軟弱圍巖隧道臺階法施工噴射混凝土早期強度控制研究

郝進京

（國家鐵路局工程質量監(jiān)督中心，北京 100891）

0 引言

隨著我國經濟和交通建設的快速發(fā)展，貫穿南北和東西的高等級鐵路、公路在不斷規(guī)劃和建設［1]，為保證高速鐵路的線型，在穿越山嶺地區(qū)時需修建大量的隧道工程。截至2018年底，我國投入運營的鐵路隧道15117 座，總長16331 km；在建鐵路隧道3477 座，總長7465 km［2]。當隧道穿越軟弱破碎地層時，施工大多存在圍巖穩(wěn)定性差、受力復雜、圍巖應力釋放不均衡等特點，會造成圍巖的變形過大導致結構失穩(wěn)，不僅給施工帶來極大困難，延誤工期、增加成本，而且還給隧道施工和運營安全帶來隱患［3]。

初期支護是支護結構體系中控制圍巖變形最重要的措施，通常設計為由噴射混凝土、鋼筋網、格柵拱架或型鋼拱架及系統(tǒng)錨桿組成的復合結構［4]。噴射混凝土與型鋼拱架形成的聯合結構對控制圍巖變形起到關鍵性作用，但在實際工程應用中，噴混凝土與型鋼拱架存在結合不緊密的問題，降低聯合結構的支護效果。由于混凝土與鋼筋有良好的粘結性和相近的溫度線膨脹系數，可以更好的共同工作，因此噴射混凝土與高強格柵拱架組成的聯合結構是初期支護結構的應用趨勢，初支結構的剛度可以用噴混+格柵拱架聯合結構的剛度表示。根據楊其新等［5]研究表明，格柵鋼架在無噴射混凝土、半噴射混凝土、全噴射混凝土3種工況條件下，全噴射混凝土組合試件剛度遠大于鋼架本身剛度，初期支護的剛度增長取決于噴射混凝土強度的增長［6-7]。如何合理地設計噴射混凝土早期強度控制圍巖變形，為施工現場配制混凝土提供理論依據是研究的重點。依托浩吉鐵路崤山隧道工程，結合隧道地質條件和圍巖物理特征，通過理論計算和數值模擬，提出軟弱圍巖隧道臺階法施工噴射混凝土早期強度指標。

1 工程概況

崤山隧道位于河南省三門峽市境內，線路近東南走向117°～153°。場區(qū)以侵蝕構造中低山為主，地形陡峭，溝谷狹長，多呈“V”字形。隧道穿越安山巖、流紋斑巖、石英砂巖、泥巖、白云巖等弱風化地層，局部淺埋段、構造段為強風化破碎基巖。隧道為2條單線隧道，最大埋深約為750 m，開挖斷面高度為10 m，最大寬度處為7.29 m，初支噴混凝土C25 厚度23 cm，襯砌厚度為30 cm（見圖1）。

崤山隧道DK700+450—610 段穿越F5 楊家河—孟家河斷層破碎帶，斷層局部弱風化，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，圍巖穩(wěn)定性差，為Ⅴ級圍巖。

2 噴射混凝土早期強度計算

2.1 預留變形量

以預留變形量作為計算噴射混凝土早期強度的約束條件，即在圍巖與初支結構允許最大變形量時，噴射混凝土需提供的最小支護抗力。根據崤山隧道設計要求，在軟弱破碎圍巖段隧道預留變形量為8～10 cm。

2.2 初期支護結構支護抗力計算

根據賀少輝《地下工程》［8]地下結構計算理論中采用地層結構法計算支護抗力對圍巖位移的控制，允許圍巖產生一定的變形從而降低對支護結構剛度的要求。以最不利情況計算，假定塑性區(qū)已經形成，根據隧道邊界徑向位移與支護抗力之間的表達式（1），可計算出圍巖變形達到預留變形量時，初支結構的支護抗力Pa：

式中：up為預留變形量；r0為隧道半徑；G為圍巖剪切彈性模量，G=E/2(1+μ)；E為圍巖彈性模量；μ為圍巖泊松比；γ為圍巖容重；φ為圍巖內摩擦角；c為圍巖粘聚力；h0為隧道埋深。

根據崤山隧道結構參數及圍巖特性（見表1），可計算出初支結構支護抗力Pa=569 kPa。

2.3 噴射混凝土早期強度計算

表1 崤山隧道結構及模擬參數

根據項彥勇的《隧道力學概論》［9]和徐干成的《地下工程支護結構與設計》［10-11]相關內容，隧道噴射混凝土的抗壓強度P、剛度K，可按下列公式計算：式中：Pmax為最大支護抗力；σc為噴射混凝土的抗壓強度；r0為隧道半徑；t為噴射混凝土襯砌厚度；Ec為噴射混凝土的彈性模量；μh為噴射混凝土泊松比；us為圍巖變形量。

通過以上計算得出圍巖變形量達到預留變形量時，所需的噴射混凝土抗壓強度應大于10.7 MPa，彈性模量增長到388 MPa。

3 噴射混凝土早期強度增長與圍巖變形的時空效應數值模擬

在軟弱破碎圍巖地質條件下，隧道開挖后，開挖擾動引起的地層變形不僅會向隧道圍巖徑向傳遞，掌子面及其前方圍巖也會產生變形。因此，隧道圍巖變形是一個三維空間問題，但如果考慮巖體的流變特性，隧道變形又演化成與時間相關的四維問題，體現了隧道圍巖變形的時空效應。

在數值計算中通過改變初支結構彈性模量，以及用隧道開挖循環(huán)代替時間，模擬出軟弱破碎圍巖變形的時空效應，選擇合理的支護曲線，為配制噴射混凝土提供理論依據。

3.1 計算模型及模擬工況

3.1.1 計算模型

考慮到施工過程中的空間效應，結合崤山隧道正洞結構尺寸的大小與F5 富水斷層的寬度，計算模型長取60 m，寬度與深度按5倍洞徑考慮，分別取寬107 m，深110 m，隧道埋深55 m。計算采用大型有限元軟件MIDAS GTSNX建立計算模型，斷層巖體采用實體單元，巖石本構使用摩爾庫倫模型；小導管注漿加固區(qū)采用實體單元，本構使用彈性模型；初支采用實體單元，本構采用彈性模型；小導管采用植入式梁單元模擬，共有55977個單元（見圖2）。

圖2 計算模型

3.1.2 模擬工況

工況1：不加初期支護，模擬裸露圍巖隨隧道開挖循環(huán)的變形特征。

工況2：根據噴射混凝土抗壓強度增長規(guī)律，選取6組不同配比的初期支護結構早期彈性模量變化值，模擬隨著初期支護強度的增長條件下圍巖的變形特征。彈性模量變化值見表2。

表2 初支結構早期彈性模量變化值 MPa

3.2 力學參數

計算中采用理想彈塑性材料，屈服準則采用Mohr-Coulomb 準則，并考慮巖體的受拉屈服、彈塑性變形及大變形。依據現場勘測報告，結合現場取樣的室內力學試驗結果，確定數值模擬中圍巖材料的物理力學參數。圍巖與支護參數見表3。

3.3 開挖模擬及監(jiān)測斷面測點布置

施工工序為：（1）上臺階土體開挖；（2）上臺階支護；（3）下臺階土體開挖；（4）下臺階支護；（5）施作二襯。隧道開挖進尺為1 m，上臺階長度4 m，施工1循環(huán)耗時12 h。選取隧道目標斷面30 m處作為研究斷面（見圖3），監(jiān)測斷面測點布置（見圖4）。

表3 圍巖與支護參數

圖3 隧道開挖示意圖

圖4 監(jiān)測斷面z=30 m測點布置圖

3.4 計算結果與分析

3.4.1 工況1

通過數值模擬，得到監(jiān)測斷面各測點圍巖變形隨開挖循環(huán)的關系見圖5、圖6。

圖5 隧道開挖循環(huán)圍巖沉降變形

圖6 隧道周邊圍巖水平變形

由圖5可知，監(jiān)測斷面z=30 m在隧道開挖過后圍巖沉降變形最大為8.52 mm，未超過預留變形量8 cm，監(jiān)測點1的圍巖沉降變形較小是因為隧道拱部布設了超前小導管并且進行注漿加固，提高了圍巖的強度和自穩(wěn)性。

由圖6 可知，監(jiān)測斷面z=30 m 在隧道開挖過后第6循環(huán)（每循環(huán)開挖1 m）監(jiān)測點2 圍巖周邊收斂變形將達到預留變形量。根據崤山隧道在穿越F5 斷層破碎帶時的實際施工耗時：施工1循環(huán)耗時12 h，可知監(jiān)測斷面圍巖在開挖后3 d，周邊收斂變形將達到預留變形量，此時要求噴射混凝土單軸抗壓強度能提供圍巖周邊收斂變形到8 cm時所需的支護抗力。

3.4.2 工況2

模擬得到監(jiān)測斷面各測點圍巖變形隨開挖循環(huán)的關系（見圖7、圖8，曲線1—曲線6 分別對應表2 中不同初支彈性模量的組數）。結合表2和圖7可以得出，初支結構早期強度增長越快，隧道拱頂沉降變形越小，由于超前小導管注漿支護的作用，圍巖沉降變形較小。

結合表2、圖6和圖8可得出以下結論：

（1）初支結構早期彈性模量的增長對控制圍巖變形起到顯著作用。

圖7 隧道開挖循環(huán)圍巖沉降變形

圖8 隧道周邊圍巖水平變形

（2）初支結構在12 h內的彈性模量增長對圍巖最終變形量的控制最明顯，即噴射混凝土在12 h內的強度增長（及硬化速率），對控制圍巖最終變形量作用最大。

（3）在考慮安全系數的前提下，選擇表2 中第3 組初支結構的彈性模量增長規(guī)律配制噴射混凝土，可保證圍巖變形預留變形量在控制范圍內。

3.5 噴射混凝土抗壓強度換算

3.5.1 噴射混凝土與格柵拱架的承載分配比

初支結構是由噴射混凝土和格柵拱架組成（見圖9），通過數值模擬計算得出初支結構的彈性模量增長值。

圖9 初支結構組成

噴射混凝土與格柵拱架的承載分配比可由下式換算：式中：Ee為初支的彈性模量；Ec為噴射混凝土的彈性模量；Es為拱架的彈性模量；Ac、As分別為混凝土和拱架的截面積。

通過計算得出格柵拱架提供的等效彈性模量為2.26 MPa。將表2 中第3 組初支結構的彈性模量增長變化值代入式（5），可計算出噴射混凝土隨時間變化的彈性模量（見表4）。

表4 噴射混凝土彈性模量增長隨時間變化

3.5.2 噴射混凝土抗壓強度換算

將算出的噴射混凝土彈性模量帶入到式（2）、式（3）、式（4），可得出噴射混凝土抗壓強度（見表5）。

4 現場試驗

根據工程對混凝土早期強度的要求配制新的混凝土，并在崤山隧道F5 斷層破碎帶選取了20 m 的試驗段。在噴射新配制的混凝土后，對圍巖的變形進行監(jiān)測，隧道周邊圍巖水平變形最大累計變形量為7.29 cm，小于預留變形量，并未侵限（見圖10）。通過實踐證明：根據具體工程具體地質條件，采用理論計算與數值模擬方法計算的噴射混凝土早期強度，對控制圍巖變形更為合理，對配制混凝土可以起到指導作用。

圖10 實測變形曲線

5 結論與建議

通過數值模擬、理論計算得出浩吉鐵路崤山隧道用兩臺階法穿越斷層破碎帶時，要求混凝土在噴射后12 h抗壓強度達到1.4 MPa，24 h 達到3.3 MPa，48 h 達到8.3 MPa，將圍巖變形控制在合理范圍，充分發(fā)揮圍巖的自承能力，也為現場合理配制混凝土提供了理論依據。

（1）在計算支護結構抗力時，隧道埋深采用實際數值進行計算。如采用圍巖一定擾動范圍（5 倍洞徑）進行計算，對最終噴射混凝土抗壓強度的計算影響程度，需進一步研究。

（2）用數值計算模擬初支剛度變化時，其剛度的取值依據是在理論計算中圍巖變形達到預留變形量時，支護抗力由噴射混凝土獨自承擔，結果偏于保守，在以后的研究中可將鋼拱架或格柵拱架提供的支護抗力考慮其中，使得數值模擬中初支剛度的取值更加精確。