高地應(yīng)力軟巖隧道內(nèi)層的初期支護(hù)施作時(shí)機(jī)

張光偉，羅彥斌

(長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710064)

目前，公路隧道多采用復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)是主要承載單元[1-3]，控制圍巖的變形與松弛，起到充分發(fā)揮圍巖自承能力的作用。在高地應(yīng)力軟巖公路隧道中，為保證結(jié)構(gòu)安全性，控制圍巖變形，隧道初期支護(hù)多采用雙層或多層結(jié)構(gòu)，而何時(shí)施作內(nèi)層初期支護(hù)極大影響雙層初期支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)效果[4]。若內(nèi)層初期支護(hù)施作過早，圍巖荷載得不到充分釋放，支護(hù)結(jié)構(gòu)承受較大的形變壓力，則可能使其荷載分擔(dān)比例過大而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂，降低隧道耐久性；若內(nèi)層初支施作過晚，則可能造成初期支護(hù)變形無(wú)法控制，以致隧道侵限或失穩(wěn)。因此合理的內(nèi)層初期支護(hù)施作時(shí)機(jī)對(duì)隧道長(zhǎng)期安全穩(wěn)定十分重要。

目前關(guān)于隧道支護(hù)時(shí)機(jī)的研究主要集中于二次襯砌施作時(shí)機(jī)，而雙層或多層初期支護(hù)作為目前軟巖大變形的主流支護(hù)形式[5-6]，其應(yīng)用尚處于探索階段。長(zhǎng)安大學(xué)的陳建勛等[7]申請(qǐng)的“一種綠泥石片巖地層大跨度隧道的大變形控制方法”的專利，對(duì)雙層初期支護(hù)設(shè)計(jì)的具體施作步驟、內(nèi)層初期支護(hù)施作時(shí)機(jī)進(jìn)行了介紹。王洪昌[8]利用數(shù)值模擬軟件對(duì)不同施作時(shí)間下隧道結(jié)構(gòu)安全性作出對(duì)比，認(rèn)為圍巖較好段的內(nèi)層初期支護(hù)應(yīng)在開挖中導(dǎo)時(shí)施作，對(duì)于圍巖較差段內(nèi)、外層初期支護(hù)應(yīng)同時(shí)施作。李沿宗等[9]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與監(jiān)測(cè)，分析了采用多層初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的情況下不同工序?qū)ψ冃蔚挠绊憽ＵJ(rèn)為隧道上中臺(tái)階的第一層初期支護(hù)施作完成后立即施作上中臺(tái)階第二層初期支護(hù)，然后一次性施作下臺(tái)階雙層初期支護(hù)及仰拱對(duì)控制變形更有利。

綜合上述的研究結(jié)論，發(fā)現(xiàn)對(duì)雙層初期支護(hù)在大變形隧道中的系統(tǒng)研究較少，尤其關(guān)于內(nèi)層初期支護(hù)施作時(shí)機(jī)方面的研究更是匱乏，這給高地應(yīng)力軟巖隧道修建帶來(lái)諸多困擾?，F(xiàn)以渭武高速公路木寨嶺隧道2號(hào)斜井為依托工程，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)隧道內(nèi)層初期支護(hù)合理施作時(shí)機(jī)進(jìn)行探討。

1 工程概況

渭武高速公路是國(guó)家高速公路網(wǎng)規(guī)劃的蘭州至?？趪?guó)家高速公路(G75)在甘肅省境內(nèi)的重要組成部分，是甘肅中南部經(jīng)濟(jì)帶的公路運(yùn)輸大動(dòng)脈。隧道設(shè)三座無(wú)軌通風(fēng)斜井，其中2號(hào)斜井長(zhǎng)1.813 km，斜井橫斷面面積為71.88 m2。選取斜井K1+700～K1+730段為監(jiān)測(cè)段，監(jiān)測(cè)段最大埋深為570 m，隧道全線均為Ⅴ級(jí)圍巖，地層巖性為千枚巖和砂質(zhì)板巖互層組合地層，碳質(zhì)千枚巖強(qiáng)度低，單軸抗壓強(qiáng)度Rc僅為3.6～4.6 MPa，遇水后易軟化和崩解。圍巖地質(zhì)構(gòu)造為高角度單斜構(gòu)造，巖層傾角為50°～70°。圍巖巖體板理、千枚理，節(jié)理發(fā)育，將巖體切割為中、薄層狀或中厚層狀碎裂結(jié)構(gòu)，巖體完整程度平均呈較破碎狀態(tài)。掌子面揭露圍巖情況如圖1所示。

圖1 掌子面揭露圍巖Fig.1 Rock mass of tunnel face

根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，2號(hào)斜井橫截面內(nèi)的最大初始應(yīng)力σmax≈18 MPa，而巖體的單軸抗壓強(qiáng)度Rc=20～30 MPa,Rc/σmax=1.1～1.7<4.0，根據(jù)規(guī)范[10]，該區(qū)屬極高地應(yīng)力區(qū)，隧道容易發(fā)生圍巖大變形。施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)隧道變形量大、變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，且在時(shí)空效應(yīng)上表現(xiàn)出明顯的不均勻性。

1.1 監(jiān)測(cè)段設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)及施工方法

木寨嶺隧道2號(hào)斜井監(jiān)測(cè)采用XVf型襯砌支護(hù)參數(shù)，具體支護(hù)參數(shù)如表1所示。

3號(hào)斜井按“新奧法”原理施工，隧道采用光面爆破技術(shù)掘進(jìn)，施工方法采用三臺(tái)階分步開挖法，施工具體步序如圖2所示。

圖2 三臺(tái)階七步開挖法橫縱斷面Fig.2 Cross and vertical section of three-bench seven-step excavation method

1.2 監(jiān)控量測(cè)方案

依托木寨嶺隧道2號(hào)斜井，選取K1+704、K1+714、K1+727三個(gè)斷面對(duì)2號(hào)斜井進(jìn)行初期支護(hù)變形的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)。其斷面分布如圖2所示。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面分別在拱頂、左右拱腰、上臺(tái)階左右拱腳、中臺(tái)階左右拱腳7個(gè)位置埋設(shè)反光貼片，采用全站儀實(shí)現(xiàn)對(duì)以上各位置變形的監(jiān)測(cè)。監(jiān)控量測(cè)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

表1 木寨嶺隧道2號(hào)斜井監(jiān)測(cè)段支護(hù)參數(shù)Table 1 Support parameters of monitoring section ofthe No. 2 Slanting shaft

圖3 監(jiān)控量測(cè)測(cè)點(diǎn)布置Fig.3 Monitoring point arrangement

2 雙層支護(hù)結(jié)構(gòu)變形特征

監(jiān)測(cè)段選擇3個(gè)斷面對(duì)隧道的拱部下沉進(jìn)行監(jiān)測(cè)，限于篇幅所限，選擇里程樁號(hào)為K1+714的斷面呈現(xiàn)2號(hào)斜井初期支護(hù)變形特征。測(cè)點(diǎn)位置包括拱頂、左右拱腰、上臺(tái)階左右拱腳以及中臺(tái)階左右拱腳。時(shí)態(tài)曲線如圖4、圖5所示。

由圖4可知，監(jiān)測(cè)斷面沉降變形主要分為四個(gè)階段。第一階段為急劇變形階段，該階段為上中臺(tái)階開挖階段，沉降增長(zhǎng)快，持續(xù)時(shí)間大致為7 d；第二階段為持續(xù)增長(zhǎng)階段，本階段包括下臺(tái)階開挖后至內(nèi)層鋼架施作，該階段沉降變形增長(zhǎng)速率減緩，持續(xù)時(shí)間大致為5 d；第三階段為緩慢增長(zhǎng)階段，本階段為內(nèi)層鋼架施作到仰拱施作階段，該階段沉降變形增長(zhǎng)速率趨于穩(wěn)定，持續(xù)時(shí)間大致為10 d，第四階段為仰拱施作階段，沉降變形速率逐漸減少至趨于穩(wěn)定。綜合來(lái)看，沉降變形均表現(xiàn)為隧道左側(cè)沉降值大于右側(cè)沉降，左拱腰處沉降變形最大，最大沉降為28.3 cm，小于預(yù)留變形量50 cm，可見預(yù)留變形量過大。此外，不同施工步序引起的初期支護(hù)豎向沉降的比例不同，中臺(tái)階開挖對(duì)圍巖豎向變形影響最大，階段內(nèi)變形值約占最終監(jiān)測(cè)值的40%。

圖4 K1+714斷面累計(jì)沉降時(shí)態(tài)曲線Fig.4 Cumulative settlement temporal curve of K1+714 section

圖5 K1+714斷面累計(jì)收斂時(shí)態(tài)曲線Fig.5 Cumulative convergence temporal curve of K1+714 section

由收斂時(shí)態(tài)曲線(圖5)可知，監(jiān)測(cè)斷面水平收斂均表現(xiàn)為隨時(shí)間及施工工序而逐漸增大至趨于穩(wěn)定，與沉降時(shí)態(tài)曲線呈現(xiàn)的規(guī)律基本相同，在下臺(tái)階開挖前，收斂增長(zhǎng)較快，內(nèi)層鋼架施作后增長(zhǎng)變緩，仰拱施作后隧道整體趨于穩(wěn)定狀態(tài)；隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大收斂為21.1 cm，小于預(yù)留變形50 cm。

研究發(fā)現(xiàn)，隧道斷面變形特征為左幫變形較右?guī)痛?，其變形破壞機(jī)理如下：如圖6所示的單元體A、B、C，分別代表隧道斷面左幫一點(diǎn)、右?guī)鸵稽c(diǎn)和近端一點(diǎn)。由于隧道鈣硅質(zhì)砂質(zhì)板巖和碳質(zhì)千枚巖呈薄層、局部為中厚層狀互層組合，層間黏聚力薄弱，類似于薄板疊放，左幫A點(diǎn)巖體的層理作用處于受拉狀態(tài)，受拉應(yīng)力作用；B點(diǎn)由于上覆巖層作用，多數(shù)處于受壓狀態(tài)，受壓應(yīng)力作用；而C點(diǎn)位于斷面近端，處于隧道開挖后的三向受力狀態(tài)。由于巖石抗壓強(qiáng)度約為抗拉強(qiáng)度的10倍左右，即巖石抗拉不抗壓，且A點(diǎn)受拉應(yīng)力作用。因此，A點(diǎn)極易變形，即造成隧道斷面左幫變形嚴(yán)重。各單元受力分析如圖7所示。

圖6 單元體位置 Fig.6 Unit position

圖7 各單元體受力示意Fig.7 Stress diagram of each unit

3 初期支護(hù)不同施作時(shí)機(jī)下支護(hù)效果對(duì)比分析

為分析初期支護(hù)不同施作時(shí)間下支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力響應(yīng)，優(yōu)化內(nèi)層初期支護(hù)的施作時(shí)機(jī)，參考規(guī)范[11]及地質(zhì)資料建立數(shù)值模型，進(jìn)行進(jìn)一步分析。

3.1 計(jì)算模型

監(jiān)測(cè)斷面初期支護(hù)外層使用I20a工字鋼，設(shè)計(jì)噴射混凝土厚28 cm，內(nèi)層鋼架采用HW175型鋼鋼架，設(shè)計(jì)噴射混凝土厚25 cm，縱向間距均為60 cm。隧道開挖寬12. 86 m，高10.37 m，仰拱高度1.1 m，考慮到空間效應(yīng)和計(jì)算效率的影響[12-13]，建模時(shí)左右兩側(cè)分別取50 m，上下方取45 m，模型縱向長(zhǎng)30 m，開挖進(jìn)尺1.5 m。左右兩側(cè)界面施加水平方向約束，底面施加豎直方向約束，初始地應(yīng)力僅考慮自重應(yīng)力的影響。視圍巖為理想彈塑性材料，服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，支護(hù)和襯砌結(jié)構(gòu)采用彈性模型，且均采用平面單元，鎖腳錨管采用桿單元模擬。有限元模型如圖8所示。

以K1+714斷面揭露的掌子面圍巖為基準(zhǔn)選取圍巖力學(xué)參數(shù)，通過等效折算[14]的方式將鋼架彈性模量折算給噴射混凝土，兩者視為整體共同承載圍巖壓力。同時(shí)，將超前小導(dǎo)管支護(hù)范圍內(nèi)的圍巖黏聚力、內(nèi)摩擦角提高15%，模擬打設(shè)超前小導(dǎo)管而形成的加固區(qū)，圍巖加固區(qū)厚度按0.6 m計(jì)。模型各單元物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

圖8 三維實(shí)體有限元模型Fig.8 3-D finite element models

表2 模型各單元物理力學(xué)參數(shù)取值

3.2 模擬方案

考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工特點(diǎn)，內(nèi)層初期支護(hù)的施作時(shí)機(jī)采用上臺(tái)階架立的鋼架榀數(shù)來(lái)表征，本次模擬對(duì)比了四種支護(hù)時(shí)機(jī)方案，各方案支護(hù)參數(shù)見表3。

表3 數(shù)值模擬方案

3.3 模擬結(jié)果準(zhǔn)確性驗(yàn)證

因方案3與實(shí)際施工中開挖步序一致，選取模擬方案3得到的拱頂沉降值和上臺(tái)階拱腳處水平收斂值與現(xiàn)場(chǎng)K1+714斷面實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，為避免邊界效應(yīng)影響，取y=9 m斷面處的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)果見圖9、圖10和表4。為和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)做出對(duì)比分析，圖表中位移均不考慮巖體開挖前的位移。

由表4可知，模擬計(jì)算值略小于實(shí)測(cè)值，而變形規(guī)律與實(shí)測(cè)變形規(guī)律基本一致，這表示本次數(shù)值模擬建立的模型能在一定程度上反映木寨嶺隧道實(shí)際的變形、受力規(guī)律，因此可認(rèn)為該模型滿足要求，真實(shí)可靠。

圖9 拱頂處沉降對(duì)比Fig.9 Settlement contrast at the vault

圖10 上臺(tái)階拱腳處水平收斂對(duì)比Fig.10 Horizontal convergence contrast at skewback of upper step

表4 模擬變形結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

3.4 不同施作時(shí)機(jī)下支護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律

通過圖11可知，2號(hào)斜井施工過程中，隧道拱頂約1.5倍洞徑，仰拱底部約1倍洞徑范圍內(nèi)是發(fā)生豎向位移的主要區(qū)域，豎向位移主要集中在左右拱腰及仰拱左右側(cè)。通過圖12可知，隧道兩側(cè)0.3倍洞徑范圍內(nèi)是發(fā)生水平收斂的主要區(qū)域，水平收斂主要集中在拱腳和邊墻處。上臺(tái)階內(nèi)外層初支同時(shí)施作時(shí)(方案1)拱頂累計(jì)下沉為9.3 cm，仰拱隆起達(dá)18.5 cm，兩點(diǎn)間水平收斂最大值達(dá)到23.8 cm。

由表5知，4種方案的隧道支護(hù)參數(shù)完全相同，但各關(guān)鍵點(diǎn)的變形卻存在顯著差異?？梢?，內(nèi)層初期支護(hù)的施作時(shí)機(jī)至關(guān)重要。從控制變形角度出發(fā)，內(nèi)層初期支護(hù)的施作越早其變形控制效果越好。相較于方案4的情況，方案1的拱頂下沉降幅達(dá)52.1%，各收斂分別降低了38.7%、53.3%和26.1%。通過對(duì)4種方案數(shù)值模擬，可以看出隧道水平收斂一般大于拱頂沉降，且隨著內(nèi)層初期支護(hù)施作的滯后，水平收斂的變形區(qū)域逐漸向邊墻轉(zhuǎn)移。

圖11 內(nèi)外層初期支護(hù)同時(shí)施作時(shí)豎向位移Fig.11 Vertical displacement of inner and outer initial support in simultaneous construction

圖12 內(nèi)外層初期支護(hù)同時(shí)施作時(shí)水平收斂Fig.12 Horizontal convergence of inner and outer initial support in simultaneous construction

表5 內(nèi)層初期支護(hù)不同施作時(shí)間下各關(guān)鍵點(diǎn)位移對(duì)比分析

3.5 不同施作時(shí)機(jī)下支護(hù)結(jié)構(gòu)受力規(guī)律

選擇斷面上5個(gè)特征點(diǎn)作為統(tǒng)計(jì)點(diǎn)，分別為拱頂、上臺(tái)階左右拱腳、中臺(tái)階左右拱腳。將4種方案下的外層噴射混凝土第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力數(shù)值作對(duì)比，來(lái)判斷隧道的受力情況。4種方案下的主應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果見表6、表7。

由表6、表7可知，兩層初期支護(hù)施作間隔時(shí)間越長(zhǎng)，初期支護(hù)所受主應(yīng)力越大。方案2、3、4開挖支護(hù)時(shí)隧道的受力情況類似，數(shù)值較為接近，同時(shí)施作時(shí)(方案1)隧道主應(yīng)力明顯大于其他方案的應(yīng)力，這說(shuō)明同時(shí)施作時(shí)圍巖的應(yīng)力釋放較少，圍巖荷載得不到充分釋放，支護(hù)結(jié)構(gòu)承受較大的形變壓力?；谀菊瘞X隧道2號(hào)斜井地質(zhì)條件，不建議采用內(nèi)外層初期支護(hù)同時(shí)施作的方式進(jìn)行施工。

表6 各方案第三主應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表7 各方案第一主應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 結(jié)論

通過對(duì)木寨嶺隧道2號(hào)斜井內(nèi)層初期支護(hù)不同施作時(shí)間下支護(hù)變形收斂情況及外層噴射混凝土應(yīng)力對(duì)比分析得出以下結(jié)論。

(1)通過數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)模擬計(jì)算值略小于實(shí)測(cè)值，而變形規(guī)律與實(shí)測(cè)變形規(guī)律基本一致。證實(shí)此數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，通過模擬得到的變形規(guī)律可以為類似工程提供參考。

(1)由支護(hù)結(jié)構(gòu)變形量測(cè)結(jié)果可知，內(nèi)層初期支護(hù)的施作越早其變形控制效果越好。相比方案4的情況，方案1的拱頂下沉降幅達(dá)52.1%，各收斂值分別降低了38.7%、53.3%和26.1%。

(2)由支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知，兩層初期支護(hù)間隔越大，外層初期支護(hù)所受應(yīng)力越大。方案2、3、4開挖支護(hù)下隧道的受力情況類似，數(shù)值較為接近，方案1情況下隧道主應(yīng)力值明顯大于其他方案的應(yīng)力，說(shuō)明同時(shí)施作時(shí)雙層初期支護(hù)時(shí)圍巖的應(yīng)力釋放較少，圍巖荷載得不到充分釋放，支護(hù)結(jié)構(gòu)承受較大的形變壓力。從釋放圍巖應(yīng)力角度出發(fā)，內(nèi)層初期支護(hù)的施作不宜過早。

總的來(lái)說(shuō)，圍巖狀況在很大程度上決定大變形段內(nèi)層初期支護(hù)的施作時(shí)間，例如當(dāng)圍巖條件較好時(shí)，內(nèi)層初期支護(hù)可以較晚地施作，這樣可以讓部分圍巖應(yīng)力釋放，符合新奧法思想，保證內(nèi)層初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性?；谀菊瘞X公路隧道2號(hào)斜井圍巖條件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)果，內(nèi)層初期支護(hù)在上臺(tái)階鋼架施作6～12榀間施作最適宜。