片麻巖隧洞圍巖聯(lián)合變形控制技術(shù)

周 奎，李仕春，唐北川

（浙江省隧道工程集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310030）

引 言

片麻巖具有自身裂隙發(fā)育，自穩(wěn)能力弱，完整性差等特征，在隧洞施工過程中片麻巖的存在將會對隧洞的穩(wěn)定產(chǎn)生很大的影響，往往會造成隧洞圍巖出現(xiàn)嚴(yán)重坍塌、形成空腔、支護(hù)困難以及不斷進(jìn)行返修等問題。多年來許多學(xué)者對于此類軟巖變形破壞控制進(jìn)行大量的研究，崔光耀等[1]通過對隧道施工過程中軟弱圍巖破壞以及影響因素分析，從支護(hù)和圍巖加強角度對大變形破壞控制進(jìn)行現(xiàn)場試驗，成功控制了邊墻的大變形；張傳慶等[2]針對深埋隧洞軟巖擠壓變形的問題，提出多變形指標(biāo)圍巖穩(wěn)定控制方法，對圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行及時調(diào)控，避免了深埋軟巖隧洞圍巖擠壓變形；李國良等[3]基于烏鞘嶺隧道高應(yīng)力軟巖變形破壞分析，提出選擇合適斷面參數(shù)、多重支護(hù)、加強剛度支護(hù)等措施，成功控制了隧道大變形；劉高等[4]分析認(rèn)為圍巖塑性流動與圍巖膨脹變形共同作用造成木寨嶺隧道大變形，提出封閉工作面、錨注支護(hù)與自進(jìn)式錨桿和聯(lián)合支護(hù)體系，快速“強行”支護(hù)，確保了大變形軟巖段返修成功；采用理論分析和現(xiàn)場監(jiān)測的方法對隧道大變形的破壞形式和原因分析，于天賜[5]提出改進(jìn)開挖方式，加強初期支護(hù)，非對稱預(yù)留變形量，徑向注漿加固圍巖，長錨桿加固圍巖，加強監(jiān)控量測等措施有效地控制軟巖隧道大變形；通過對高地應(yīng)力軟巖特點和大變形特征進(jìn)行分析研究，潘飛等[6]提出優(yōu)化開挖方法、調(diào)整預(yù)留變形量、利用聯(lián)合初期支護(hù)和可伸縮性U 型鋼架及信息化施工等綜合大變形控制措施和施工技術(shù)，有效地控制了隧道圍巖大變形。

本文以甘肅省引洮供水二期工程主體工程施工第7 標(biāo)段1#隧洞工程為背景，采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D對1#隧洞在原支護(hù)方案下圍巖變形破壞特征進(jìn)行分析，提出錨桿主動承載-有限讓壓-拱架被動支護(hù)的聯(lián)合變形控制技術(shù)，通過數(shù)值模擬研究聯(lián)合變形控制技術(shù)對隧洞圍巖的控制效果，并對原支護(hù)參數(shù)進(jìn)行修正。

1 工程背景

1#隧洞屬于甘肅省引洮供水二期工程主體工程施工第7 標(biāo)段，施工過程中的變形段圍巖均為前震旦系片麻巖，片麻理產(chǎn)狀變化大，巖體風(fēng)化強烈，受風(fēng)化及長期構(gòu)造運動的影響，巖體中裂隙、斷層等構(gòu)造發(fā)育，巖體破碎，多呈碎裂結(jié)構(gòu)，各階段隧洞開挖環(huán)境均屬不穩(wěn)定的V 類圍巖。隧洞變形破壞現(xiàn)場實測如圖1 所示，在隧洞開挖過程中，1#隧洞發(fā)生變形，主要表現(xiàn)為洞頂、掌子面圍巖出現(xiàn)嚴(yán)重坍塌，坍塌處形成洞頂空腔，一次支護(hù)嚴(yán)重變形，隧洞縮徑大，隧洞底板受擠壓上抬嚴(yán)重，鋼拱架底拱嚴(yán)重彎曲變形，噴混凝土墻體出現(xiàn)裂縫，多處有崩塌等變形破壞現(xiàn)象。

圖1 隧洞變形破壞現(xiàn)場實測圖

2 原支護(hù)參數(shù)及可行性分析

發(fā)生隧洞變形段的斷面類型為I—1—D 型襯砌斷面，如圖2 所示。在頂拱180°范圍內(nèi)架設(shè)Φ42 超前系統(tǒng)鋼管管棚（橫向間距300mm，L=5000mm）；緊貼巖面架設(shè)I12 工字鋼@0.5 m 全封閉系統(tǒng)鋼拱架，連接筋采用Φ22@500mm 鋼筋焊接連接；采用L=1.5m 水泥基藥卷系統(tǒng)錨桿，5Φ18 或4Φ18 梅花形間隔布置，排距1.0 m；頂拱180°范圍內(nèi)噴層中部設(shè)Φ6.5@200×200 mm 鋼筋網(wǎng)；噴C20 混凝土厚100mm；底板干硬性混凝土墊層150mm。

圖2 I-1-D 型襯砌斷面設(shè)計圖

原支護(hù)采用拱架支撐屬于被動支護(hù)，完全依靠拱架支撐隧洞。結(jié)合圖3 所示原支護(hù)參數(shù)下隧洞不同開挖時步位移、應(yīng)力云圖可知，在這種支護(hù)參數(shù)下，隧洞最大變形發(fā)生在拱頂位置，最大下沉量為532 mm，平均下降量為463 mm；底鼓量最大為227 mm，發(fā)生在在底板中心點；兩幫移近量平均為100 mm，底鼓量平均為100 mm，隧洞圍巖峰值應(yīng)力為3.72 MPa，隨變形的增大不斷向圍巖深部轉(zhuǎn)移，隧洞整體變形量大，斷面內(nèi)縮嚴(yán)重，使得隧洞頂部應(yīng)力水平較小，部分巖石受到破壞失去承載能力，部分?jǐn)嗝鎳鷰r難以形成完整結(jié)構(gòu)，支護(hù)困難。施工過后由于兩幫向內(nèi)部移近、頂部圍巖下沉，返修工程量大。綜上，在原支護(hù)條件下，僅靠拱架支護(hù)圍巖變形量過大，不足以達(dá)到竣工要求，需要對原支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化修正。

3 片麻巖隧洞聯(lián)合變形控制技術(shù)

基于對原支護(hù)方案變形機理的分析，結(jié)合隧洞原有拱架支護(hù)技術(shù)，文章提出錨桿主動承載-有限讓壓-拱架被動支護(hù)的聯(lián)合變形控制技術(shù)。通過數(shù)值模擬軟件FLAC3D對技術(shù)效果分析，提出合理的支護(hù)設(shè)計。

3.1 聯(lián)合變形控制技術(shù)效果模擬分析

以現(xiàn)場地質(zhì)條件為原型，建立FLAC3D數(shù)值計算模型，模型總厚度20 m。模型兩側(cè)邊界及前后邊界均施加水平位移約束，底部邊界施加垂直位移約束，上部邊界施加均布載荷，均布載荷的大小根據(jù)上覆巖層自重計算。上覆巖層密度取2 500 kg/m3，隧洞埋深確定為100 m，根據(jù)模型巖層分布情況可確定模型上部施加2.5 MPa 的均布載荷，模擬上覆巖層自重，片麻巖力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

圖3 原支護(hù)參數(shù)下不同開挖時步隧洞位移與應(yīng)力云圖

表1 片麻巖力學(xué)參數(shù)

1）圍巖位移分析

通過模擬聯(lián)合控制技術(shù)下不同開挖時步隧洞的位移變化，得到如圖4 所示聯(lián)合控制技術(shù)下不同開挖時步隧洞位移云圖，可以看到，在此變形控制技術(shù)下，隧洞最大正方向位移102 mm，最大負(fù)方向位移120 mm，最大位移分別出現(xiàn)在隧洞頂點和隧洞底板，幫部向內(nèi)位移量大小平均為60 mm 左右，局部向內(nèi)位移量達(dá)到82 mm，對采取讓壓步距100 mm 的拱架支幾乎沒有影響，最大位移量比原支護(hù)方案下的532 mm 減少了412 mm，有效地控制了隧洞變形。

圖4 聯(lián)合控制技術(shù)下不同開挖時步隧洞位移云圖

2）圍巖應(yīng)力分析

通過模擬聯(lián)合控制技術(shù)下不同開挖時步隧洞的應(yīng)力變化，得到如圖5 所示聯(lián)合控制技術(shù)下不同開挖時步隧洞應(yīng)力云圖，由圖5 可知，在聯(lián)合變形控制技術(shù)下，隧洞支護(hù)形式從被動支護(hù)變?yōu)楸粍又ёo(hù)+卸壓+主動支護(hù)的方式，圍巖應(yīng)力分布得到進(jìn)一步優(yōu)化，峰值應(yīng)力上升到5.78 MPa，頂板應(yīng)力升高，而底板在本方案下拉應(yīng)力區(qū)消失，說明錨桿支護(hù)構(gòu)建的主動承載層能夠有效改善圍巖受力情況，減弱兩側(cè)圍巖對底板的壓力。較原來不規(guī)則的應(yīng)力分布，應(yīng)力環(huán)境使得圍巖應(yīng)力出現(xiàn)以錨桿為中心集中，并形成層狀的連續(xù)應(yīng)力分布，有效改善了隧洞的圍巖的受力情況，減少了圍巖的變形量和破壞；圍巖進(jìn)一步變形時，拱架支護(hù)能有效地控制圍巖變形。

圖5 聯(lián)合控制技術(shù)下不同開挖時步隧洞應(yīng)力云圖

3.2 支護(hù)參數(shù)設(shè)計

通過以上的分析，最終確定支護(hù)參數(shù)：頂錨桿和幫錨桿使用Φ22×2 000 mm 的螺紋鋼錨桿，間距1 000 mm，整個斷面布置11 根錨桿，配套使用碟形托盤、減摩墊圈、球形墊圈，托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm，中心孔徑大于錨桿直徑1.5～2.0 mm，采用一支MSCK23/80 樹脂錨固劑。緊貼巖面架設(shè)I16 工字鋼@0.5 m 全封閉系統(tǒng)鋼拱架，連接筋采用Φ22@500 mm鋼筋焊接連接；頂拱180°范圍內(nèi)架設(shè)Φ25 中空錨桿（橫向間距200 mm，L=5 000 mm）；頂拱、側(cè)拱噴層中部設(shè)Φ8@150×150 mm 鋼筋網(wǎng)；噴C20 混凝土厚200 mm；對隧洞底板進(jìn)行硬化，采用C20 現(xiàn)澆混凝土澆筑，厚度200 mm。

4 結(jié) 論

1）原支護(hù)條件下采用拱架支撐屬于被動支護(hù)，完全依靠拱架支撐隧洞，片麻巖隧洞所處應(yīng)力環(huán)境差，施工過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的變形破壞，無論是頂部、幫部的低應(yīng)力區(qū)還是底板的拉應(yīng)力區(qū)均不利于隧洞的維護(hù)，不足以達(dá)到竣工要求，需要對原支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化修正。

2）提出主動承載-有限讓壓-拱架被動支護(hù)的聯(lián)合變形控制技術(shù)，分析結(jié)果表明隧洞頂?shù)装逡约皟蓭偷奈灰屏烤诤侠淼姆秶畠?nèi)，最大位移量由532 mm減少了412 mm；隧洞應(yīng)力分布均勻，頂板應(yīng)力升高，底板拉應(yīng)力區(qū)消失，主動承載效果顯著。

3）基于對原支護(hù)方案以及聯(lián)合變形控制技術(shù)方案的分析，設(shè)計出合理的支護(hù)方案。