隧道軟弱圍巖變形控制技術(shù)研究

李正文

(中鐵四局集團(tuán)第五工程有限公司，江西 九江 332000)

0 引 言

在鐵路隧道工程施工時(shí)，以隧道施工的質(zhì)量以及安全角度出發(fā)，軟弱圍巖對(duì)其有較大的影響[1]。目前，隧道在軟弱圍巖情況下施工常伴隨有大變形，易坍塌的安全事故發(fā)生。而在隧道的設(shè)計(jì)以及施工中對(duì)于軟弱圍巖產(chǎn)生大變形的機(jī)理以及控制措施并不完善，因此，如何解決在軟弱圍巖的環(huán)境下控制隧道的變形問題迫在眉睫。

1 工程概況

該鐵路隧道圍巖多以強(qiáng)、弱風(fēng)化千枚巖板巖為主。隧道工程實(shí)際的支護(hù)結(jié)構(gòu)與原設(shè)計(jì)具有較大偏弱，原有的初期支護(hù)已有較大的變形并有侵限現(xiàn)象出現(xiàn)。總體而巖該隧道兩大問題，即圍巖具有較大的變形以及結(jié)構(gòu)變形較為嚴(yán)重。以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)可知，圍巖有高達(dá)60cm以上的變形量。分析該圍巖的變形原因可知其為“擠壓型大變形”，對(duì)于該種變形的控制思想為：采取擴(kuò)挖的方式預(yù)留與圍巖變形量相應(yīng)的預(yù)留變形量以控制隧道的變形。如：采取擴(kuò)挖的方式預(yù)留相應(yīng)的變形量，即通過擴(kuò)挖的方式使隧道內(nèi)部變形量足以提供應(yīng)力卸荷時(shí)所需的變形，隧道在經(jīng)過擴(kuò)挖之后其拱頂?shù)某两盗坎⒉粫?huì)因擴(kuò)挖而有所加大，即其變形量與擴(kuò)挖前的變形量一致，且將支護(hù)結(jié)構(gòu)控制在安全受力范圍內(nèi)的話，對(duì)于圍巖的壓力即可通過擴(kuò)挖相應(yīng)圍巖量的方式進(jìn)行釋放，從而起到控制圍巖變形的目的。

2 隧道圍巖擴(kuò)大變形控制技術(shù)研究

隧道圍巖受到支護(hù)結(jié)構(gòu)的約束，當(dāng)圍巖變形量不斷上升時(shí)，由支護(hù)結(jié)構(gòu)所提供的抗力表現(xiàn)為逐漸下降的趨勢(shì)，即圍巖的變形與支護(hù)的抗力是成反比的。若以傳統(tǒng)的強(qiáng)支硬撐的方式采取支護(hù)措施，對(duì)于圍巖的變形控制而言往往無法得到較好的效果[2]。因此，結(jié)合該隧道現(xiàn)場(chǎng)條件以及變形量較大的特點(diǎn)，該隧道的變形控制考慮本文采用擴(kuò)挖圍巖的方式。

2.1 FLAC3D計(jì)算模擬

本文采用軟件FLAC3D模擬四種擴(kuò)挖量(即0.6m、0.65m、0.70m、0.75m)下隧道圍巖變形的變形規(guī)律，以研究采取擴(kuò)挖的方式對(duì)圍巖的變形控制是否可行。模擬計(jì)算時(shí)，各個(gè)控制點(diǎn)的布置如圖1所示，各控制點(diǎn)偏號(hào)見表1。

圖1 隧道控制點(diǎn)布設(shè)示意圖

表1 控制點(diǎn)編號(hào)名稱

在開挖隧道時(shí)，若移除部分圍巖將會(huì)破壞其原有的平衡狀態(tài)，隧道周圍圍巖將會(huì)因此而釋放應(yīng)力，進(jìn)而出現(xiàn)土體的應(yīng)力重分布。在重力作用下對(duì)隧道上部圍巖進(jìn)行開挖將會(huì)使其因卸荷作用而有位移出現(xiàn)，不利于隧道圍巖及其支護(hù)結(jié)構(gòu)，若控制不當(dāng)將會(huì)使其在施工或運(yùn)營(yíng)時(shí)出現(xiàn)安全事故[3,4]。下面本文將針對(duì)擴(kuò)挖時(shí)隧道圍巖位移情況進(jìn)行分析研究。由于拱腰和拱腳具有對(duì)稱性，因此試驗(yàn)過程中它們基本具有同樣的位移沉降量。因此，本文僅描繪左邊的拱腰以及拱腳的位移變化圖，鑒于篇幅有限，本文僅列出部分?jǐn)?shù)據(jù)。

2.2 擴(kuò)挖輪廓線上隧道各部位豎向位移分析

4種擴(kuò)挖量下，拱頂輪廓上豎直位移變化如圖2所示。

圖2 四種擴(kuò)挖量下拱頂輪廓線上豎直位移曲線圖

從圖2可知，在擴(kuò)挖圍巖時(shí)，拱頂，拱腰以及拱腳具有較大的變形，但在其達(dá)到最大值后趨于有所降低，并在后續(xù)施工逐漸趨于穩(wěn)定。圍巖沉降雖然在后續(xù)施工時(shí)有所上升，但其僅具有較平緩的上升曲線，在完成擴(kuò)挖之后，沉降的變形并不能被初期支護(hù)完全抑制，其在阻止圍巖沉降的角度上僅以柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)的形式體現(xiàn)。在完成初期支護(hù)之后，圍巖沉降變形基本不再發(fā)生，但隨著不斷開挖的下臺(tái)階，其沉降不斷上升，有2～4cm的增加量，并在下臺(tái)階完成支護(hù)之后逐漸穩(wěn)定，下臺(tái)階相比于圍巖擴(kuò)挖時(shí)所產(chǎn)生的沉降，其開挖卸荷作用導(dǎo)致的沉降較小。隨著擴(kuò)挖量的不斷增加，圍巖的沉降量均有所增加，當(dāng)從0.6m增加到0.75m的擴(kuò)挖量時(shí)，拱頂有從-67.01cm到-69.40cm的最終沉降量變化，拱腰則表現(xiàn)為從-62.76cm上升到-64.92cm，拱腳表現(xiàn)為從-30.12cm上升到-33.20cm，分析可知，三個(gè)部位的沉降變化幅度均在2～3cm。

2.3 初期支護(hù)外側(cè)輪廓線上各控制點(diǎn)豎向位移分析

不同擴(kuò)挖量下初支外側(cè)輪廓線處拱頂豎向位移變化如圖3所示。

圖3 不同擴(kuò)挖量下拱頂初期支護(hù)輪廓線上豎向位移曲線圖

由圖3可知，在施加擴(kuò)挖支護(hù)之前，沒有沉降值出現(xiàn)在拱腰以及拱頂?shù)某跗谥ёo(hù)外側(cè)輪廓線上，而拱腳處則有正值的沉降變形，具體為拱腳上鼓[5]。在圍巖施加擴(kuò)挖之后之前拱頂以及拱腰具有較大的沉降，其值約為2.8cm，但在下臺(tái)階完成初期支護(hù)并開始開挖的前期表現(xiàn)得較為穩(wěn)定，基本沒有再次出現(xiàn)沉降，并且拱頂還有逐漸變小的沉降值出現(xiàn)。在開始開挖下臺(tái)階的第2天之后，拱頂以及拱腰具有較大的沉降變形量，具體表現(xiàn)為從2.8cm的沉降量上升為6cm。拱頂和拱腰的沉降在數(shù)值方面體現(xiàn)為-7～-6cm，拱頂處有-7.861cm的最大沉降量，拱腰處有-8.033cm的最大沉降量。在四種擴(kuò)挖量中，拱腰和拱頂處在0.6m擴(kuò)挖量下具有最大的沉降值，且其沉降隨著擴(kuò)挖量的增加而有所減小。拱腳處的沉降量不同于拱腰和拱頂，其隨著不斷增加的擴(kuò)挖量表現(xiàn)出不斷上升的沉降量，拱頂以及拱腰主要在開挖下臺(tái)階階段出現(xiàn)沉降，拱腳則是在圍巖擴(kuò)挖階段均有發(fā)生。

2.4 初期支護(hù)內(nèi)側(cè)輪廓線上隧道各部位豎向沉降分析

不同擴(kuò)挖量下初支內(nèi)側(cè)輪廓線處拱頂豎向位移變化如圖4所示。

圖4 不同擴(kuò)挖量下初期支護(hù)內(nèi)側(cè)輪廓線的豎向位移圖

初期支護(hù)內(nèi)側(cè)輪廓線上拱頂以及拱腰的沉降變化與外側(cè)輪廓線的沉降變形一致，可參考上述分析結(jié)果。在完成初期支護(hù)并開始開挖下臺(tái)階時(shí)，拱頂以及拱腰具有更大的沉降變化曲率，即在該階段中，拱頂以及拱腰具有更大的增長(zhǎng)速率。初期支護(hù)內(nèi)側(cè)的拱頂以及拱腰具有較小的最終沉降值，在擴(kuò)挖0.6m時(shí)拱頂有-5.130cm的最大位移值，拱腰具有-5.334cm的最大位移值，特別是在開挖下臺(tái)階之前，拱頂以及拱腰更小的沉降值，分別為拱頂-0.7911cm，拱腰-0.7764cm。因此，在下臺(tái)階開挖之前，必須要采取一定的支護(hù)措施，以防止突然增加的變形。

2.5 四種擴(kuò)挖量下圍巖相對(duì)于初期支護(hù)外側(cè)輪廓線的沉降對(duì)比圖

本文將對(duì)四種擴(kuò)挖量下隧道圍巖各個(gè)部位的沉降值與其因擴(kuò)挖所增加的沉降量的差值進(jìn)行對(duì)比。如拱頂在擴(kuò)挖量為0.6m時(shí)具有-67.01cm的沉降量，將基準(zhǔn)定為初支時(shí)外側(cè)的輪廓線并進(jìn)行換算之后拱頂?shù)某两盗考礊?7.01cm。初期支護(hù)輪廓線下即代表沉降方向向下。所得結(jié)果如圖5所示。

圖5 相對(duì)于初期支護(hù)外側(cè)輪廓線四種擴(kuò)挖量下圍巖的沉降量示意圖

拱頂處在0.6m的擴(kuò)挖量時(shí)具有7.01cm的沉降值，拱頂以及拱腰在0.7以及0.75m的擴(kuò)挖量時(shí)尚未達(dá)到擴(kuò)挖量，可知，適當(dāng)?shù)臄U(kuò)挖圍巖可對(duì)較大的沉降位移進(jìn)行有效的控制。鑒于只對(duì)上臺(tái)階進(jìn)行了擴(kuò)挖而未擴(kuò)挖下臺(tái)階，因此上臺(tái)階各部位具有較為理想的沉降控制，下臺(tái)階處則具有鼓起現(xiàn)象，因此可知，擴(kuò)挖圍巖可以對(duì)其沉降進(jìn)行有效的控制。

3 結(jié)束語

圍巖在四種擴(kuò)挖量下的沉降主要在其擴(kuò)挖外側(cè)發(fā)生，初期支護(hù)內(nèi)側(cè)僅具有較小的沉降變形，并且在四種擴(kuò)挖量下圍巖豎向位移值的差距較小，在0.6m以及0.65m擴(kuò)挖量的前提下，圍巖的擴(kuò)挖量小于沉降位移，在0.7m以及0.75m擴(kuò)挖量的前提下，圍巖的擴(kuò)挖量大于沉降位移，若以沉降位移的角度考慮通過擴(kuò)挖圍巖的方式進(jìn)行隧道變形的控制時(shí)，本文建議采取0.65m的擴(kuò)挖量。