公路隧道大變形控制及合理支護形式現(xiàn)場試驗研究

秦晉芳

(山西長治公路勘察設計院有限公司,山西 長治 046000)

1 工程概況

隧道工程全長18.21 km,為雙洞單線分離式隧道,斜井設置有8座。該隧道最小埋深為28 m,最大埋深720 m。存在較高的地應力,根據(jù)水壓致裂法測得的試驗數(shù)據(jù),試驗段內(nèi)最大水平主應力為18 MPa,最小水平主應力為10 MPa,屬高地應力區(qū)域。

圍巖等級主要以Ⅳ～Ⅴ級圍巖為主,層厚在10～30 cm范圍內(nèi),為全斷面碳質(zhì)板巖,呈現(xiàn)節(jié)理狀發(fā)育,節(jié)理間距約為8～11 cm之間。隧道試驗段圍巖的力學參數(shù)如表1所示。

表1 試驗段圍巖基本力學參數(shù)

2 不同支護形式現(xiàn)場試驗

在實際施工過程中,由于高地應力的作用,出現(xiàn)了多次病害,如混凝土噴層開裂、鋼拱架扭曲、支護侵限等。通過對隧道斷面形式進行優(yōu)化以及使用更高質(zhì)量的鋼架等,對隧道大變形的控制效果并不是十分顯著。對高地應力條件下的軟巖隧道而言,由于地應力作用較為持久,通過提高支護強度手段無法完全解決圍巖變形問題,還加大了施工的成本。因此,通過試驗等手段尋找一種更有效的變形控制措施是非常有必要的。

2.1 試驗方案

結(jié)合實際工程經(jīng)驗和前人的相關研究,選定了掌子面超前支護的方法進行現(xiàn)場試驗測試。根據(jù)超前應力釋放規(guī)律,進行了超前鉆孔和超前導洞應力控制試驗。設置了對比試驗段,以對比分析超前鉆孔和超前導洞的應力控制效果。試驗方案的支護參數(shù)如表2所示。

表2 各試驗段的支護參數(shù)

2.2 監(jiān)測點布置

為對比分析超前鉆孔和超前導洞的應力控制效果,在各試驗段均設立一個監(jiān)測斷面。監(jiān)測點布置位置包括拱頂、左拱腰、右拱腰、左上邊墻、右上邊墻、左下邊墻、右下邊墻以及左右鋪底,分別對拱頂沉降、水平收斂、圍巖壓力和鋼架應力進行了監(jiān)測。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 隧道變形

隨著時間的增加,各試驗段水平收斂值出現(xiàn)先增加后穩(wěn)定的變化趨勢,在監(jiān)測時間10 d前為增加階段,10 d后各試驗段水平收斂值基本穩(wěn)定。相比較而言,對比段即原支護方案工況下的水平收斂值最大,且增長階段持續(xù)時間最長,在增長段前期超前鉆孔段的水平收斂值與對比段較為接近。變形控制表現(xiàn)最好的為超前導孔試驗段,其增長速度均較為平緩,且最終的水平收斂值數(shù)值較小。不同試驗段內(nèi)的遂道水平收斂變形情況見圖1。

圖1 水平收斂

在對比試驗段,隨著時間的增長,拱頂沉降持續(xù)增加,曲線斜率即增加速度持續(xù)放緩,拱頂沉降數(shù)值表現(xiàn)最大。相比較而言,超前鉆孔試驗段和超前導孔試驗段的數(shù)值較小,且隨時間變化未出現(xiàn)明顯的增長趨勢,表現(xiàn)為持續(xù)上下波動情況。不同試驗段的拱頂沉降見圖2。

圖2 拱頂沉降

整體而言,超前導孔段的水平收斂和拱頂沉降的控制效果均為最優(yōu),其次為超前鉆孔試驗段,其變形控制效果略遜色于超前導孔方案。與傳統(tǒng)支護方案相比,該兩種支護方案均降低了鋼架強度,增大了鋼架的間距,不僅體現(xiàn)了良好的變形控制效果,并且節(jié)省了施工成本。

3.2 鋼架應力

各試驗段鋼架應力時程曲線對比情況。對比試驗段不同位置處的鋼架應力時程曲線;超前鉆孔試驗段不同位置處的鋼架應力時程曲線;超前導孔段不同位置處的鋼架應力時程曲線。

可以看出,隨著時間的增加,各位置處的鋼架應力數(shù)值大小整體上出現(xiàn)增加趨勢,呈現(xiàn)鋼架應力值愈演愈烈的態(tài)勢。應力值最大的為右拱腰位置處,其峰值為186.23 MPa。左拱腰應力大小跟右拱腰較為接近,且在試驗前期表現(xiàn)出了更大的鋼架應力,達到了146.42 MPa。鋼架應力值最小的為左右鋪底位置處,其末端的峰值應力值為123.67 MPa。

可以看出,隨著時間的增加,各位置處的鋼架應力數(shù)值大小整體上出現(xiàn)增加趨勢,但相較于對比段而言,曲線更加平緩,試驗后期階段各位置處鋼架應力值接近平穩(wěn)狀態(tài),且應力波動較小。各位置相比較而言,最大應力值亦出現(xiàn)在左右拱腰位置附近,其最大應力為148.75 MPa,相對于對比段而言,降低效果明顯。

可以看出,各位置鋼架應力增長階段僅在試驗前期,較為短暫,后基本趨于穩(wěn)定,且右拱腰位置處的鋼架應力在試驗后期出現(xiàn)突減。相比于對比段和超前鉆孔試驗段,超前導孔試驗段的應力隨時間變化趨勢更為穩(wěn)定,應力峰值均為右拱腰處,且數(shù)值與超前鉆孔試驗段較為接近。

3.3 圍巖應力

不同位置處的圍巖壓力的應力值時程曲線。對比試驗段圍巖壓力變化情況;超前鉆孔試驗段圍巖壓力變化情況;超前導孔試驗段圍巖壓力變化情況。

可以看出,隨著時間的增長,各位置處的圍巖壓力呈現(xiàn)增加態(tài)勢,在試驗前期增加速度較快,其余階段均較為平緩。對比段圍巖壓力值最大的發(fā)生在左拱腰位置處,其圍巖壓力峰值約為1.67 MPa,遠高于其余位置處的圍巖壓力。拱頂位置處的圍巖壓力最小,其峰值約為0.96 MPa。

可以看出,超前鉆孔試驗段各位置處的圍巖壓力隨時間增加整體上呈現(xiàn)增長趨勢。不同位置之間相比,超前鉆孔段圍巖壓力峰值出現(xiàn)在左下邊墻位置處,峰值圍巖壓力大小為0.38 MPa,遠低于對比段的圍巖壓力峰值。與此同時,各位置處圍巖壓力差距亦無對比段如此之大,可見通過超前鉆孔的方式能有效改善圍巖壓力分布情況,從而達到控制變形的目的。

可以看出,超前導孔試驗段圍巖壓力峰值主要發(fā)生在拱頂和右上邊墻位置處,圍巖壓力峰值大小約為0.39 MPa,與鉆孔試驗段圍巖壓力峰值相近。相較于超前鉆孔試驗段,超前導孔試驗段圍巖壓力試驗后期更為平穩(wěn),且其余位置處的圍巖壓力更小?？梢?從圍巖壓力大小而言,超前導孔方式表現(xiàn)更為優(yōu)異。

4 結(jié) 論

依托實際公路隧道工程案例,針對當前對隧道大變形控制措施不足的情況,選定了掌子面超前支護的方法進行現(xiàn)場試驗測試。根據(jù)超前應力釋放規(guī)律,進行了超前鉆孔和超前導洞應力控制試驗。設置了對比試驗段,以對比分析超前鉆孔和超前導洞的應力控制效果。得出主要結(jié)論如下。

(1)超前導孔段的水平收斂和拱頂沉降的控制效果均為最優(yōu)。與傳統(tǒng)支護方案相比,掌子面超前支護降低了鋼架強度,增大了鋼架的間距,不僅體現(xiàn)了良好的變形控制效果,并且節(jié)省了施工成本。

(2)三種支護方案鋼架應力峰值均出現(xiàn)在拱腰附近,相較于傳統(tǒng)方案,掌子面超前支護工況下的鋼架應力峰值較小,且隨時間變化無明顯增長,表現(xiàn)更為穩(wěn)定。

(3)對比段圍巖壓力值最大的發(fā)生在左拱腰位置處,其圍巖壓力峰值約為1.67 MPa。超前鉆孔段圍巖壓力峰值出現(xiàn)在左下邊墻位置處,超前導孔試驗段圍巖壓力峰值主要發(fā)生在拱頂和右上邊墻位置處,圍巖壓力峰值均未超過0.4 MPa,降低效果非常顯著,且改善了圍巖壓力的分布情況,使其分布更為均勻。