高鐵隧道穿越斷層破碎帶圍巖控制效果分析①

趙紅飛，趙青云，劉繼文，曹廣勇，翟朝嬌

(1. 中鐵四局集團第四工程有限公司，安徽 合肥 230012；2. 安徽建筑大學 建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601)

0 引 言

我國幅員遼闊，山地占主要成分，隨著大力發(fā)展交通，山區(qū)修建公路又受地形制約，必然會修建大量隧道。斷層破碎帶是隧道中常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象，其分布極易出現(xiàn)拱頂塌方、大變形等工程事故，給施工帶來巨大損失[1]。

現(xiàn)今國內(nèi)外對于隧道穿越斷層破碎段的圍巖穩(wěn)定性及其變形做了大量研究[2-6]。Jeon Seokwon Kim[2]發(fā)現(xiàn)了隧道節(jié)理裂縫延伸規(guī)律。辛純濤[3]對比較常見的斷層破碎帶圍巖監(jiān)測方法進行了總結(jié)和分析，實際證明檢測技術(shù)的應用。林建奎[4]發(fā)現(xiàn)了縮短工序循環(huán)時間，加快施工進度，能更有效控制圍巖收斂變形。李興春[5]對某隧道斷層破碎段大變形產(chǎn)生的原因提出了超前支護、短臺階等施工方法。畢旭冰[6]等發(fā)現(xiàn)采用臺階開挖方法可以減小斷層破碎帶對圍巖的影響。

本文以太(原)焦(作)高鐵皇后嶺隧道為工程背景，選取典型斷面，對比分析圍巖變形規(guī)律，評價開挖及支護方案是否合理，以其為類似條件工程提供參考。

1 工程背景

皇后嶺隧道位于太行山中南段的長治盆地南緣，地屬山西省長治市縣境內(nèi)。起始里程為DK241+765終點里程為DK246+305，全長4540m。隧道進口位于長治縣辛呈村西南角；隧道出口位于長治縣西八村東南，往南距685縣道約110m，往東距207國道約360m。隧道最大埋深142.56米。

研究區(qū)域為隧道斷層破碎帶段，洞身地層為石灰?guī)r，泥巖、砂巖。石灰?guī)r：深灰色，弱風化，見溶洞。泥巖：深灰色，強風化。砂巖：淺灰色，弱風化。該段節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體極破碎，洞身段受構(gòu)造影響，斷層內(nèi)巖體極破碎，呈散體結(jié)構(gòu)。隧道埋深范圍約29.5m-44m，圍巖等級為V級。隧道地質(zhì)剖面及斷面尺寸如圖1所示。

選取的兩個典型斷面分別位于DK243+190和DK243+390，間隔200m。其中DK243+190斷面鄰近斷層，DK243+390斷面為常規(guī)段。

圖1 隧道地質(zhì)剖面及斷面尺寸

圖2 斷層破碎帶現(xiàn)場

2 開挖和支護方案設(shè)計

選取的隧道區(qū)段為V級圍巖，根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)和圍巖級別，開挖V級圍巖開挖采用三臺階臨時仰拱法。開挖方式采用弱爆破方式開挖，開右至少要錯開三榀開挖，依次開挖上、中、下臺階，日進尺1.2m。每層臺階開挖后，隨即初噴混凝土和安設(shè)拱架。開挖示意圖如圖3所示，圖中I—Ⅲ為相應臺階開挖順序，①—③為相應支護順序。

圖3 三臺階臨時仰拱開挖示意圖

主要開挖及支護過程如下：

(1)開挖上臺階I，初噴4cm厚混凝土，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片，架立I22型鋼架，復噴26cm厚混凝土保護層，施作中空組合錨桿。施作上臺階臨時仰拱，在平臺底部噴射4cm混凝土，架設(shè)I18輕型臨時鋼架，復噴混凝土至設(shè)計厚度25cm，施作砂漿錨桿，錨桿梅花布置，環(huán)間距1200mm×1000mm。上臺階一次開挖一榀拱架間距。

圖4 錨桿布置縱斷面圖

圖5 測點分布示意圖

(2)開挖中臺階Ⅱ，滯后上臺階一段距離后，拆除I部2～3榀I18臨時鋼架，再開挖Ⅱ。初噴4cm厚混凝土，掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片，架立I22型鋼架，復噴26cm厚混凝土。施作中臺階臨時仰拱，與上臺階相同。中臺階一次開挖兩榀拱架間距。

(3)開挖下臺階Ⅲ，與中臺階相同。需要特別注意的是：中、下臺階開挖時至少錯開2榀拱架施工，嚴禁兩邊拱架同時懸空。下臺階兩側(cè)開挖相隔距離3～5m；仰拱初支開挖不得大于3m。

主要支護參數(shù)見表1。

表1 主要支護構(gòu)件及參數(shù)

3 圍巖控制效果分析

3.1 監(jiān)測方案設(shè)計

本文監(jiān)測方案分為位移監(jiān)測和受力監(jiān)測。

位移監(jiān)測包括拱頂下沉和水平收斂，監(jiān)測斷面為DK243+390和DK243+390，拱頂下沉測點設(shè)置在拱頂軸線附近，水平收斂測點對稱分布。測量頻率為1次/d，監(jiān)測周期為60d。測點具體布置如圖5所示。

受力監(jiān)測包括圍巖接觸壓力和拱架的軸力，監(jiān)測斷面為DK243+190，對監(jiān)測斷面的5個位置安裝儀器，每個位置安裝一個土壓力盒和兩個鋼筋應力計。測量頻率為1次/d，監(jiān)測周期為10d。測點具體布置如圖5所示。

3.2 監(jiān)測結(jié)果分析

3.2.1 位移分析

圖6為兩個典型斷面圍巖收斂變形圖。

(a) DK243+390斷面 (b) DK246+190斷面

圖7 拱架軸力變化圖(單位：kN)

分析可知：

(1) 常規(guī)斷面dk243+390在26d后趨于穩(wěn)定，斷層帶斷面dk243+190在32d后趨于穩(wěn)定。各斷面拱頂?shù)睦塾嬒鲁亮烤笥谒绞諗苛?，說明斷層破碎段拱頂屬于重點監(jiān)控部位。

圖8 圍巖接觸壓力變化圖(單位：kPa)

(2)兩個斷面各部位圍巖的變形在上、中臺階開挖時變化明顯，波動范圍較大，斷層帶斷面拱頂沉降和各處收斂量均大于常規(guī)斷面。以變化范圍在±0.2mm/d以內(nèi)為穩(wěn)定標準，常規(guī)斷面的圍巖變形在下臺階支護完成2d后基本趨于穩(wěn)定，斷層帶斷面的圍巖變形在下臺階支護完成10d后基本趨于穩(wěn)定。

(3)DK243+190斷面的拱頂沉降量最大，達到10.1mm；DK243+390斷面最小，為8.8mm。水平收斂最大值位于DK246+190斷面上臺階B-C處，達到5.8mm，最小值位于DK243+390斷面上臺階D-E處，為1.7mm。斷層破碎段下，由于圍巖松散、破碎，圍巖收斂變形相對較大。

(4)本文研究范圍內(nèi)，隧道施工時，拱頂下沉受上臺階開挖擾動明顯。以DK243+390斷面為例，上臺階開挖完成后拱頂下沉量為4.9mm，約占最終監(jiān)測值的50%；中臺階開挖引起的變形量為2mm，占20%；下臺階開挖引起的變形量占15%；開挖完畢到圍巖穩(wěn)定的變形量占15%。

(5)各監(jiān)測斷面的累計變形量均遠小于預留變形量，處于允許范圍內(nèi)，說明設(shè)計采用的開挖方案合理，支護強度滿足要求。

3.2.2 受力分析

圖7為斷層破碎帶鋼拱架軸力變化圖，所受均為拉力，單位為kN。圖8為圍巖接觸壓力變化圖，單位為kPa。

可以看出：

(1)拱架整體受力形態(tài)呈非對稱性，受力形態(tài)差異較大。這是由于斷層帶的構(gòu)造導致空間扭曲，使得拱架整體受力形態(tài)差異較大。

(2)拱架軸力最大的位置為拱頂，最大值為379.98kN，拱架軸力最小的位置為右拱腰，最小值為5.24kN。圍巖接觸壓力最大的位置為拱頂，最大值為196.22kPa，圍巖接觸壓力最小的位置為右拱肩，最小值為24.40kPa。拱架上的測點遠小于鋼材的屈服強度。

(3)隨著掌子面推進，拱頂?shù)妮S力和圍巖接觸壓力增速最快，其他位置相對較小，說明拱頂屬于重點監(jiān)控部位。圍巖接觸壓力變化最大的部位是拱頂和右拱肩，都屬于重點監(jiān)控部位。

(4)距離掌子面1.2m到6m這段，拱架軸力和圍巖接觸壓力變化速率較快，距離掌子面12m時，拱架軸力和圍巖接觸壓力的分布規(guī)律趨于穩(wěn)定。

4 結(jié) 語

(1)太焦高鐵皇后嶺隧道斷層破碎段埋深29.5m-44m，圍巖等級為V級。設(shè)計采用三臺階臨時仰拱法施工，主要支護構(gòu)件為I22型鋼架。

(2)斷層破碎段隧道拱頂下沉和水平收斂均在32d后趨于穩(wěn)定，常規(guī)隧道拱頂下沉和水平收斂均在26d后趨于穩(wěn)定。接近斷層破碎段的監(jiān)測斷面位移最大，拱頂受上臺階開挖擾動最大，受中、下臺階開挖影響較小。

(3)斷層破碎段下，在距離掌子面1.2m到6m這段，拱架軸力和圍巖接觸壓力變化速率較快，在距離掌子面12m時，拱架軸力和圍巖接觸壓力的分布規(guī)律趨于穩(wěn)定。

(4)三臺階臨時仰拱法在高鐵隧道穿越斷層破碎帶等軟弱圍巖施工時方法可行，以I22型鋼架為核心的支護方案滿足圍巖控制需求，為類似條件工程施工提供了參考。