少分步，實(shí)現(xiàn)大斷面開(kāi)挖，盡早封閉仰拱成環(huán):

①掌子面自穩(wěn)性差時(shí)，采用微臺(tái)階施工，初期支護(hù)盡快封閉成環(huán)。

②掌子面自穩(wěn)性較好時(shí)，采用臺(tái)階法施工，盡量少分臺(tái)階，盡可能減少鋼架接頭等工序銜接薄弱環(huán)節(jié)。下臺(tái)階盡量帶仰拱一次開(kāi)挖成型，初期支護(hù)盡快封閉形成整體。

躍龍門隧道開(kāi)挖方法由三臺(tái)階優(yōu)化為二臺(tái)階，減少了開(kāi)挖步數(shù)，減小了對(duì)圍巖的擾動(dòng)，使初期支護(hù)早封閉，控制圍巖壓力和拱架應(yīng)力，有效控制隧道變形，同時(shí)還提高了施工進(jìn)度和施工效率，見(jiàn)圖19。三臺(tái)階法與二臺(tái)階法施工綜合對(duì)比見(jiàn)表2。

(a) 三臺(tái)階

(b) 二臺(tái)階

Table 2 Comparison between three-bench method and two-bench method

3)優(yōu)化工藝，主動(dòng)控制變形：

①優(yōu)化超前支護(hù)布置。圍巖在未開(kāi)挖掌子面前已發(fā)生變形，大變形段尤其如此，因此，根據(jù)圍巖穩(wěn)定性條件，擴(kuò)大超前加固的范圍。

②加強(qiáng)鋼架縱向連接。大變形段變形發(fā)展迅速，前后施工鋼架即可能存在較大的變形差異，通過(guò)加強(qiáng)縱向連接增加其整體性，如圖 20所示。

圖20 加強(qiáng)鋼架縱向連接Fig. 20 Longitudinal connection of reinforced steel frame

③優(yōu)化鋼架鎖腳。大變形段應(yīng)加強(qiáng)鎖腳錨固能力，宜采用樹(shù)脂錨桿等快錨鎖腳；將以控制鋼架基腳沉降為主的鎖腳調(diào)整為控制收斂為主；在鋼架接頭上下均布置多組鎖腳錨桿。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

1)在隧道施工中，主動(dòng)控制圍巖變形，充分發(fā)揮、調(diào)動(dòng)圍巖的自承載作用，是隧道現(xiàn)代修建技術(shù)的核心理念。

2)采用主動(dòng)控制圍巖變形技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)軟弱圍巖大斷面機(jī)械化快速施工，解決超大斷面設(shè)計(jì)施工技術(shù)難題，有效控制高地應(yīng)力軟巖隧道變形，避免大變形的發(fā)生，保證施工安全和進(jìn)度。

3)錨桿、錨索以及注漿加固地層等是主動(dòng)控制圍巖變形的關(guān)鍵技術(shù)措施，必須配置大型機(jī)械設(shè)備，掌握成套施工工藝，確保錨固的及時(shí)性和有效性。

3.2 建議

1)進(jìn)一步研究軟弱圍巖的蠕變特性、長(zhǎng)期變形及圍巖壓力變化規(guī)律。

2)進(jìn)一步研究軟巖大變形隧道初期支護(hù)變形控制標(biāo)準(zhǔn)、二次襯砌施作時(shí)機(jī)及二次襯砌受力演化和防開(kāi)裂措施。

3)推廣、普及錨桿施工專用設(shè)備，完善錨桿配套施工工藝。