緩傾砂巖夾泥巖隧道巖爆段初期支護(hù)變形特征及控制技術(shù)研究
——以蒙華鐵路段家坪隧道為例

張帥軍， 李治國(guó)， 呂瑞虎,*， 王 華， 楊世武， 申志軍

(1. 中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 廣東 廣州 511455; 2. 蒙西華中鐵路股份有限公司， 北京 100073)

0 引言

黃土高原殘塬區(qū)，面窄、短，較為平整，殘塬周邊向塬侵蝕強(qiáng)烈，沖溝發(fā)育。地貌特點(diǎn)為“石山戴土帽”，溝壁基巖裸露；表覆第四系全新統(tǒng)沖積砂質(zhì)新黃土、砂層及碎石類土，上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)新黃土、沖洪積砂質(zhì)老黃土、黏質(zhì)老黃土以及砂類土和碎石類土；下伏三疊系砂巖、泥巖等。三疊系砂泥巖多為緩傾近水平巖層，發(fā)育2～3組節(jié)理。

近年來(lái)在上述地質(zhì)條件下修建了諸多鐵路、公路隧道，但其修建過(guò)程中出現(xiàn)的變形破壞現(xiàn)象卻未被徹底認(rèn)知。特定的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和地層巖性、巖體結(jié)構(gòu)造就了洞周圍巖獨(dú)特的變形、破壞機(jī)制，進(jìn)而造成蒙華鐵路段家坪800余m隧道(DK454+230～DK453+400)拱部及仰拱初期支護(hù)破壞嚴(yán)重，環(huán)向初期支護(hù)承載力明顯削弱，雖累計(jì)變形量較小，但已嚴(yán)重影響施工質(zhì)量和進(jìn)度，極大地威脅了施工及后期運(yùn)營(yíng)安全。文獻(xiàn)[1-2]闡述了高地應(yīng)力條件下軟弱圍巖隧道初期支護(hù)的受力特性與可讓性支護(hù)原理，未討論初期支護(hù)破壞問(wèn)題；文獻(xiàn)[3-6]論述了水平砂巖地質(zhì)條件下圍巖變形機(jī)制與穩(wěn)定性，分析了支護(hù)體系力學(xué)特性及變形破壞的原因，但未具體歸納和總結(jié)結(jié)構(gòu)的變形特點(diǎn)，也未提出針對(duì)性的變形控制措施，鑒于實(shí)際圍巖巖性、巖體結(jié)構(gòu)、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造等邊界條件的多樣性，其結(jié)論具有一定的局限性；文獻(xiàn)[7-8]主要討論與高地應(yīng)力有關(guān)的地質(zhì)問(wèn)題及巖爆的判據(jù)、準(zhǔn)則等，未涉及巖爆條件下初期支護(hù)變形破壞特征及其控制技術(shù)方面的內(nèi)容。關(guān)于近水平硬質(zhì)砂巖偶夾軟質(zhì)泥巖、豎向節(jié)理發(fā)育的地質(zhì)條件下巖爆的發(fā)生機(jī)制，初期支護(hù)變形特征及相應(yīng)控制技術(shù)方面的研究亦鮮見(jiàn)諸其他文獻(xiàn)。

段家坪隧道圍巖為緩傾砂巖，垂直洞軸線方向的最大初始應(yīng)力為12.69～14.46 MPa、巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度為57.7～87.6 MPa，強(qiáng)度應(yīng)力比為4～7，處于高初始地應(yīng)力狀態(tài)且豎向節(jié)理發(fā)育，具備巖爆發(fā)生的必要條件，現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)多以弱巖爆為主。針對(duì)上述特定地質(zhì)條件下隧道初期支護(hù)變形破壞特征及成因，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、地應(yīng)力測(cè)試等方法進(jìn)行系統(tǒng)研究，提出針對(duì)性的變形控制技術(shù)方案，并對(duì)其實(shí)施效果進(jìn)行驗(yàn)證、評(píng)價(jià)，研究成果可為類似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

段家坪隧道位于陜西省宜川縣境內(nèi)，全長(zhǎng)10 722.98 m(進(jìn)口里程DK446+664.2，出口里程DK457+387)，施工平面布置如圖1所示。隧道最大埋深約450 m(DK452+980)，走向?yàn)?21°27′12″。段家坪隧道2#斜井長(zhǎng)1 228 m，埋深約200 m；與線路平面(大里程)57°角交于DK454+200(變更調(diào)整后交點(diǎn)里程為DK454+230)，內(nèi)輪廓斷面尺寸為6.5 m×6.8 m。2#斜井承擔(dān)正洞任務(wù)： 小里程方向承擔(dān)正洞長(zhǎng)度為1 578 m，大里程方向承擔(dān)正洞長(zhǎng)度為892 m。

圖1 段家坪隧道施工平面布置Fig. 1 Construction plan of Duanjiaping Tunnel

段家坪隧道洞身圍巖以三疊系上統(tǒng)厚層砂巖、粉砂巖夾薄層泥巖為主，巖層產(chǎn)狀272°∠2°，砂巖、粉砂巖節(jié)理裂隙較發(fā)育—很發(fā)育。優(yōu)勢(shì)節(jié)理裂隙主要有2組，產(chǎn)狀分別為190°∠90°和78°∠89°，經(jīng)地表調(diào)查測(cè)量，節(jié)理間距為25～50 cm，一般為密閉節(jié)理，地表局部地段節(jié)理呈張開(kāi)狀，巖體較破碎，泥巖為軟弱夾層，呈薄層狀，豎向節(jié)理裂隙很發(fā)育。砂巖、粉砂巖呈灰白色，弱風(fēng)化，中厚層—厚層層狀構(gòu)造，層厚10～100 cm，節(jié)理裂隙較發(fā)育—發(fā)育，巖體較完整，呈大塊狀結(jié)構(gòu)。泥巖呈灰黑色，弱風(fēng)化，薄層狀構(gòu)造，層厚小于10 cm，巖體破碎，呈碎石狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，在拱部、邊墻局部及底板底部偶夾少量薄層泥巖。隧道典型斷面地質(zhì)素描見(jiàn)圖2。

綜合鉆孔水位測(cè)量及物探測(cè)井結(jié)果，地下水位埋深為9.6～153.6 m，主要接受大氣降水的補(bǔ)給，水量受降雨和構(gòu)造密集程度影響。巖爆段地下水主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水，水量較少，開(kāi)挖揭露主要為點(diǎn)狀水滴出，未成線。

圖2 隧道典型斷面地質(zhì)素描圖Fig. 2 Geology sketch of typical tunnel cross-section

2 隧道附近高地應(yīng)力分析

2.1 高地應(yīng)力來(lái)源分析

段家坪隧道隧址區(qū)由北向南區(qū)域構(gòu)造依次為如意背斜、吉縣斷裂、銅川—韓城隆起、韓城斷裂帶、汾渭地塹，見(jiàn)圖3。經(jīng)調(diào)查和隧道開(kāi)挖分析，隧址區(qū)位于如意背斜北翼。段家坪隧道高地應(yīng)力初期支護(hù)破壞段落可能位于與隧道小角度相交的某小型向斜影響范圍內(nèi)，見(jiàn)圖4和圖5，據(jù)此推斷受韓城活動(dòng)斷裂擠壓及壓扭性力作用產(chǎn)生的水平構(gòu)造應(yīng)力是該隧道高地應(yīng)力的主要來(lái)源[9]。

(a) 平面圖

(b) 縱斷面圖

圖4小型向斜構(gòu)造與斜井及正洞平面方位關(guān)系

Fig. 4 Plane relationship among small synclinal structure, inclined shaft and main tunnel

圖5 斜井掌子面圍巖小型向斜構(gòu)造

Fig. 5 Small synclinal structure of surrounding rock on face of inclined shaft

2.2 地應(yīng)力測(cè)試

段家坪隧道水平構(gòu)造應(yīng)力導(dǎo)致初期支護(hù)變形破壞段落里程為DK454+230～DK453+400，長(zhǎng)830 m，埋深為150～350 m。為探究構(gòu)造地應(yīng)力大小與初期支護(hù)變形破壞特征之間的深層關(guān)系，為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分別在段家坪隧道2#斜井小里程方向DK453+830、2#斜井大里程方向DK454+330、1#斜井大里程方向DK452+650處各施作1個(gè)豎向地應(yīng)力測(cè)試鉆孔，共計(jì)3個(gè)測(cè)孔，采用水壓致裂法進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量。DK453+830處地應(yīng)力測(cè)試揭露的巖芯見(jiàn)圖6。通過(guò)計(jì)算得到每個(gè)測(cè)孔在鉆孔深度范圍內(nèi)的5段地應(yīng)力測(cè)值及2段地應(yīng)力方向[10]，3個(gè)測(cè)孔的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。其中，垂直洞軸線方向的最大初始應(yīng)力為12.69～14.46 MPa，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度為57.7～87.6 MPa；受韓城活動(dòng)斷裂擠壓及壓扭性力作用產(chǎn)生的小型向斜是最大水平主應(yīng)力明顯大于垂直主應(yīng)力的主因。

圖6 DK453+830處地應(yīng)力測(cè)試巖芯照片F(xiàn)ig. 6 Test core samples at DK453+830

2.3 隧址區(qū)初始地應(yīng)力狀態(tài)判定

洞周圍巖屬于堅(jiān)硬巖—較硬巖，根據(jù)表1數(shù)據(jù)計(jì)算的強(qiáng)度應(yīng)力比均在4～7；另外，地應(yīng)力測(cè)試鉆孔揭露巖芯時(shí)有餅化現(xiàn)象，根據(jù)GB/T 50218—2014《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[11]判斷段家坪隧道鉆孔附近洞周圍巖處于高初始地應(yīng)力狀態(tài)。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量隧道走向約為121°，地應(yīng)力測(cè)量得到最大水平主應(yīng)力SH方向約為N79°E，最大水平主應(yīng)力方向與隧道軸線夾角約為42°，夾角較大，易發(fā)生巖爆[7]。段家坪隧道與區(qū)域構(gòu)造平面位置關(guān)系見(jiàn)圖7。

表1 段家坪隧道工程巖體強(qiáng)度應(yīng)力比評(píng)估表

注：SH為最大水平主應(yīng)力；Sh為最小水平主應(yīng)力；SV為垂直主應(yīng)力；σmax為垂直洞軸線方向的最大初始應(yīng)力[8]；Rc為巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度，由室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試得出。

圖7 段家坪隧道與區(qū)域構(gòu)造平面位置關(guān)系示意圖

Fig. 7 Sketch of relationship between Duanjiaping Tunnel and regional structures

3 初期支護(hù)變形破壞特征及成因分析

3.1 初期支護(hù)變形特征

初期支護(hù)變形以拱部及仰拱豎向位移為主，凈空收斂變形較小。

3.1.1 拱頂下沉

1)初期支護(hù)距掌子面10～20 m時(shí)，拱頂下沉日變形量相比日常較大，為1～2 cm。2)同一測(cè)點(diǎn)突變持續(xù)時(shí)間較短，一般僅1 d。突變后沉降速率一般不大于5 mm/d，之后逐漸趨穩(wěn)直至穩(wěn)定。3)拱頂下沉突變與初期支護(hù)封閉成環(huán)不存在必然聯(lián)系。4)初期支護(hù)開(kāi)裂段拱頂下沉最大累計(jì)值受工法影響較大。二臺(tái)階法最大累計(jì)值基本在5 cm以內(nèi)，三臺(tái)階法最大累計(jì)值約為7 cm，全斷面法最大累計(jì)值為8～9 cm。5)支護(hù)參數(shù)調(diào)整段拱頂下沉最大累計(jì)值未超過(guò)10 cm，其他試驗(yàn)段拱頂下沉累計(jì)值均未超過(guò)6 cm。具體見(jiàn)圖8。

3.1.2 凈空變化

凈空變化無(wú)突變發(fā)生，日變形量均在5 mm以內(nèi)。最大累計(jì)值未超過(guò)35 mm，據(jù)此推斷邊墻穩(wěn)定，未對(duì)初期支護(hù)整體穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。

圖8 高地應(yīng)力段落隧道掘進(jìn)方向拱頂下沉累計(jì)值空間分布Fig. 8 Spatial distribution of accumulative values of crown subsidence along tunneling direction at high geostress section

3.2 初期支護(hù)變形破壞形態(tài)及成因分析

初期支護(hù)變形破壞主要發(fā)生在拱部、仰拱部位，邊墻凈空收斂變化較小，個(gè)別地段邊墻時(shí)有環(huán)向未貫通裂縫出現(xiàn)，且面朝掌子面右側(cè)的邊墻裂縫數(shù)量及寬度明顯多于左側(cè)邊墻。

3.2.1 拱部及仰拱初期支護(hù)混凝土脫殼、開(kāi)裂成因

在最大水平構(gòu)造應(yīng)力垂直于隧道洞軸分量的作用下，拱部及仰拱水平砂巖層間發(fā)生剝離，巖層內(nèi)產(chǎn)生裂紋，緊貼初期支護(hù)的巖層會(huì)最先折斷，同時(shí)豎向節(jié)理面張開(kāi)并縱向錯(cuò)動(dòng)，水平構(gòu)造應(yīng)力釋放的能量隨即作用在處于剪壓受力狀態(tài)的初期支護(hù)混凝土上，加速了混凝土的破壞；拱部及仰拱初期支護(hù)混凝土同時(shí)承受最大水平構(gòu)造應(yīng)力平行于隧道洞軸的分量和垂直于隧道洞軸的分量，易發(fā)生沿張開(kāi)的豎向節(jié)理走向的剪壓破壞，破壞部位主要位于隧道中線附近1.5 m范圍內(nèi)，見(jiàn)圖9和圖10；拱部及仰拱初期支護(hù)混凝土破壞后，初期支護(hù)承載力嚴(yán)重削弱，將進(jìn)一步加速圍巖的破壞。因此，拱部及仰拱初期支護(hù)混凝土的脫殼、開(kāi)裂與初期支護(hù)背后圍巖的層間剝離、斷裂，節(jié)理面張開(kāi)及縱向錯(cuò)動(dòng)緊密相關(guān)，周邊圍巖在初期支護(hù)破壞前已開(kāi)始初步碎裂，當(dāng)初期支護(hù)受力后，兩者的破壞將互為不利條件致使對(duì)方破壞加劇，并最終在構(gòu)造應(yīng)力基本釋放完成后趨于穩(wěn)定。

(a) 掌子面豎向節(jié)理分布示意圖

(b) 拱部混凝土開(kāi)裂掉塊縱向形態(tài)

(a) 拱部混凝土開(kāi)裂掉塊環(huán)向形態(tài)

(b) 仰拱初期支護(hù)混凝土破壞形態(tài)

另外，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)仰拱初期支護(hù)的變形與破壞一般比對(duì)應(yīng)的拱部初期支護(hù)破壞嚴(yán)重，原因有2點(diǎn)： 1)仰拱初期支護(hù)背后的填充在重力作用下一般較拱部初期支護(hù)密實(shí)，地應(yīng)力直接作用于仰拱初期支護(hù)； 2)下臺(tái)階與仰拱一起開(kāi)挖施作，仰拱初期支護(hù)施作完成后隨即進(jìn)行虛碴回填，不易覺(jué)察仰拱初期支護(hù)破壞，現(xiàn)場(chǎng)也未采取任何處理措施。

3.2.2 仰拱填充表面裂縫成因

仰拱填充后持續(xù)釋放的應(yīng)力在其表面沿大體平行于最大水平主應(yīng)力方向形成剪切裂縫[12]，見(jiàn)圖11。

3.2.3 拱部及仰拱初期支護(hù)格柵鋼架主筋失穩(wěn)機(jī)制

拱部及仰拱初期支護(hù)格柵鋼架主筋失穩(wěn)表現(xiàn)為朝向洞內(nèi)臨空面突起，并側(cè)向扭曲，見(jiàn)圖12和圖13。究其原因： 1)初期支護(hù)混凝土脫殼、開(kāi)裂后嚴(yán)重削弱對(duì)格柵鋼架主筋的裹握力，使其在環(huán)向受壓和縱向拉動(dòng)共同作用下發(fā)生偏心受壓屈曲； 2)洞周豎向節(jié)理發(fā)育，在最大水平構(gòu)造應(yīng)力平行于隧道洞軸分量作用下節(jié)理面持續(xù)擴(kuò)展延伸并錯(cuò)動(dòng)，格柵鋼架主筋受剪切作用發(fā)生側(cè)移破壞。

3.2.4 邊墻凈空收斂變化較小，初期支護(hù)混凝土環(huán)向裂縫成因

如前所述，最大水平構(gòu)造應(yīng)力平行于隧道洞軸分量和垂直于隧道洞軸分量共同引起拱部及仰拱初期支護(hù)的變形破壞，其中最大水平構(gòu)造應(yīng)力垂直于隧道洞軸的分量也是凈空收斂變化的主因，由于作用在兩側(cè)邊墻的垂直于隧道洞軸的分量基本相當(dāng)，因此，左右邊墻絕對(duì)位移相差不大，凈空收斂變化較小。

圖11高地應(yīng)力段仰拱填充表面典型裂縫平面圖

Fig. 11 Typical fracture plan of filling surface of inverted arch in high geostress section

圖12 仰拱初期支護(hù)環(huán)向格柵鋼架主筋側(cè)向扭曲

Fig. 12 Lateral deformation of main reinforcement of grid steel frame of inverted arch primary support

右邊墻初期支護(hù)混凝土裂縫相對(duì)于左側(cè)較多，且較寬，成因如下： 在區(qū)域水平構(gòu)造應(yīng)力作用下[13]，左邊墻裂縫主要由左邊墻附近松動(dòng)圈內(nèi)圍巖豎向節(jié)理面閉合及微錯(cuò)動(dòng)雙重趨勢(shì)引起，右邊墻裂縫主要由右邊墻附近松動(dòng)圈內(nèi)圍巖豎向節(jié)理面張開(kāi)及錯(cuò)動(dòng)雙重趨勢(shì)引起，見(jiàn)圖13。

4 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形破壞控制技術(shù)

段家坪隧道高地應(yīng)力段(DK454+230～+160)原設(shè)計(jì)施工參數(shù)見(jiàn)表2，從應(yīng)用效果來(lái)看，初期支護(hù)開(kāi)裂掉塊的現(xiàn)象較嚴(yán)重。

(a) 斷面圖

(b) 平視圖

格柵鋼架范圍格柵型號(hào)格柵間距/m噴混凝土厚度/cm徑向錨桿(管)部位間距(環(huán)×縱)/(m×m)型號(hào)長(zhǎng)度/m襯砌厚度/cm拱墻仰拱配筋超前小導(dǎo)管備注全環(huán)H1301.220(全環(huán))拱部180°1.0×1.2?22螺紋鋼54045有有超前小導(dǎo)管4榀/環(huán)

隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形破壞控制技術(shù)方案主要有2種[14]： 1)主動(dòng)增強(qiáng)支護(hù)技術(shù)方案，主要采取增強(qiáng)支護(hù)參數(shù)，提高初期支護(hù)的強(qiáng)度和剛度，調(diào)整開(kāi)挖工法等措施； 2)被動(dòng)適度應(yīng)力釋放技術(shù)方案，主要包括初期支護(hù)背后增設(shè)緩沖層和初期支護(hù)加裝阻尼器，即允許圍巖適量變形，釋放地應(yīng)力，減小支護(hù)抗力，同時(shí)又能約束圍巖松弛和過(guò)度變形，控制初期支護(hù)變形，保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

上述2種支護(hù)方案均在本工程中得以應(yīng)用，初期支護(hù)監(jiān)測(cè)斷面內(nèi)測(cè)點(diǎn)布設(shè)見(jiàn)圖14，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

4.1 支護(hù)參數(shù)調(diào)整

DK454+160～DK453+605段支護(hù)參數(shù)根據(jù)地質(zhì)情況及圍巖量測(cè)結(jié)果進(jìn)行多次調(diào)整(見(jiàn)表4)后，大部分情況為短期穩(wěn)定，之后支護(hù)結(jié)構(gòu)距離掌子面10～20 m時(shí)即出現(xiàn)開(kāi)裂，與原設(shè)計(jì)段落相比該段變形大，開(kāi)裂嚴(yán)重，開(kāi)裂部位距掌子面距離相同(見(jiàn)表3)，未能有效控制初期支護(hù)開(kāi)裂，說(shuō)明不宜單純采用調(diào)整支護(hù)參數(shù)措施來(lái)控制以水平構(gòu)造應(yīng)力為主因的初期支護(hù)變形破壞。

圖14 緩沖層試驗(yàn)段測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖

Fig. 14 Sketch of monitoring points layout in buffer layer test section

表3 初期支護(hù)變形、開(kāi)裂情況統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of deformation and cracking of primary support

注： 1)表中變形與應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均為各支護(hù)措施段的最大值，其他數(shù)據(jù)為大概率事件數(shù)據(jù)。2)拱頂僅在緩沖層段出現(xiàn)上升，應(yīng)與以水平應(yīng)力為主的高初始地應(yīng)力作用下初期支護(hù)的整體抬升有關(guān)。

表4 段家坪隧道支護(hù)參數(shù)調(diào)整Table 4 Supporting parameter adjustment of Duanjiaping Tunnel

4.2 初期支護(hù)背后增設(shè)緩沖層

DK453+595～+560段初期支護(hù)背后拱墻增設(shè)緩沖層，見(jiàn)圖15和圖16。

圖15 拱部初期支護(hù)背后緩沖層敷設(shè)效果Fig. 15 Effect of buffer layer laying behind primary support of arch

圖16 邊墻初期支護(hù)背后緩沖層敷設(shè)效果

Fig. 16 Effect of buffer layer laying behind primary support of sidewall

本段采用臺(tái)階法施工，其中上臺(tái)階長(zhǎng)度為8 m，高度為6.5 m；下臺(tái)階與仰拱同時(shí)開(kāi)挖，同時(shí)施作初期支護(hù)，施工參數(shù)如下。

1)支護(hù)參數(shù)。拱墻采用H180格柵鋼架，間距0.75 m/榀，噴射C25混凝土，厚度為25 cm；仰拱采用H230格柵鋼架，間距0.75 m/榀，噴射C25混凝土，厚度為30 cm； 拱部120°增設(shè)φ42超前小導(dǎo)管，壁厚3.5 mm，長(zhǎng)4 m，環(huán)向間距40 cm，按3榀/環(huán)打設(shè)；全環(huán)采用φ6×φ8(縱×環(huán))雙層鋼筋網(wǎng)片，間距25 cm×25 cm。

2)緩沖層采用土工布+高密度海綿，厚度為5～10 cm。緩沖層段在水平構(gòu)造地應(yīng)力作用下，為圍巖變形破壞提供了空間，為初期支護(hù)混凝土強(qiáng)度提高爭(zhēng)取了時(shí)間，初期支護(hù)承受經(jīng)前期釋放后剩余的高地應(yīng)力時(shí)強(qiáng)度、剛度較大，因此其鋼筋應(yīng)力及混凝土應(yīng)力明顯大于其他試驗(yàn)段(見(jiàn)表3)，但都在設(shè)計(jì)值30%以內(nèi)，初期支護(hù)未開(kāi)裂。建議： 若圍巖屬于硬巖、極硬巖，且具備巖爆發(fā)生條件，現(xiàn)場(chǎng)宜采用緩沖層來(lái)保護(hù)初期支護(hù)免遭破壞。

4.3 采用錨桿+加筋底板

DK453+524～+452段采用錨桿+加筋底板施工[15-16]，見(jiàn)圖17。

本段采用臺(tái)階法施工，其中上臺(tái)階長(zhǎng)度為8 m，高度為6.5 m；下臺(tái)階與仰拱同時(shí)開(kāi)挖，同時(shí)施作初期支護(hù)，施工參數(shù)如下。

(a) 錨桿施作現(xiàn)場(chǎng)

(b) 錨桿施作完成

1)拱墻采用H180格柵鋼架(DK453+524～+488段)和H230格柵鋼架(DK453+488～+452段)，間距0.75 m/榀，噴射混凝土厚度為25 cm；仰拱采用H230格柵鋼架，間距0.75 m/榀，噴射混凝土厚度為30 cm；全環(huán)采用φ6×φ8(縱×環(huán))雙層鋼筋網(wǎng)片，間距25 cm×25 cm；在隧道底部設(shè)置C25噴射混凝土加筋底板，厚度為100 cm。

2)加筋底板配筋。主筋φ25@250，分布筋φ16@250，箍筋φ8@250×250；在拱部120°范圍及仰拱加筋底板部位打設(shè)φ25漲殼式中空錨桿，長(zhǎng)6 m，間距0.8 m×0.8 m(環(huán)×縱)；拱腳以上2.5 m范圍打設(shè)中空錨桿3根，長(zhǎng)3 m，間距1.0 m×1.0 m(環(huán)×縱)。

錨桿+加筋底板組合支護(hù)型式使水平構(gòu)造應(yīng)力作用對(duì)象由單一的初期支護(hù)擴(kuò)展為錨桿、加筋底板、格柵鋼架和圍巖等組成的組合結(jié)構(gòu)，圍巖壓力及初期支護(hù)內(nèi)力實(shí)際已成為組合結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，其數(shù)值介于緩沖層與阻尼器試驗(yàn)段之間(見(jiàn)表3)，初期支護(hù)得到一定的保護(hù)。錨桿+加筋底板組合支護(hù)能充分發(fā)揮圍巖的自承能力與加筋底板的反壓效應(yīng)，能在較短的時(shí)間內(nèi)使水平構(gòu)造應(yīng)力調(diào)整到位；但也存在不足，即受機(jī)械設(shè)備和施工場(chǎng)地所限，錨桿只能在立拱噴漿完成后施作，耗時(shí)較長(zhǎng)，且間距較密時(shí)會(huì)對(duì)圍巖造成擾動(dòng)破壞，在錨桿發(fā)揮作用前圍巖壓力主要由強(qiáng)度不高的混凝土承擔(dān)。因此，錨桿+加筋底板段也是在拱部發(fā)生普遍開(kāi)裂，該支護(hù)型式受外界因素影響較大，可在條件具備的情況下采用。

4.4 初期支護(hù)加裝阻尼器

DK453+560～+524段與DK453+452～+385段采用加裝阻尼器施工技術(shù)[17]。其中，DK453+560～+524段采用鋼筋型阻尼器，見(jiàn)圖18(a)；DK453+452～+385段采用鋼板型阻尼器，見(jiàn)圖18(b)。

(a)鋼筋型阻尼器

(b)鋼板型阻尼器

本段采用臺(tái)階法施工，其中上臺(tái)階長(zhǎng)度為8 m，高度為6.5 m；下臺(tái)階與仰拱同時(shí)開(kāi)挖，同時(shí)施作初期支護(hù)，施工參數(shù)如下。

1)拱墻采用H180格柵鋼架，間距0.75 m/榀，噴射混凝土厚度為25 cm；仰拱采用H230格柵鋼架，間距0.75 m/榀，噴射混凝土厚度為30 cm；全環(huán)采用φ6×φ8(縱×環(huán))雙層鋼筋網(wǎng)片，間距25 cm×25 cm；隧道拱頂和仰拱初期支護(hù)鋼架中心設(shè)置縱向阻尼器。

鋼板型阻尼器選取參數(shù)為： 豎板厚度為8 mm，高度為30 cm，間距為10～15 cm，可提供8.0～12.0 MPa限阻峰值、1.0～1.5 MPa恒阻值和20 cm恒阻變形量。

鋼筋型阻尼器采用主筋和輔助筋焊接成鋼筋網(wǎng)片，代替鋼板型阻尼器中的豎向限阻鋼板，主筋采用φ22 mm的 HRB400螺紋鋼筋，主筋輔助筋采用φ10 mm的 HPB235光圓鋼筋，高度為25 cm，間距為10～15 cm，可提供8.0～12.0 MPa限阻峰值。鋼筋型阻尼器其他構(gòu)造同鋼板型阻尼器。

2)拱墻襯砌厚度為45 cm，仰拱襯砌厚度為50 cm，矢跨比調(diào)整為1∶6，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析確定襯砌配筋參數(shù)。

阻尼器試驗(yàn)段的開(kāi)裂部位均位于拱部，主要集中于阻尼器附近，阻尼器內(nèi)的鋼板扭曲嚴(yán)重，見(jiàn)圖19。實(shí)踐證明，鋼板型阻尼器控制變形效果優(yōu)于鋼筋型阻尼器。阻尼器使環(huán)向初期支護(hù)未完全封閉，在拱頂形成塑性鉸，水平構(gòu)造應(yīng)力在拱頂塑性鉸部位沿環(huán)向與縱向集中釋放，有效保護(hù)除拱頂塑性鉸外的其余初期支護(hù)，因此，初期支護(hù)變形較大，僅次于調(diào)整支護(hù)參數(shù)段；此外，內(nèi)力較大，僅次于緩沖層(見(jiàn)表3)，但開(kāi)裂控制效果較好，在本工程高地應(yīng)力段應(yīng)用效果較好。

(a)鋼筋型阻尼器

(b)鋼板型阻尼器

綜上所述，各試驗(yàn)段的累計(jì)變形值都在變形允許值以內(nèi)；各試驗(yàn)段拱架鋼筋應(yīng)力都在設(shè)計(jì)值30%以內(nèi)，初期支護(hù)混凝土則出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，個(gè)別部位混凝土應(yīng)力超過(guò)了設(shè)計(jì)值和極限值，混凝土局部破壞，綜合判斷結(jié)構(gòu)整體基本安全。豎向節(jié)理發(fā)育的水平砂巖夾泥巖地層的構(gòu)造應(yīng)力空間影響范圍基本相同，調(diào)整支護(hù)參數(shù)、增設(shè)緩沖層、采用錨桿+加筋底板和加裝阻尼器試驗(yàn)段均在距離掌子面100 m左右趨于穩(wěn)定，基于不同支護(hù)型式的作用機(jī)制不同，水平構(gòu)造應(yīng)力釋放的劇烈程度有所差異。

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

1)段家坪隧道處于高初始地應(yīng)力狀態(tài)，最大水平主應(yīng)力與隧道軸線夾角偏大，且大于垂直主應(yīng)力。

2)拱部及仰拱初期支護(hù)混凝土發(fā)生剪壓破壞；拱部及仰拱格柵鋼架主筋在環(huán)向受壓和縱向拉動(dòng)共同作用下發(fā)生偏心受壓屈曲。

3)在水平構(gòu)造應(yīng)力作用下，左邊墻裂縫由左邊墻附近松動(dòng)圈內(nèi)圍巖豎向節(jié)理面擠壓與微錯(cuò)動(dòng)雙重趨勢(shì)引起；右邊墻裂縫由右邊墻附近松動(dòng)圈內(nèi)圍巖豎向節(jié)理面張開(kāi)與錯(cuò)動(dòng)雙重趨勢(shì)引起。

4)對(duì)于以水平構(gòu)造應(yīng)力為主的豎向節(jié)理發(fā)育的硬質(zhì)圍巖隧道，二臺(tái)階法對(duì)圍巖擾動(dòng)適度，使構(gòu)造應(yīng)力釋放相對(duì)柔緩，宜優(yōu)先選用。

5.2 討論

1)若圍巖屬于硬巖、極硬巖，現(xiàn)場(chǎng)宜采用緩沖層作為地應(yīng)力釋放空間，可明顯減少對(duì)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞，但應(yīng)預(yù)留注漿孔，在變形穩(wěn)定后及時(shí)注漿填充。

2)錨桿+加筋底板的組合支護(hù)型式，減小了圍巖壓力及初期支護(hù)內(nèi)力，但工序復(fù)雜，耗時(shí)長(zhǎng)，也會(huì)對(duì)圍巖造成擾動(dòng)破壞，在錨桿發(fā)揮作用前圍巖壓力仍由未達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的混凝土承擔(dān)。

3)阻尼器可有效控制初期支護(hù)開(kāi)裂。鋼板型阻尼器控制變形效果優(yōu)于鋼筋型阻尼器。深入開(kāi)展阻尼器在初始高地應(yīng)力下較硬、較軟巖隧道中的應(yīng)用研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。