高地應力水平巖層隧道綜合施工技術

陳浩

（中鐵隧道集團二處有限公司，河北三河065201）

1 引言

隨著我國鐵路事業(yè)的快速發(fā)展，長大隧道數(shù)量劇增，并且穿越地區(qū)常常地質復雜，其中，高地應力情況屢見不鮮。高地應力隧道施工時，常出現(xiàn)拱頂下沉與隧底隆起現(xiàn)象，處理難度大、進度慢，導致工期滯后、造價增加。目前，一些學者與專家對隧道高地應力進行了大量研究，在多座高地應力隧道施工中采取了不同技術手段研究解決各種問題，積累了大量的施工經(jīng)驗。本文針對蒙華鐵路段家坪隧道高地應力段落變形特征、處理過程、施工技術應用等進行總結和分析，旨在為在建渭武高速木寨嶺隧道和即將開工的川藏鐵路等類似工程提供參考和借鑒。

2 工程概述

段家坪隧道位于陜西省延安市宜川縣境內(nèi)，地處陜北黃土高原東南翼及黃龍山中低山區(qū)，起訖里程為：DK446+664.02～DK457+387，全長 10 722.98m，為雙線單洞隧道，隧道最大埋深約450m。

2.1 地形地貌

隧址山坡自然坡度為25°～30°，地表植被茂密，沖溝發(fā)育，地形起伏較大，海拔為884.064～1323.163m，最大相對高差439.099m，地勢總體呈西北低、東南高的特點，為黃土高原向黃龍山隆起的過渡段落。

2.2 地質構造

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)勢節(jié)理裂隙主要有兩組，產(chǎn)狀分別為190°∠90°和 78°∠89°，地表調查測量，節(jié)理間距 25~50cm，一般為密閉節(jié)理，地表局部地段節(jié)理呈張開狀，巖體較破碎，泥巖為軟弱夾層，呈薄層狀，節(jié)理裂隙很發(fā)育。

2.3 水文地質特征

局部沖溝內(nèi)有少量地表溪流，水量較小，為季節(jié)性流水，雨季水量變大，主要接受大氣降水補給及傾向地下水補給。地下水主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水，基巖裂隙水主要接受大氣降水補給。

3 高地應力現(xiàn)象

段家坪隧道2號斜井向小里程方向DK454+240～DK453+605段為Ⅱ、Ⅲ級圍巖，隧道開挖過程中，拱頂和洞壁巖石松脫、剝離，成洞性差，巖芯常有“餅化”現(xiàn)象；掌子面響炮后（或在支護過程中）有“噼啪”響聲，圍巖內(nèi)部發(fā)生悶響，偶有震感。增加格柵鋼架加強支護，采用臺階法施工。支護完成5～40d后，隧道中線左、右各2m范圍拱部初支混凝土出現(xiàn)剝落、掉塊，格柵鋼架局部向內(nèi)扭曲，裂縫的前端一般距離掌子面40～70m，特殊情況距離掌子面1～20m[1]。初支開裂有一定的滯后性，多次調整支護參數(shù)，未能有效控制。

4 地應力對隧道結構的破壞形式

段家坪隧道2#斜井正洞小里程方向為高地應力范圍。隧道初支結構采用Ⅳ～Ⅴ級支護參數(shù)施工：全環(huán)設置H130～H230格柵鋼架，間距0.75～1.2m/榀；拱部設置φ42mm徑向或超前導管釋放圍巖應力；仰拱及拱墻襯砌采用鋼筋混凝土。

該段隧道施工完成后，初支及襯砌結構破壞，破壞形式主要有以下3種形式：（1）隧道拱頂初支混凝土脫殼開裂（見圖1），鋼架向內(nèi)呈“S”形扭曲變形；（2）仰拱初支扭曲上拱（見圖2），上拱高度10～20cm；（3）仰拱鋼筋混凝土出現(xiàn)斜向平行裂縫。

圖1 拱部初支脫殼開裂

圖2 仰拱初支底鼓

5 監(jiān)控量測變形規(guī)律分析

5.1 拱頂沉降特點

拱頂沉降特點包括：（1）初支結構拱頂沉降發(fā)生突變，距掌子面一般為1～2倍洞徑，有2處突變開裂距掌子面分別為40m、80m，突變沉降速率范圍 10～40mm/d；（2）有 3 種變形表現(xiàn)形式：一次急劇變形后趨于穩(wěn)定；一次急劇變形后緩慢變形，再次急劇變形，變形后居于穩(wěn)定；開挖后基本無變形，一段時間后急劇變形，之后趨于穩(wěn)定；（3）拱頂沉降突變與初支結構是否封閉成環(huán)關系不大；（4）初支結構開裂段拱頂沉降穩(wěn)定時較大累計值范圍為7～10cm（見圖3）。

5.2 周邊收斂特點

周邊收斂無突變發(fā)生，日變形量均在5mm以內(nèi)，最大累計變形值均小于35mm。邊墻穩(wěn)定，未對初支結構整體穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。

圖3 典型拱頂測點歷時變化曲線

6 地應力來源分析

段家坪隧道位于如意背斜北翼，由北向南區(qū)域構造為依次：如意背斜，吉縣斷裂、銅川—韓城隆起、韓城斷裂帶、汾渭地塹（見圖4）。經(jīng)地應力測試和隧道開挖揭示的圍巖地質情況分析，該區(qū)域主要存在構造應力，受韓城活動斷裂擠壓及壓扭性的力的作用影響，段家坪隧道與如意背斜北翼處發(fā)育的一條小型向斜相交，在段家坪隧道1號、2號斜井之間的正洞形成構造應力集中區(qū)。

圖4 區(qū)域地質構造圖

7 地應力測試

根據(jù)地應力隧道結構的破壞形式、嚴重程度等對段家坪隧道進行了地應力測試。分別對DK454+330、DK453+830、DK452+650 3處進行鉆孔測量了地應力（見表1），測試方法采用水壓致裂法，測試結果證實段家坪隧道存在高地應力。

表1 段家坪隧道地應力測試結果

8 高地應力隧道施工技術

隧道拱部初支開裂、格柵鋼架變形將大大降低初支承載能力，給施工帶來較大安全隱患隧道襯砌結構開裂也將影響運營安全?，F(xiàn)場運用了隔離層、阻尼器、錨桿+加筋底板等綜合施工技術，并通過觀察、檢測、監(jiān)測手段，分別對各施工技術效果進行了分析。

8.1 隔離緩沖層施工技術

在初支背后采用土工布+高密度海綿作為隔離緩沖層，緩沖層厚度5～10cm。

8.1.1 隔離層性能參數(shù)

隔離層性能參數(shù)如表2所示。

表2 高密度海綿性能參數(shù)

8.1.2 施工方法

隧道采用臺階法鉆爆施工。隧道初支與圍巖間設隔離緩沖層，隔離材料采用高密度海綿（見圖5），拱部鋪設厚度10cm，邊墻鋪設厚度5cm。布設監(jiān)測斷面，每個斷面拱頂下沉測點1個，水平收斂測線3組。

圖5 高密度海綿施工情況圖

8.1.3 施做效果

初支結構未發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象，監(jiān)測斷面距掌子面65m、歷時1個月時，收斂變形速率開始減小，逐步趨于穩(wěn)定。距離掌子面90m、歷時2個月時，監(jiān)測斷面變形開始趨于穩(wěn)定（見圖6）。

8.2 阻尼器施工技術

8.2.1 支護參數(shù)

拱墻采用H180格柵鋼架，間距0.75m/榀；仰拱采用H230格柵鋼架，間距0.75m/榀；拱部120°設φ42mm超前小導管，壁厚3.5mm，長4m，環(huán)向間距40cm。隧道拱頂和仰拱初支鋼架中心設置縱向鋼板型限阻器，施工效果如圖7所示。

圖6 量測變形曲線圖

圖7 阻尼器安裝情況圖

8.2.2 施工方法

隧道采用臺階法鉆爆施工，阻尼器與初支拱架一同安裝。初支變形穩(wěn)定后，噴射混凝土封閉阻尼器，并對阻尼器背后注漿回填密實。

8.2.3 施作效果

拱部中心阻尼器發(fā)生扭曲變形，阻尼器旁初支混凝土面偶發(fā)縱向輕微、較短細小裂紋。監(jiān)測斷面距離掌子面40m、歷時20d，水平收斂歷時曲線出現(xiàn)拐點，速率減?。痪嗾谱用?00m、歷時近50d，該斷面變形開始趨于穩(wěn)定（見圖8）。

圖8 斷面量測曲線圖

8.3 漲殼式預應力錨桿+加筋底板施工技術

8.3.1 支護參數(shù)

支護參數(shù)為：（1）全環(huán)采用H230格柵鋼架，間距0.75m/榀；全環(huán)采用縱φ6mm×環(huán)φ8mm雙層鋼筋網(wǎng)片，間距25cm×25cm；在隧道底部設置C25噴射混凝土加筋底板，厚度100cm；（2）拱部120°范圍及仰拱加筋底板部位打設φ25mm漲殼式中空錨桿，長度L=6m，間距0.8m×0.8m（環(huán)×縱）；拱腳以上3m范圍打設中空錨桿3根，長度L=3m，間距1.0m×1.0m（環(huán)×縱）；（3）調整仰拱矢跨比為 1∶6。

8.3.2 施工方法

漲殼式錨桿采用金屬楔形漲殼錨頭，錨桿孔施工采用鉆神ZSL-120C-D型履帶式鉆機、ZY-20式錨桿張拉器對錨桿實施預應力張拉，施工效果如圖9所示。

圖9 漲殼式預應力錨桿施工情況

8.3.3 施作效果

拱部初支輕微脫殼開裂，隧道初支變形較未采用錨桿段明顯減小，掌子面距離本斷面100m、歷時45d，本斷面變形穩(wěn)定（見圖10）。

圖1 0 斷面量測曲線圖

9 效果評價

9.1 隔離層

優(yōu)點：設置隔離層后，初期支護未發(fā)生開裂現(xiàn)象，同時，圍巖應力得到了釋放，保證了隧道結構穩(wěn)定，確保了施工安全，且成本低，施工簡單。

缺點：圍巖與初支之間不連續(xù)接觸，背后相應區(qū)域圍巖失去約束，自由變形使松弛區(qū)不斷擴大、積累，導致不連續(xù)接觸邊界附近初支承受更大荷載。初支背后預留空間不能完全擠壓填充，初支背后空洞需要進行注漿處理。隧道底部不能設置隔離層，拱墻背后圍巖不能對初支形成下壓力，仍存在底鼓風險。

9.2 阻尼器

優(yōu)點：安裝阻尼器后，初期支護開裂得到明顯控制，拱頂阻尼器部位鋼筋（鋼板）變形，圍巖應力得到了充分釋放，初支結構局部開裂，一定程度上保證了隧道初支結構的完整和穩(wěn)定。

缺點：安裝阻尼器后一定程度減弱了初支結構的強度和剛度；在圍巖變形結束后，需對阻尼器部位噴射混凝土和注漿。

9.3 漲殼式預應力錨桿+加筋底板

優(yōu)點：漲殼式預應力錨桿試驗段施工完成后，隧道拱部初支發(fā)生脫殼，不能完全防止隧道開裂，但能夠控制初支變形，隧道變形值明顯減小；加筋底板能夠很好地傳遞水平應力，阻止仰拱底鼓和開裂。

缺點：長錨桿施工需投入大型設備才能保證錨桿施工工藝，設備投入較大；加筋底板工序多，施工進度慢，工效較低，造價高。

10 建議與總結

通過實踐與總結，得出以下建議：

1）在硬巖、極硬巖等圍巖自穩(wěn)能力較強的條件下，建議采用緩沖層進行支護，拱架參數(shù)根據(jù)實際情況調整，并預留注漿孔，在變形穩(wěn)定后對初支背后進行回填注漿處理；

2）在較硬、較軟巖等圍巖自穩(wěn)能力一般的條件下，建議采用阻尼器進行支護，拱架參數(shù)根據(jù)實際情況調整，通過阻尼器的變形讓地應力得到逐步釋放；

3）在軟巖等圍巖自穩(wěn)能力較差的條件下，建議采用漲殼式預應力錨桿+加筋底板與阻尼器進行組合支護，拱架參數(shù)及加筋底板參數(shù)根據(jù)實際情況調整。