面向軟弱圍巖大斷面隧道開(kāi)挖的超前支護(hù)技術(shù)研究

李曉軍

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，隧道工程的數(shù)量的不斷增加。支護(hù)技術(shù)是提升隧道施工安全性的主要手段之一。本文對(duì)軟弱圍巖大斷面隧道開(kāi)挖的超前支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了分析，從而保障工程能夠安全、順利的完成，提升工程的施工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：軟弱圍巖;隧道工程;超前支護(hù)技術(shù);分析;研究

軟弱圍巖大斷面隧道工程的開(kāi)展，會(huì)受到多方面因素的影響，其中施工環(huán)境與施工技術(shù)的影響較大，可能會(huì)導(dǎo)致隧道穩(wěn)定性不足、形狀出現(xiàn)差異等狀況。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，要對(duì)工程實(shí)施超前支護(hù)加固措施，從而使隧道的穩(wěn)定性能夠有所上升。目前國(guó)內(nèi)普遍使用全斷面開(kāi)挖、超前支護(hù)封閉的方法，控制軟弱圍巖的大斷面對(duì)到的變形狀況;主要使用管棚支護(hù)、注漿等技術(shù)對(duì)隧道圍巖進(jìn)行加固，提升隧道的安全性。下文在對(duì)相關(guān)資料文獻(xiàn)進(jìn)行研究之后，又以國(guó)內(nèi)某處實(shí)際隧道工程作為研究對(duì)象，對(duì)使用超前支護(hù)技術(shù)的使用對(duì)隧道的實(shí)際影響進(jìn)行了研究。

1工程概況

該隧道的施工里程為K1+780-K2+290，其中經(jīng)過(guò)了溶蝕峰叢地貌。西方地勢(shì)較高，東方地勢(shì)較低。地面標(biāo)高為高173.02-1258.35米，最高點(diǎn)與地面的高度差為85.24米，坡度范圍為21～75度。在進(jìn)行施工的過(guò)程當(dāng)中，限于施工地區(qū)的地質(zhì)條件，工程的施工難度較高，工程中的道K2+050-K2+290部分地質(zhì)有泥灰?guī)r軟弱層，這類(lèi)物質(zhì)如果長(zhǎng)期暴露在外部，會(huì)導(dǎo)致泥灰?guī)r的力學(xué)性能大幅降低，會(huì)損害到隧道的穩(wěn)定性;整個(gè)隧道經(jīng)過(guò)了一處巖層傾角是42度的區(qū)域，隧道出口區(qū)域的巖層為順向結(jié)構(gòu)，并且，整個(gè)施工區(qū)域的巖溶度較高，附近的溶洞都為全填充或者半填充的形式，如果工程的施工區(qū)域離的過(guò)進(jìn)，非?？赡軐?dǎo)致出現(xiàn)裂縫，造成安全隱患。

根據(jù)上述內(nèi)容的相關(guān)數(shù)據(jù)與地質(zhì)特征，再以軟弱破碎圍巖大斷面隧道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為輔助，對(duì)超前支護(hù)技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行了分析。

2具體研究

2.1模型的建立

在ANSYS軟件中將整個(gè)研究工程的模型建立出來(lái)，使用三娃誒嵌入式桁架對(duì)隧道的錨桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行虛擬構(gòu)建，與此同時(shí)對(duì)工程的超前支護(hù)技術(shù)應(yīng)用狀況進(jìn)行模擬，具體狀況如圖1所示。

2.2計(jì)算參數(shù)

該路段的最差圍巖等級(jí)為V級(jí)，根據(jù)隧道建設(shè)相關(guān)法律法規(guī)，計(jì)算模擬參數(shù)。

2.3模擬工程概況

對(duì)使用超前支護(hù)工藝的工程的穩(wěn)定性與沒(méi)有使用支護(hù)工藝的穩(wěn)定性相互比較。二者的施工步驟沒(méi)有達(dá)到的區(qū)別，使用超前支護(hù)技術(shù)的區(qū)域在砂漿與管棚的作用之下，周?chē)鷩鷰r的力學(xué)性能有顯著的提升。

3模擬結(jié)果

3.1圍巖的自重作用

圍巖自重在Z軸上發(fā)生的初始位移的最大值為-26.58mm，在X軸與Y軸產(chǎn)生的初始位移值較小，X軸為-14.75mm，Y軸為-8.76mm。

3.2初步開(kāi)挖工況

在進(jìn)行隧道上半斷面的開(kāi)挖工作時(shí)，隧道拱頂?shù)奈恢冒l(fā)生的豎向位移最大值為-2.193毫米;左拱肩位置的水平位移最大值為0.335毫米，右拱肩水井位移最大值是0.296毫米，掌子面位置產(chǎn)生的縱向最大位移值為-0.857毫米。之所以會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象，因?yàn)樵陂_(kāi)挖之后，掌子面會(huì)受到核心土層的擠壓。所以，要對(duì)軟弱圍巖對(duì)到洞口施工時(shí)隧道不同方向位移值的變化，要找到有效的解決辦法進(jìn)行控制，保證隧道建設(shè)的質(zhì)量。

在進(jìn)行隧道上半斷面的開(kāi)挖工作時(shí)，隧道拱頂區(qū)域發(fā)生的縱向最大位移值為-1.333毫米，上臺(tái)階左拱肩區(qū)域產(chǎn)生的最大水平位移值是0.269毫米，右拱肩位置的最大水平位移值是0.202毫米，上臺(tái)階掌子面位置的縱向位移的最高值為-0.797毫米，產(chǎn)生原因同上。

經(jīng)過(guò)對(duì)兩次工程狀況的進(jìn)行比較之后我們可以發(fā)現(xiàn)。使用了超前支護(hù)技術(shù)的工程，其隧道圍巖的擾動(dòng)作用降低了很多。并且隧道胃炎的水平、豎直、縱向位移的數(shù)值都有非常顯著的下降。因此可以說(shuō)，超前支護(hù)施工技術(shù)可以對(duì)隧道工程的圍巖唯一進(jìn)行有效的控制，但是掌子面受到的擠壓狀況沒(méi)有得到解決。

3.3錨桿內(nèi)力具體分析

每個(gè)施工階段，錨桿承受的應(yīng)力的最值。錨桿應(yīng)力的最值出現(xiàn)在11施工步驟，見(jiàn)圖2。當(dāng)工程處于CS2-CS8階段時(shí)，錨桿的拉應(yīng)力與壓應(yīng)力的數(shù)值都會(huì)明顯上升，在CS8-CS9段的時(shí)候最大拉應(yīng)力會(huì)保證，會(huì)在第二個(gè)上臺(tái)階拱腰的位置出現(xiàn)拉應(yīng)力的最大值。這是由于此時(shí)臺(tái)階剛剛植入錨桿，還沒(méi)有硬化，拱腳的位置一直是懸空的，并且下一個(gè)臺(tái)階還沒(méi)有進(jìn)行初期支護(hù)。需要特殊說(shuō)明的是，當(dāng)CS9段的錨桿的拉應(yīng)力與壓應(yīng)力處于平穩(wěn)狀態(tài)。

隧道拱背位置的錨桿受到的力使不均勻的，在掌子面方向的錨桿的拉應(yīng)力較大，最高值為89.3Pa，相反方向拉應(yīng)力小。

通過(guò)對(duì)不同工況比較可知，見(jiàn)圖3，使用超前支護(hù)可以提升錨桿受力的均勻性，使錨桿拉應(yīng)力的數(shù)值可以有效降低。在整個(gè)施工過(guò)程當(dāng)中，使用超前支護(hù)施工技術(shù)可以使錨桿的拉應(yīng)力逐漸的處于一個(gè)較為穩(wěn)定的狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的波動(dòng)。

3.4噴射混凝土層內(nèi)部受力分析

在使用超前支護(hù)施工技術(shù)式，CS8段拱頂處的主應(yīng)力最大可以達(dá)到1.74MPa，要遠(yuǎn)高于拱腳、拱腰出的主應(yīng)力值，并且，拱背位置的第一主力值也很大，分布也不是非常平整，受力不均勻。整個(gè)結(jié)構(gòu)中受力最均勻的部分為拱頂?shù)奈恢?，其次是拱腳出。隨著工程的不斷進(jìn)行，最大應(yīng)力會(huì)隨著掌子面的方向移動(dòng)。

沒(méi)有使用超前支護(hù)施工技術(shù)的工程中，CS9段洞口位置的拱腳處是整個(gè)結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力最小的位置，其數(shù)值為-5.21MPa。不同施工階段的最小主應(yīng)力值的而發(fā)生位置沒(méi)有變化，所以拱腳處會(huì)比較容易形成應(yīng)力集中，此處的應(yīng)力不能夠隨著掌子面擴(kuò)散。

經(jīng)過(guò)對(duì)兩種不同情況下的進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，工程在應(yīng)用超前支護(hù)施工技術(shù)的情況下，能夠?qū)⒌谝恢鲬?yīng)力的數(shù)值降幅至原來(lái)的60%左右，并且噴混層拱部的受力情況也非常均勻?？梢哉f(shuō)超前支護(hù)施工技術(shù)，可以改善工程共頂部的受力狀況，但是對(duì)于拱腳位置的改變作用不是非常明顯。

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述，我們可以得出以下結(jié)論：第一，隧道圍巖在自重作用下，發(fā)生的縱向位移初始值是最大的，水平方向與豎直方向的數(shù)值較小;第二，經(jīng)過(guò)超前支護(hù)施工技術(shù)的使用，可以使主應(yīng)力有所下降，但是對(duì)于掌子面形狀控制幾乎起不到任何效果。并且，此項(xiàng)施工技術(shù)的使用可以讓錨桿的受力均勻，使最拉應(yīng)值有所下降。并且，有很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，其處于長(zhǎng)期穩(wěn)定的狀態(tài);第三，這項(xiàng)施工技術(shù)可以很好地改善噴混層對(duì)拱腳應(yīng)力集中的影響，使拱頂位置的受力更加均勻。但是由于自重作用的影響，使拱腳區(qū)域的受力值有所上升，因此對(duì)此處的應(yīng)力控制效果不是非常理想。