隧道穿越擠壓性軟巖支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究?

張 帥，劉世林，薛江龍，李慶鑫，黃 猛

（1.中交一公局橋隧工程有限公司，湖南長沙 410000； 2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，鐵路、公路等基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，山地區(qū)域隧道日益增多，在穿越斷層破碎帶過程中，出現(xiàn)一大批由于板塊運(yùn)動作用導(dǎo)致的擠壓性軟巖大變形隧道，典型的有木寨嶺公路隧道、烏鞘嶺鐵路隧道、杜家山隧道、堡鎮(zhèn)鐵路隧道等［1-6］。 擠壓性軟巖在施工過程中一般具有地應(yīng)力高、圍巖級別較高、巖體巖質(zhì)弱、變形量大、變形速率大、持續(xù)時間長等特征，具體表現(xiàn)為掌子面前方圍巖滑塌、初期支護(hù)侵限、鋼拱架、擠壓嚴(yán)重扭曲變形、初期支護(hù)表面開裂或脫落等破壞現(xiàn)象［7］，嚴(yán)重影響施工安全與進(jìn)度，是施工過程中的難點(diǎn)與重點(diǎn)。 為了能夠安全、快速穿越擠壓性軟弱圍巖及其影響區(qū)，諸多學(xué)者做了系統(tǒng)的相關(guān)研究，包括施工工法比選、支護(hù)體系優(yōu)化等。 其中，針對支護(hù)體系優(yōu)化的研究眾多，并取得了較多成果。

李國良等［8］依托鄭西高鐵高橋隧道小角度下穿既有南同蒲鐵路施工實踐，通過試驗研究取得大斷面黃土隧道臺階法雙層支護(hù)體系的力學(xué)特性及施工關(guān)鍵技術(shù)；司劍鈞［9］基于穿越炭質(zhì)千枚巖軟巖極高應(yīng)力地層蘭渝鐵路兩水隧道，開展雙層初期支護(hù)試驗，研究發(fā)現(xiàn)雙層初期支護(hù)變形較小，初期支護(hù)、二襯應(yīng)力均未超過材料的容許應(yīng)力；鐘祺等［10］以金盆灣軟巖隧道為背景提出了“三臺階法”分部施作雙層初期支護(hù)技術(shù)，成功控制了隧道沉降和收斂變形；張德華等［11］采用現(xiàn)場試驗以及數(shù)值方法對西成客運(yùn)專線阜川隧道炭質(zhì)頁巖段進(jìn)行雙層支護(hù)研究，給出了雙層支護(hù)的合理形式；韓現(xiàn)民等［12］基于雁門關(guān)隧道擠壓性圍巖的工程特性，采用有限元方法對弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土三臺階七步開挖法雙層支護(hù)力學(xué)效應(yīng)等進(jìn)行了研究；鐘友江等［13］依托成蘭鐵路云屯堡隧道高地應(yīng)力軟巖隧道工程，分析和研究了雙層初期支護(hù)各層鋼拱架布設(shè)方式和第2 層初期支護(hù)施作時機(jī)；馬杲宇等［14］以成蘭鐵路茂縣隧道為依托，采用數(shù)值模擬對單層初期支護(hù)和雙層初期支護(hù)的斷面開展研究，結(jié)果表明，采用雙層初期支護(hù)工法能顯著降低截面內(nèi)力，提高截面的安全系數(shù)；佟曉冬等［15］采用現(xiàn)場試驗與理論分析相結(jié)合的方法，研究了軟巖隧道初期支護(hù)中鎖腳錨桿的優(yōu)化措施及支護(hù)效果，提出在采用三臺階七步開挖法施工時，要特別重視第3 步開挖時的支護(hù)。

綜上所述，雖然針對軟巖大變形隧道雙層初期支護(hù)的相關(guān)研究較多，但是雙層初期支護(hù)設(shè)計理論等方面的研究依然不夠成熟，尤其缺乏各層初期支護(hù)厚度、第2 層初期支護(hù)施作時間等關(guān)鍵技術(shù)的相關(guān)研究。 本文以東天山穿越F2斷層破碎帶軟巖大變形特長公路隧道工程為研究對象，綜合采用數(shù)值計算、現(xiàn)場監(jiān)測等手段，對雙層初期支護(hù)中的各層初期支護(hù)厚度以及第2 層初期支護(hù)施作時機(jī)等支護(hù)參數(shù)展開優(yōu)化研究，旨在為軟巖大變形隧道的安全、快速、經(jīng)濟(jì)施工提供一定的技術(shù)支持。

1 工程概況

1.1 項目概況

東天山特長公路隧道是G575 巴哈公路建設(shè)控制性工程，項目位于新疆維吾爾自治區(qū)東部哈密境內(nèi)，隧道全長11 769.5m，最大埋深約1 216m，采用分離式雙向四車道，單向行車。 隧道右洞起訖樁號為YK8＋783—YK20＋558，長11.775km，左洞起訖樁號為ZK8 ＋809—ZK20 ＋573，長11.764km。 設(shè)置2處斜井，1 號斜井起止樁號為YK12 ＋570—YK12 ＋750，全長2.5km，2 號斜井起止樁號為ZK16＋900—ZK17＋080，全長1.5km。 隧道平面如圖1 所示。

圖1 隧道平面（單位：km）Fig.1 Tunnel plan （unit：km）

1.2 地質(zhì)特征

東天山隧道穿越F2斷層，該斷層位于巴里坤塔格北麓，斷面略具波狀，走向292°，傾向南傾，傾角65°～80°，F(xiàn)2斷層為逆斷層，主要由糜棱巖、片狀巖及巖塊等組成，膠結(jié)較為緊密，斷層交界面彎曲且接觸粗糙，該斷裂帶巖體破碎，斷裂寬度幾十米至數(shù)百米不等，與隧道相交處斷層破碎帶約620m。 隧道穿越F2斷層破碎帶涉及主要地層為斷裂帶兩側(cè)泥盆系中統(tǒng)大南湖組第五亞組地層，巖性主要為凝灰質(zhì)砂巖等，層狀結(jié)構(gòu)，巖體較破碎，裂隙發(fā)育。 F2斷層大地電磁反演如圖2 所示。

圖2 F2 斷層大地電磁反演（單位：m）Fig.2 Magnetotelluric inversion of F2 fault （unit：m）

1.3 施工參數(shù)

隧道穿越F2斷層破碎影響帶Ⅴ級圍巖主要采用SVc 形式復(fù)合式襯砌，具體設(shè)計參數(shù)如圖3 所示。 隧道Ⅴ級圍巖采用三臺階帶仰拱法施工，單次循環(huán)進(jìn)尺0.6～0.8m（一榀拱架），每日2 個循環(huán)，上臺階長度約7m，中臺階長度約30m，仰拱到下臺階的距離為15m，仰拱和二襯同步進(jìn)行。

圖3 SVc 斷面襯砌（單位：cm）Fig.3 SVc section lining（unit：cm）

2 圍巖變形特性及擠壓性判定

2.1 圍巖變形特性

隧道在穿越F2斷層破碎帶施工時，多次發(fā)生大變形情況，主要特征為：圍巖變形量大，變形持續(xù)時間長，支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞形式多樣。

1）初期支護(hù)侵限 右洞K11＋614 斷面變形嚴(yán)重，前期未設(shè)置護(hù)拱，在二襯施作前單側(cè)最大累計變形量達(dá)到了620mm，最小的二襯厚度僅余200mm，如圖4 所示。 不滿足最小二襯截面尺寸，初期支護(hù)侵限嚴(yán)重，需要及時換拱，以保證二襯有足夠的施作空間。

圖4 K11＋614 斷面變形累計曲線Fig.4 Cumulative deformation curve of K11＋614 section

2）鋼拱架破壞 隧道內(nèi)鋼拱架在斷層破碎帶影響下破壞形式多樣，由于隧道拱頂下沉和洞周收斂量較大，會使拱架發(fā)生不同形式的破壞，東天山隧道在穿越F2斷層破碎帶施工時，鋼拱架出現(xiàn)S，Z形不同程度彎折（見圖5），使得鋼拱架的承載力迅速下降。 為保證施工質(zhì)量，必須進(jìn)行換拱作業(yè)，然而換拱作業(yè)將會增加隧道施工風(fēng)險和施工成本。

圖5 隧道初期支護(hù)鋼拱架彎折Fig.5 Bending of steel arch of initial support of tunnel

3）初期支護(hù)混凝土及二襯開裂 穿越斷層破碎帶隧道由于在開挖后應(yīng)力重分布，圍巖整體向隧道內(nèi)部收斂量大，使得隧道整體徑向變形明顯，由于產(chǎn)生過大的收斂變形會造成環(huán)向初期支護(hù)混凝土開裂，隨著徑向收斂進(jìn)一步增加，初期支護(hù)混凝土裂縫進(jìn)一步增大，最終造成初期支護(hù)混凝土剝落、掉塊。 同時，由于隧道變形持續(xù)時間長，二襯作為安全儲備，更加重要的作用是作為承載結(jié)構(gòu)承擔(dān)部分初期支護(hù)與圍巖的變形荷載。

2.2 圍巖擠壓性判定

Q／CR 9512—2019《鐵路擠壓性圍巖隧道技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：擠壓性圍巖評價包括地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、巖石堅硬程度、巖層厚度、巖體完整程度、巖層產(chǎn)狀、水文地質(zhì)條件、初始地應(yīng)力狀態(tài)、不良地質(zhì)、特殊巖土、圍巖分級、變形潛勢等內(nèi)容，并滿足表1所示條件，可判定為擠壓性圍巖。

表1 擠壓性圍巖判定條件Table 1 Determination conditions for compressivesoft rock

對東天山特長公路隧道穿越F2斷層及影響帶區(qū)段圍巖進(jìn)行分析。

1）初始地應(yīng)力狀態(tài) 地應(yīng)力狀態(tài)按巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度RC與巖體最大初始地應(yīng)力σmax比值進(jìn)行判定，當(dāng)RC／σmax＝4 ～7 為高地應(yīng)力，RC／σmax＜4為極高地應(yīng)力。 根據(jù)現(xiàn)場資料，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度RC取20MPa，巖體最大初始地應(yīng)力σmax取隧道原巖應(yīng)力值進(jìn)行荷載施加計算：

式中：γ為巖體重度（kN／m3），取24kN／m3；H為隧道頂部埋深（m），取577m。

計算得RC／σmax＝1.44，故東天山特長公路隧道穿越F2斷層及影響帶區(qū)段屬于極高地應(yīng)力，符合條件。

2）巖石堅硬程度 根據(jù)現(xiàn)場資料巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度RC為20MPa，符合條件。

3）巖層厚度、巖體完整程度 該區(qū)段位于F2斷層破碎帶，節(jié)理裂隙發(fā)育，薄層結(jié)構(gòu)，大地電磁反演顯示該斷層破碎帶低阻異常，說明該斷裂帶巖體破碎，符合條件。綜上所述，東天山特長公路隧道穿越F2斷層及影響帶區(qū)段圍巖同時滿足表1 所示條件，為擠壓性圍巖。

3 東天山隧道雙層支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

針對東天山特長公路隧道穿越F2斷層破碎帶Ⅴ級圍巖施工中的隧道圍巖軟、地應(yīng)力高以及多次出現(xiàn)的初期支護(hù)侵限、鋼拱架彎折、混凝土開裂等問題，單層支護(hù)襯砌已無法保證隧道穩(wěn)定性，特對圍巖支護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，擬定I22b＋I(xiàn)22b 的雙層支護(hù)形式，具體參數(shù)如表2 所示。

通過建立數(shù)值模型分析隧道圍巖變形嚴(yán)重段雙層初期支護(hù)系統(tǒng)在不同厚度組合以及不同支護(hù)時機(jī)條件下對隧道拱頂下沉與洞周收斂的影響。數(shù)值計算過程中，開挖后在地層應(yīng)力釋放前立即設(shè)置第1 層初期支護(hù)，并認(rèn)為初期支護(hù)承擔(dān)全部地應(yīng)力作用。 結(jié)合圍巖等級和隧道斷面尺寸，模型邊界各取5 倍開挖洞徑，隧道縱深取45m，隧道模型計算尺寸為120m×120m×45m，上邊界施加均布荷載模擬實際上部土層重力方向的荷載。 邊界條件采用位移邊界條件。 計算模型如圖6 所示。

圖6 數(shù)值計算模型（單位：m）Fig.6 Numerical calculation model（unit：m）

根據(jù)《東天山隧道地應(yīng)力測試研究報告》，側(cè)壓力系數(shù)λ為1.2～1.6，本文取λ＝1.5 模擬水平方向的地應(yīng)力大小，破壞準(zhǔn)則選擇莫爾-庫侖準(zhǔn)則，非線性方程求解。 數(shù)值模型初期支護(hù)選擇I22b 型鋼拱架，采用等剛度加權(quán)平均法對隧道初期支護(hù)進(jìn)行換算，注漿加固層計算參數(shù)取值結(jié)合現(xiàn)場實際使用的注漿材料擬定，如表3 所示。

表3 計算參數(shù)Table 3 Calculation parameters

3.1 不同厚度組合初期支護(hù)對圍巖變形的影響

雙層支護(hù)的作用效應(yīng)并不等同于相同厚度下的單層初期支護(hù)。 為研究雙層支護(hù)體系不同厚度對位移的抑制作用，共設(shè)置4 種工況（見表4）。

表4 不同厚度組合初期支護(hù)計算工況Table 4 Calculation conditions for intial support of different thickness combinations

3.1.1 雙層初期支護(hù)在不同厚度組合下的拱頂下沉

不同厚度組合下的雙層初期支護(hù)拱頂下沉情況如圖7 所示。

圖7 各工況下拱頂下沉曲線Fig.7 Settlement curves of tunnel vault under different working conditions

由圖7 可以看出，4 種工況下的拱頂下沉變化趨勢為S 形，在隧道上臺階掌子面開挖前隧道超前變形量較大，上臺階開挖后隧道拱頂下沉變化速率較大，上臺階第2 層初期支護(hù)施作完成后隧道變形速率開始明顯降低，表明雙層初期支護(hù)系統(tǒng)能減小隧道開挖后的拱頂下沉量。 對比4 種不同厚度組合下隧道拱頂最終下沉量，隨著第1 層初期支護(hù)厚度的增大與第2 層初期支護(hù)厚度的減小，拱頂下沉量也在減小，但幅度不大。

3.1.2 雙層初期支護(hù)在不同厚度組合下洞周收斂為消除模型邊界影響，選取中間斷面，提取初期支護(hù)x方向變形最大點(diǎn)繪制洞周收斂歷時曲線如圖8 所示。

圖8 不同厚度組合下的洞周水平收斂曲線Fig.8 Horizontal convergence curves around the tunnel under different thickness combinations

4 種工況下，中臺階洞周收斂變化規(guī)律基本相似，在中臺階開挖初期支護(hù)施作完成后洞周收斂速率迅速增大，并在一定時間后速率開始變小，中臺階第2 層初期支護(hù)施作后，水平收斂速率進(jìn)一步減小，待仰拱施工完成初期支護(hù)閉合成環(huán)后，洞周收斂趨于穩(wěn)定。

4 種工況下洞周收斂差異明顯，最大、最小水平收斂相差235.11mm，說明雙層初期支護(hù)在抑制洞周水平收斂方面效果較好，且隨著第1 層初期支護(hù)厚度的增大，洞周收斂逐漸減小，說明適當(dāng)增大第1層初期支護(hù)厚度可以有效降低最終的洞周收斂。

對比4 種不同厚度組合下洞周收斂情況，當(dāng)?shù)? 層初期支護(hù)厚度為40cm，第2 層初期支護(hù)厚度為15cm 時，洞周水平收斂最小，但從施工便利性以及鋼拱架的尺寸角度考慮，建議選用第1 層初期支護(hù)厚35cm、第2 層初期支護(hù)厚20cm 的雙層初期支護(hù)。

3.2 第2 層初期支護(hù)不同施作時機(jī)下的圍巖變形

影響雙層初期支護(hù)效果的另一個重要因素是第2 層初期支護(hù)的施作時機(jī)。 由于臺階法受臺階長度的影響，第2 層初期支護(hù)不同施作時機(jī)對圍巖應(yīng)力釋放以及圍巖變形的抑制效果不同，如果施作過早則會導(dǎo)致圍巖釋放不充分、支護(hù)受力過大，如果施作時機(jī)過晚可能會造成初期支護(hù)變形過大，影響第2 層初期支護(hù)作用效果。 為研究隧道穿越F2斷層破碎帶大變形段第2 層初期支護(hù)施作最佳時機(jī)，設(shè)置3 種工況進(jìn)行拱頂下沉以及洞周收斂抑制效果的對比分析研究（見表5）。 數(shù)值計算過程中，第1 層初期支護(hù)在開挖后立即設(shè)置，而第2 層初期支護(hù)的施作時機(jī)分別設(shè)置為中臺階開挖前、下臺階開挖前以及仰拱開挖前，兩者之間的工序間隔時間即為表征2 層初期支護(hù)施作之間的時間因素，由開挖工序決定。

表5 不同施作時機(jī)計算工況Table 5 Calculation of working conditions at different construction times

3.2.1 雙層初期支護(hù)在不同施作時機(jī)下的拱頂下沉

不同施作時機(jī)下雙層初期支護(hù)拱頂下沉情況如圖9 所示。

圖9 第2 層初期支護(hù)不同施作時機(jī)下拱頂下沉Fig.9 Settlement of the tunnel arch of the initial support of the second layer at different construction times

3 種工況下的拱頂沉降曲線形狀一致，在上臺階開挖后，拱頂下沉速率迅速增加，經(jīng)過一段時間后，變形速率開始降低，逐漸趨于平緩，在仰拱開挖初期支護(hù)封閉成環(huán)后變形趨于穩(wěn)定。 3 種工況下的雙層初期支護(hù)對拱頂下沉抑制效果不明顯，當(dāng)上臺階初期支護(hù)在中臺階開挖前施作時位移最小，而在下臺階和仰拱開挖前施作時，拱頂處的應(yīng)力水平趨于穩(wěn)定，此時施作第2 層初期支護(hù)效果不明顯。

3.2.2 雙層初期支護(hù)在不同施作時機(jī)下洞周收斂

不同施作時機(jī)下雙層初期支護(hù)洞周收斂情況如圖10 所示。

圖10 第2 層初期支護(hù)不同施作時機(jī)下洞周收斂Fig.10 Convergence of the initial support of the second layer around the tunnel under different construction times

3 種工況下洞周水平收斂變化基本一致，在中臺階開挖后變形速率開始增大，在仰拱施作完成后變形趨于穩(wěn)定。 洞周收斂最大值與最小值相差49.66mm，差距較大，當(dāng)?shù)? 層初期支護(hù)在中臺階開挖前施作時對洞周收斂抑制效果較好，可見第2 層初期支護(hù)施作時機(jī)越早對洞周收斂的抑制效果越明顯，在隧道變形嚴(yán)重段選擇在中臺階開挖前施作第2 層初期支護(hù)可以有效控制隧道的洞周收斂。

3.3 實測數(shù)據(jù)分析

結(jié)合數(shù)值分析結(jié)果，確定雙層支護(hù)方案。

1）選用第1 層初期支護(hù)厚35cm、第2 層初期支護(hù)厚20cm 的雙層初期支護(hù)。

2）支護(hù)先柔后剛（單側(cè)變形15 ～20cm 支立第2層拱架）、先放后抗，變形嚴(yán)重段在中臺階開挖前施作第2 層初期支護(hù)，鎖腳加強(qiáng)采用5m 長?38 自進(jìn)錨桿，徑向注漿加固變形的松散體，仰拱盡早封閉。

3）初期支護(hù)SVc1 支護(hù)參數(shù)：I22b 間距50cm（雙層連接筋），主洞60 ～80cm 預(yù)留變形量，上臺階2 組鎖腳，1 組5m 長?38 自進(jìn)錨桿，1 組3.5m 長?42 鋼管；中臺階處5m 長?38 自進(jìn)鎖腳錨桿。

4）累計變形至30cm 時進(jìn)行徑向注漿加固，加固拱架背后的松散體，防止變形加劇，注漿以控制壓力為主（0.8MPa），單次注漿量控制為輔（變形量的1／3）。 注漿孔長度為3.5m，水平間距為1.5m，豎向間距為1m，分2 次注漿。

為了驗證上述方案的可行性，對東天山隧道穿越F2斷層破碎帶大變形嚴(yán)重段ZK11＋748 斷面進(jìn)行圍巖變形監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖11 和表6 所示。

表6 支護(hù)效果對比Table 6 Comparison of supporting effect

圖11 ZK11＋748 斷面變形Fig.11 Deformation of ZK11＋748 section

可以看出，采用分時雙層支護(hù)區(qū)段的各觀測位置變形量相比單層支護(hù)區(qū)段均有不同程度減少，其中拱頂和邊墻變化較明顯。 分時雙層支護(hù)可以減少拱頂及邊墻40%左右的變形量，可有效控制隧道圍巖大變形，避免了初期支護(hù)侵限、鋼拱架彎折、混凝土開裂等問題，保障了施工質(zhì)量及安全。

4 結(jié)語

1）東天山特長公路隧道穿越F2斷層及影響帶區(qū)段圍巖軟、地應(yīng)力高，通過對東天山隧道圍巖進(jìn)行定性分析，確定其為擠壓性軟弱圍巖。

2）通過數(shù)值計算并結(jié)合現(xiàn)場需求，確定了I22b＋I(xiàn)22b 雙層初期支護(hù)及各層初期支護(hù)的最優(yōu)厚度，即第1 層初期支護(hù)厚度為35cm，第2 層厚度為20cm，能夠保證隧道開挖后洞周收斂處于較低水平。

3）通過數(shù)值計算確定在中臺階開挖前施作第2層初期支護(hù)，可以將隧道洞周收斂控制在較低水平，并通過現(xiàn)場監(jiān)測驗證了采用最優(yōu)厚度并在中臺階開挖前施作第2 層初期支護(hù)具有可行性。