軟巖隧道中雙層初期支護(hù)的應(yīng)力情況分析

姚正源

(上海勘察設(shè)計(jì)研究院〈集團(tuán)〉有限公司，上海 200093)

1 工程概況

兩水隧道位于蘭渝鐵路第5標(biāo)段，起止樁號(hào)里程為DK357+082～DK362+090，隧道全長(zhǎng)4928.35 m，為雙線單洞鐵路隧道。隧道洞身穿過(guò)地層主要為志留系中、上統(tǒng)炭質(zhì)千枚巖、炭質(zhì)千枚巖夾板巖、灰?guī)r。炭質(zhì)千枚巖呈深灰、灰黑色，含炭質(zhì)，石英充填，鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，具絲絹光澤，污手。受構(gòu)造影響，褶皺發(fā)育，薄片、薄層狀巖層被節(jié)理切割成碎塊狀，巖體破碎，穩(wěn)定性差，巖體強(qiáng)度低于5 MPa，屬極軟巖，局部地段有滲水現(xiàn)象。表層風(fēng)化層厚4～6 m，存在孤石、圍巖松散、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定易于造成滑坡、坍塌，處理不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)大坍塌。隧道圍巖巖性以灰?guī)r與千枚巖互層，千枚巖層理及節(jié)理裂隙較發(fā)育。

針對(duì)兩水隧道這樣的有圍巖大變形情況的復(fù)雜地質(zhì)情況隧道，在實(shí)際施工中采用了雙層初期支護(hù)及單層二次襯砌的施工關(guān)鍵技術(shù)對(duì)隧道進(jìn)行開挖。

2 雙層初期支護(hù)

2.1 基本機(jī)理

雙層初支的第一層支護(hù)和第二層支護(hù)在受力過(guò)程中的受荷載情況是不同的。隧道向前開挖時(shí)，掌子面正前方的圍巖應(yīng)力已經(jīng)有所釋放，這一段圍巖處于初始應(yīng)力階段，直到施作第一層初期支護(hù)后圍巖的應(yīng)力釋放開始受到約束，隨著施工進(jìn)程的推進(jìn)，圍巖應(yīng)力釋放速度逐漸減慢，此時(shí)的第一層初支的變形速率也隨之降低。跟進(jìn)施作第二層初支，第二層初期支護(hù)的力學(xué)傳遞機(jī)理為：(1)圍巖變形造成的擠壓應(yīng)力。隧道開挖后，圍巖體由于受到擾動(dòng)產(chǎn)生了應(yīng)力釋放，由初始應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎螒?yīng)力狀態(tài)，同時(shí)圍巖體進(jìn)入塑性變形。施作第一層初支后，圍巖體和初期支護(hù)結(jié)合，圍巖體的變形受到了初期支護(hù)的約束，圍巖的擠壓應(yīng)力傳遞到了初期支護(hù)上。第一層初期支護(hù)由于受力而產(chǎn)生了變形，這種變形隨著圍巖應(yīng)力的不斷釋放而增長(zhǎng)，在隧道工程中伴隨有第一層初期支護(hù)開裂、鋼架彎曲變形等現(xiàn)象。而后施作第二層初期支護(hù)，這樣第一層和第二層支護(hù)協(xié)同作用形成了雙層初支結(jié)構(gòu)。在理論上，這樣的支護(hù)結(jié)構(gòu)既能讓圍巖體的應(yīng)力得到一定量的釋放，又能承擔(dān)圍巖變形產(chǎn)生的對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的擠壓應(yīng)力，充分體現(xiàn)了對(duì)荷載在不同時(shí)空中支護(hù)的觀念。(2)承受第一層初期支護(hù)傳遞的應(yīng)力。第一層初期支護(hù)在圍巖的持續(xù)變形下自身也在產(chǎn)生著持續(xù)變形，由于第二層初期支護(hù)對(duì)第一層初支的約束性，使得第二層初期支護(hù)受到擠壓。雙層支護(hù)之間的混凝土成為了力學(xué)傳遞的介質(zhì)，由于變形的不均勻性，雙層支護(hù)之間存在著剪應(yīng)力。這樣的應(yīng)力傳遞使得雙層支護(hù)共同受力，共同變形。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

雙層初期支護(hù)主要改善了3個(gè)方面的問(wèn)題：(1)傳統(tǒng)的初期支護(hù)和二次襯砌的設(shè)計(jì)方法，實(shí)際變形量高于設(shè)計(jì)預(yù)留變形量，侵限情況頻發(fā)。采用了雙層初期支護(hù)和單層二次襯砌的設(shè)計(jì)后，累積變形量可以控制在600 mm以下，部分墻腰區(qū)域累積變形量可以控制在200 mm以下，基本符合了炭質(zhì)千枚巖圍巖隧道在Ⅴ級(jí)圍巖的情況下的累積變形量要求。(2)傳統(tǒng)的初期支護(hù)和二次襯砌的設(shè)計(jì)方法，不能有效地控制隧道斷面的變形速率，二次襯砌施作后受力較大容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。采用了雙層初期支護(hù)和單層二次襯砌的設(shè)計(jì)后，在整個(gè)隧道斷面雙層初期支護(hù)完成封閉成環(huán)后，斷面的變形速率基本都可以控制在2.0 mm/d左右，基本滿足了施作二次襯砌的條件。第二層初期支護(hù)可以緊跟第一層初期支護(hù)施作，也可以平行作業(yè)，施工進(jìn)度不受影響，施工安全性得到了提高。(3)傳統(tǒng)的初期支護(hù)和二次襯砌的設(shè)計(jì)方法，在兩水隧道進(jìn)口工段換拱情況頻發(fā)，施工進(jìn)度不能得到保障，基本上只能達(dá)到每個(gè)月掘進(jìn)20 m的進(jìn)度指標(biāo)。采用了雙層初期支護(hù)和單層二次襯砌的設(shè)計(jì)后，由于變形情況的改善，和結(jié)構(gòu)承載能力的提高，基本上杜絕了拆換拱的現(xiàn)象，同時(shí)能夠保證隧道進(jìn)口段施工滿足每個(gè)月40～50 m的進(jìn)度指標(biāo)，滿足了隧道開挖要求。

2.3 施工流程

雙層初期支護(hù)施作的關(guān)鍵在于施工各工序要緊湊進(jìn)行，第一次初期支護(hù)開挖的各臺(tái)階長(zhǎng)度要嚴(yán)格控制，適當(dāng)時(shí)候可以采用微臺(tái)階法開挖掌子面，盡量地縮短施作第二層初期支護(hù)時(shí)掌子面與支護(hù)的距離，也就是縮短仰拱和掌子面的距離，防止隧道斷面不能及時(shí)封閉成環(huán)，不能有效地控制應(yīng)力的發(fā)展和圍巖大變形，造成第一層初期支護(hù)變形或者侵限現(xiàn)象，導(dǎo)致二次初期支護(hù)無(wú)法施作的被動(dòng)情況。雙層初期支護(hù)施工圖，如圖1～3所示。

雙層支護(hù)的施工工藝流程主要有3個(gè)步驟：(1)第一層初期支護(hù)。掌子面微臺(tái)階法上臺(tái)階開挖后施作第一層初期支護(hù)，整個(gè)上臺(tái)階斷面噴射3～5 cm厚的C25混凝土。全斷面設(shè)立H175型鋼鋼架，鋼架間距0.5 m，在H175型鋼鋼架拱腳底部大約高30 cm處，緊貼著型鋼鋼架兩側(cè)邊緣，傾角30°往下設(shè)?89 mm鋼管鎖腳錨桿，對(duì)鋼架進(jìn)行鎖固，每榀鋼拱架在左右兩側(cè)各設(shè)置1根，長(zhǎng)3 m。復(fù)噴射C25混凝土至設(shè)計(jì)厚度30 cm，在拱腳處初期支護(hù)的混凝土層厚度可以適當(dāng)加厚。隧道拱墻設(shè)置雙層Φ8鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格尺寸20 cm×20 cm。掌子面下臺(tái)階開挖后施作第一層初期支護(hù)，方法和上臺(tái)階一致。(2)第二層初期支護(hù)。第一層初期支護(hù)拱墻施工完成后，利用鋪掛防水板臺(tái)架安裝第二層初期支護(hù)設(shè)I18型鋼鋼架，鋼架間距1.0 m，一次可以安裝3～4榀。第二層初期支護(hù)噴射C25混凝土，厚度20 cm。在I18型鋼鋼架拱腳底部大約高30 cm處，緊貼著型鋼鋼架兩側(cè)邊緣，傾角30°往下設(shè)?22 mm砂漿鎖腳錨桿，對(duì)鋼架進(jìn)行鎖固，每榀鋼拱架在左右兩側(cè)各設(shè)置1根，長(zhǎng)1.5 m。拱墻設(shè)置單層Φ8鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格尺寸20 cm×20 cm，采用Φ22螺紋鋼筋縱向連接，環(huán)向間距1.0 m。(3)二次襯砌。根據(jù)要求在拱頂下沉速率和周邊收斂速率滿足每天變形量<2 mm的情況下才可以施作二次襯砌，采用了雙層初期支護(hù)和仰拱施作后，變形速率有了明顯的收斂，基本復(fù)合了每天變形<2 mm的要求。二次襯砌環(huán)向主筋采用Φ22鋼筋，主筋間距為20 cm,縱向鋼筋采用Φ14鋼筋，縱筋間距為20 cm，箍筋采用Φ8鋼筋。二次襯砌，采用C35鋼筋混凝土，拱墻厚度為60 cm。

圖1 第一層初期支護(hù)

圖2 第二層初期支護(hù)

圖3 二次襯砌

2.4 施工要求

兩水隧道在雙層初期支護(hù)的施工中有如下的要求：雙層初期支護(hù)所使用的混凝土是早強(qiáng)型混凝土，混凝土要能夠抵抗剪應(yīng)力的作業(yè)，防止雙層支護(hù)由于過(guò)大變形產(chǎn)生剪切破壞，同時(shí)還要保證第一層初期支護(hù)和第二層初期支護(hù)之間有一定的粘結(jié)強(qiáng)度。

3 應(yīng)力分析

3.1 第一層初期支護(hù)應(yīng)力分析

由圖4、圖5可知，DK359+735斷面處第一層支護(hù)混凝土層應(yīng)力在仰拱處達(dá)到最大值，最大值為9.80 MPa，其次是左拱腰處應(yīng)力值為7.12 MPa，最小應(yīng)力值為0.13 MPa出現(xiàn)在左墻腰處?？偟膩?lái)說(shuō)，隧道斷面左側(cè)應(yīng)力大于右側(cè)，并不是對(duì)稱分布。左拱腰處應(yīng)力在初期處于比較復(fù)雜的應(yīng)力情況，1個(gè)月后進(jìn)入增長(zhǎng)階段，在2個(gè)月后進(jìn)入穩(wěn)定階段，呈現(xiàn)出臺(tái)階特征。仰拱處應(yīng)力初期發(fā)展非常緩慢，在40 d后還是進(jìn)入增長(zhǎng)階段，在將近3個(gè)月時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定階段，呈現(xiàn)出廠字形特征。左拱腳處應(yīng)力在15 d后進(jìn)入增長(zhǎng)階段，在30 d左右進(jìn)入穩(wěn)定階段，整個(gè)應(yīng)力變化時(shí)間短增長(zhǎng)快，呈現(xiàn)出拋物線形特征。

圖4 DK359+735斷面第一層初支混凝土層應(yīng)力時(shí)間曲線

圖5 DK359+735斷面第一層初支混凝土層應(yīng)力橫斷面分布(MPa)

3.2 第二層初期支護(hù)應(yīng)力分析

由圖6、圖7可知，DK359+735斷面處第二層初期支護(hù)混凝土層應(yīng)力在右拱腳處達(dá)到最大值，最大值為12.01 MPa，其次是左拱腰處應(yīng)力值為7.10 MPa，最小應(yīng)力值為0.06 MPa出現(xiàn)在右墻腳處?？偟膩?lái)說(shuō)，第二層支護(hù)混凝土層應(yīng)力值在斷面分布較為平均，圖形基本為圓形。右拱腳處應(yīng)力在2～3 d后開始進(jìn)入增長(zhǎng)階段，整體增長(zhǎng)速率較為快速，在大約40 d后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，呈現(xiàn)拋物線形分布。左拱腰處應(yīng)力在2～3 d后開始進(jìn)入增長(zhǎng)階段，整體增長(zhǎng)速率較為緩慢，在30 d后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，呈現(xiàn)廠字形分布。

圖6 DK359+735斷面第二層支護(hù)混凝土層應(yīng)力時(shí)間曲線

3.3 二次襯砌應(yīng)力分析

由圖8、圖9可知，DK359+735斷面處二襯混凝土應(yīng)力在右拱腰處達(dá)到最大值，最大值為2.28 MPa，其次是左拱腳處應(yīng)力值為2.15 MPa，最小應(yīng)力值為0.31 MPa出現(xiàn)在左墻腳處?？偟膩?lái)說(shuō)，二襯混凝土應(yīng)力值在2.5 MPa以下，在左右拱腰處應(yīng)力值較大，左右邊墻處應(yīng)力值較小。隧道斷面各點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)間曲線較為相似，應(yīng)力在增長(zhǎng)開始后的7 d基本趨于穩(wěn)定，總體呈現(xiàn)S形分布。測(cè)點(diǎn)右墻腰處由于應(yīng)力原件故障數(shù)據(jù)未測(cè)得。

圖8 DK359+735斷面二襯混凝土應(yīng)力時(shí)間曲線

圖9 DK359+735斷面二襯混凝土應(yīng)力橫斷面分布(MPa)

4 結(jié)論

(1)混凝土層的應(yīng)力時(shí)間曲線主要特征是發(fā)展時(shí)間較長(zhǎng)，發(fā)展較為緩慢。邊墻部位為受力較小部位，應(yīng)力值不大且增長(zhǎng)速度較為緩慢。仰拱應(yīng)力情況與拱頂應(yīng)力情況較為相似?？偟膩?lái)說(shuō)，應(yīng)力時(shí)間曲線都處于波動(dòng)變化狀態(tài)，隨著施工的進(jìn)展應(yīng)力有所改變。

(2)壓力計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)拉應(yīng)力為負(fù)值，壓應(yīng)力為正值。兩水隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)各個(gè)測(cè)設(shè)斷面應(yīng)力值都為正數(shù)，說(shuō)明了整個(gè)結(jié)構(gòu)都處于受壓狀態(tài)，無(wú)受拉狀態(tài)出現(xiàn)。在兩水隧道這樣的軟巖隧道中，由于工程地質(zhì)條件差、圍巖較松散，圍巖基本沒(méi)有自穩(wěn)能力，所以支護(hù)結(jié)構(gòu)主要成為受壓構(gòu)件。

(3)在初期支護(hù)斷面，圍巖完整段噴射混凝土應(yīng)力值應(yīng)該為負(fù)值，即初期支護(hù)成型后反作用于圍巖；圍巖穩(wěn)定性差的斷面噴射混凝土應(yīng)力值應(yīng)該為正值，即圍巖對(duì)初期支護(hù)施加應(yīng)力。第一層初期支護(hù)噴射混凝土層應(yīng)力值都為正值，與兩水隧道圍巖穩(wěn)定性差、圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)軟巖的工程地質(zhì)情況吻合。

(4)由各測(cè)設(shè)斷面的壓力時(shí)間曲線可以看出，沒(méi)有出現(xiàn)應(yīng)力先增長(zhǎng)后下降的“卸載”現(xiàn)象。說(shuō)明整個(gè)隧道結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)下沉的情況，沒(méi)有出現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力調(diào)整再分配情況。

(5)由各測(cè)設(shè)斷面的壓力時(shí)間曲線可以看出，變化趨勢(shì)基本都是“快速增長(zhǎng)—緩慢增長(zhǎng)—基本穩(wěn)定”，表明兩水隧道雙層初期支護(hù)和單層二次襯砌的支護(hù)方式選擇是合理的，該支護(hù)方式在軟巖隧道中具有較大的應(yīng)用空間。