基于軟巖變形機(jī)理下隧道差異預(yù)留變形量技術(shù)研究

郭成剛

中鐵十七局集團(tuán)第二工程有限公司 陜西 西安 710043

引言

隧道工程發(fā)展至今，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及工程師們對(duì)于軟巖隧道變形控制技術(shù)的研究取得了大量的成果[1-5]。從已有的研究成果中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于軟巖隧道變形控制技術(shù)的研究主要是通過對(duì)開挖方式和支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以達(dá)到控制圍巖變形的結(jié)果。然而，在普遍采用臺(tái)階法開挖的軟巖隧道的施工過程中存在這樣的問題[6]：由于臺(tái)階法分部開挖的特點(diǎn)，各臺(tái)階同環(huán)鋼架施工存在時(shí)間差，因而導(dǎo)致鋼架變形不同步，造成的結(jié)果是在安裝下一臺(tái)階初支鋼架時(shí)上一臺(tái)階鋼架已發(fā)生一定的變形，使鋼架之間不能順接，無法按設(shè)計(jì)進(jìn)行支護(hù)，并且在初期支護(hù)封閉成環(huán)后拱腳連接處會(huì)成為受力薄弱點(diǎn)，極易由此引發(fā)初期支護(hù)變形侵限。如果這個(gè)問題不能得到解決，通過開挖方式和支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化來控制變形的研究成果將變得沒有意義。本文以白石頭隧道為工程依托，介紹一種基于拱架差異預(yù)留變形量的軟巖隧道變形控制技術(shù)，為軟巖隧道施工提供參考。

1 工程概況及存在的問題

1.1 工程概況

大臨鐵路白石頭隧道位于臨滄市云縣南部頭道水鄉(xiāng)，祥臨二級(jí)公路東側(cè)，隧道全長(zhǎng)9375m，共設(shè)置三座斜井。圍巖巖性為薄層狀炭質(zhì)片巖，間夾方解石脈、絹云片巖，巖質(zhì)松軟，微張節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體極軟弱極破碎，受構(gòu)造影響，揉皺較發(fā)育，鏡面擦痕多見，掌子面潮濕，右側(cè)滴水狀。圍巖級(jí)別以V級(jí)圍巖為主，施工過程中圍巖變形大，最大單側(cè)變形可達(dá)1.6m，易掉塊、溜塌，開挖方式采用三臺(tái)階開挖法，見圖1。

圖1 三臺(tái)階開挖工法示意圖

1.2 存在的問題

在隧道施工中，圍巖的變形包括先行變形、初始變形和量測(cè)變形[1]，軟巖隧道變形控制技術(shù)最重要的就是對(duì)量測(cè)變形的控制。所謂量測(cè)變形，就是在拱架安裝后量測(cè)的圍巖、拱架的變形。在隧道開挖過程中，通常要在設(shè)計(jì)斷面的基礎(chǔ)上擴(kuò)挖固定的距離作為預(yù)留變形量，如圖2。而在三臺(tái)階開挖法施工中，由于上、中、下臺(tái)階分步施工存在時(shí)間差，中臺(tái)階開挖時(shí)上臺(tái)階圍巖變形已導(dǎo)致拱架已經(jīng)產(chǎn)生一定的變形，導(dǎo)致同環(huán)拱架無法順接，這樣的現(xiàn)象不僅僅出現(xiàn)在白石頭隧道，在國(guó)內(nèi)外隧道工程中比比皆是[6]。如果強(qiáng)行連接拱架，連接處勢(shì)必出現(xiàn)張口連接不順，形成支護(hù)結(jié)構(gòu)受力薄弱點(diǎn)，如圖3，這將極大的削弱支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力性能，極易造成支護(hù)結(jié)構(gòu)變形侵限，甚至導(dǎo)致不可估量的安全事故，如圖4。

圖2 固定預(yù)留變形量斷面圖

圖3 不同步變形導(dǎo)致拱架無法順接

圖4 初支鋼架無法順接造成支護(hù)結(jié)構(gòu)變形侵限

2 差異預(yù)留變形量技術(shù)

2.1 準(zhǔn)確測(cè)量附加變形

準(zhǔn)確、及時(shí)的量測(cè)是新奧法隧道施工的關(guān)鍵。本文介紹的差異預(yù)留變形量技術(shù)同樣需要準(zhǔn)確的變形量測(cè)數(shù)據(jù)作為支撐。在隧道的前期施工中，對(duì)各臺(tái)階拱腳連接處拱架的具體變形情況進(jìn)行量測(cè)并記錄，計(jì)算自鋼架安裝完成至下一臺(tái)階開挖后的拱腳累計(jì)變形，把該變形量作為附加變形。在設(shè)置拱腳預(yù)留變形量時(shí)，把附加變形量與設(shè)計(jì)固定預(yù)留變形量之和作為該位置的實(shí)際預(yù)留變形量，這就形成的差異預(yù)留變形量。附加變形量分為水平附加變形量εh和豎直附加變形量εv，如圖5。

圖5 拱架差異預(yù)留變形量示意圖

2.2 拱架制作

由于附加變形的存在，拱架在制作時(shí)應(yīng)在設(shè)計(jì)拱架的基礎(chǔ)上將拱腳外擴(kuò)一定的距離，從而確保拱架在經(jīng)歷附加變形后拱腳處順接。拱腳分別在水平方向和豎直方向外擴(kuò)εh、εv的同時(shí)還必須保證拱架上部與上一節(jié)拱架的順接，因此，拱架的曲率和半徑也必將改變。由于拱架的長(zhǎng)度保持不變，則確定拱架的半徑成為拱架制作的關(guān)鍵。實(shí)質(zhì)上，當(dāng)把拱架看成是一條弧線的話，這條弧線的半徑是可以通過解析公式與計(jì)算機(jī)軟件結(jié)合來進(jìn)行精確求解的。而我們從白石隧道長(zhǎng)期的工程經(jīng)驗(yàn)得知，當(dāng)R2=1.5R1時(shí)（R1、R2分別為拱頂拱架分節(jié)和拱頂拱架兩側(cè)分節(jié)半徑，三臺(tái)階法上臺(tái)階根據(jù)矢跨比、拱架重量一般分三節(jié)為宜），基本可以保證拱架在經(jīng)歷附加變形后拱腳處順接，如圖6所示。白石頭隧道現(xiàn)場(chǎng)施工效果見圖7。

圖6 拱架差異預(yù)留變形量拱腳順接

圖7 拱架差異預(yù)留變形量施工效果

2.3 施工要點(diǎn)

2.3.1 加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，軟弱圍巖變化快，準(zhǔn)確的量測(cè)數(shù)據(jù)是差異預(yù)留變形量的基礎(chǔ)。

2.3.2 臺(tái)階法開挖的臺(tái)階高度控制在2.5～3m，盡可能地縮短支護(hù)結(jié)構(gòu)閉合時(shí)間，快速成環(huán)，最大限度的減少圍巖暴漏時(shí)間，有利于控制圍巖變形。

2.3.3 施工過程中如果出現(xiàn)了拱架連接張口的情況，說明圍巖發(fā)生了變化，變形量增大或是減小了，那就必須進(jìn)行拱架加工調(diào)整，所以一次性加工拱架數(shù)量不能過多以不超過15m左右為宜，y以便及時(shí)調(diào)整預(yù)留了設(shè)置，這樣在調(diào)整差異預(yù)留量時(shí)不至于報(bào)廢上一批拱架。

2.3.4 如果出現(xiàn)變形量增大，應(yīng)加強(qiáng)初期支護(hù)，提高設(shè)計(jì)參數(shù)。加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)后再結(jié)合差異預(yù)留變形量，對(duì)變形控制更有利，如果一味的通過加大差異預(yù)留變形量來調(diào)整，會(huì)增加拱架的加工和安裝難度。

2.3.5 嚴(yán)格控制拱架加工和安裝的精度。

3 結(jié)束語

預(yù)留變形量的合理確定受圍巖條件、施工工法及支護(hù)結(jié)構(gòu)等眾多因素的影響。采用臺(tái)階法施工必然會(huì)造成臺(tái)階處拱腳變形內(nèi)移收斂，一般圍巖條件下，內(nèi)移量不大，對(duì)施工影響較小而對(duì)于軟巖隧道，拱腳內(nèi)移量非常大，這樣勢(shì)必造成拱架連接不圓順，受力不均，形成變形突破口。所以要消除工序的影響，應(yīng)采取分臺(tái)階差異預(yù)留變形量。所以在制作鋼架時(shí)要根據(jù)時(shí)間差造成變形量不同去設(shè)計(jì)鋼架的預(yù)留量。通過拱架差異預(yù)留量的設(shè)置，一定程度上解決了拱架安裝問題。但是差異預(yù)留變形量只能作為一個(gè)輔助措施使用，還必須通過加固圍巖，加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)等措施來最大限度的控制圍巖變形，才能使差異預(yù)留變形量應(yīng)用更加有效果。