隧道大變形控制及支護(hù)方式探究

蒲自俊

（中國鐵路成都局集團(tuán)有限公司，四川 成都 610081）

隨著國家交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，隧道應(yīng)用越來越廣泛，而其往往修建于山區(qū)，容易受到地質(zhì)災(zāi)害的困擾，因此，許多研究人員對隧道安全問題進(jìn)行了一系列研究。

文章基于實(shí)際工程案例，針對其易發(fā)生擠壓大變形災(zāi)害，提出了三種隧洞支護(hù)方案，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)，對比了三種支護(hù)方案的豎向沉降和水平收斂情況。在此基礎(chǔ)上，分析了初期支護(hù)和二次襯砌結(jié)構(gòu)的接觸壓力以及內(nèi)力情況。

1 工程背景

1.1 工程概況

該隧道工程為雙洞分離式設(shè)計(jì)，共6個(gè)車道。隧道寬度為15 m，高為5.2 m，高跨比約為0.7 m，18.8 m的開挖跨度，列車速度按照120 km/h進(jìn)行設(shè)計(jì)考慮。該隧道為特長埋深隧道，左線長達(dá)5 864 m，右線長達(dá)5 872 m，最大埋深約為695 m。

1.2 地質(zhì)條件

隧道周圍有較大的地形起伏，存在陡峭的谷坡和山脊，隧道的試驗(yàn)段埋深為240～290 m。圍巖主要為鱗片粒狀的綠泥石片巖，主要礦物成分包括斜長石、綠泥石、黑云母等，在較為潮濕的條件下強(qiáng)度較低，容易軟化，地質(zhì)條件較差。經(jīng)試驗(yàn)測得，該巖體的黏聚力約為130 kPa，內(nèi)摩擦角27°～32°，泊松比約為0.3。查閱相關(guān)勘測統(tǒng)計(jì)資料，隧道在水平方向的應(yīng)力為最大主應(yīng)力，約為20 MPa?？傮w來說，隧道試驗(yàn)段地質(zhì)條件較差，巖體力學(xué)強(qiáng)度不高且易發(fā)生軟化變形，因此，容易產(chǎn)生擠壓大變形。

1.3 大變形災(zāi)害

在隧道施工過程中，該隧道周圍發(fā)生過多起擠壓大變形災(zāi)害。擠壓大變形災(zāi)害在工程中具體表現(xiàn)為路面開裂、支護(hù)變形、混凝土裂縫出現(xiàn)以及鋼架的扭曲斷裂，導(dǎo)致施工一度停滯，延緩了工程進(jìn)度的進(jìn)行，導(dǎo)致工程成本增加。

根據(jù)工程斷面埋深和最大沉降分布情況可知，斷面變形主要發(fā)生在埋深240～300 m之間，埋深與沉降呈現(xiàn)出離散分布情況。斷面最大沉降的均值為575.8 mm，最大沉降大于該值的斷面數(shù)量和小于該值的斷面數(shù)量基本一致，大于最大沉降平均值的斷面主要分布在埋深240～280 m之間，而小于最大沉降平均值的斷面主要分布在埋深更大處，為280～320 m之間。根據(jù)工程最小主應(yīng)力與最大離散值分布情況，斷面最大收斂值與最小主應(yīng)力之間呈現(xiàn)離散分布情況。平均最大收斂值為269.7 mm，較大的收斂值點(diǎn)對應(yīng)的最小主應(yīng)力較小，最小主應(yīng)力超過6.5 MPa之后，主要為較少的收斂值點(diǎn)。

2 不同支護(hù)形式對比

2.1 試驗(yàn)方案

為了預(yù)防大變形災(zāi)害，以及在發(fā)生災(zāi)害后進(jìn)行沉降控制，設(shè)計(jì)了三種支護(hù)方案，三種支護(hù)方案分別選用單層的I22 b鋼架、雙層I22 b鋼架和雙層HK 200 b鋼架作為初期支護(hù)鋼架。在仰拱回填中，方案一選用的是C15片石混凝土進(jìn)行仰拱回填，仰拱深度1.95 m，方案二和方案三均選用C20素混凝土作為仰拱回填，仰拱深度為3.61 m。此外，在拱頂?shù)念A(yù)留變形量分別為70 cm、110 cm和120 cm。

為更好地監(jiān)測初期支護(hù)變形及應(yīng)力情況，在拱頂、拱腰、拱腳臺階共布置了7個(gè)沉降觀測點(diǎn)。為監(jiān)測二次襯砌中的接觸壓力及混凝土和鋼筋的應(yīng)力情況，設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)如圖1所示。

圖1 二次襯砌監(jiān)測點(diǎn)布置方案

2.2 變形結(jié)果對比

方案一支護(hù)豎向沉降和水平收斂情況。豎向沉降，各監(jiān)測點(diǎn)的豎向沉降隨著工期的增加而增大，在初期階段，增長速率較快，后趨于穩(wěn)定，然后又經(jīng)歷一段快速增長階段。最大沉降監(jiān)測點(diǎn)為測點(diǎn)1，最大沉降為830 mm左右。沉降由大到小排序依次為測點(diǎn)1、測點(diǎn)0、測點(diǎn)2、測點(diǎn)5和測點(diǎn)6，測點(diǎn)6的最終沉降為380 mm左右。而水平收斂，隨著施工的進(jìn)行測線c1和測線c3的水平收斂逐漸增大，測線c 1處的水平收斂在初期增長較快，后趨于穩(wěn)定；測線c3在初期階段經(jīng)歷突變，后經(jīng)歷一段穩(wěn)定階段，再以較高的速率提升到最終階段，最后趨于穩(wěn)定，最終收斂值約為600 mm。

方案二的豎向沉降和水平收斂的情況。豎向沉降，各監(jiān)測點(diǎn)的豎向沉降隨著工期的增加而增大，表現(xiàn)出與方案一支護(hù)相似的沉降變化趨勢。最大沉降發(fā)生在測點(diǎn)3位置處，最大沉降約為623 mm，最小沉降為測點(diǎn)5，其最終沉降約為343 mm。各測點(diǎn)沉降值大小由大到小排列依次為測點(diǎn)3、測點(diǎn)4、測點(diǎn)2、測點(diǎn)1、測點(diǎn)6、測點(diǎn)0、測點(diǎn)5，其中測點(diǎn)6和測點(diǎn)5的沉降變化曲線與其余測點(diǎn)有所不同，表現(xiàn)為先以較為穩(wěn)定的速率增加，后趨于穩(wěn)定。水平收斂，測線c1處的水平收斂較為平緩，測線c2、c3處的水平收斂增速較快，最終收斂值較大，最終收斂值約為410 mm。

方案三支護(hù)的豎向沉降和水平收斂情況。豎向沉降，各測點(diǎn)豎向沉降變化曲線較為接近，未有較大突變情況發(fā)生。豎向沉降最大的測點(diǎn)為測點(diǎn)3，最大沉降約為400 mm，最小沉降為測點(diǎn)6的200 mm左右。水平收斂，測線c1和測線c2變化趨勢和最終水平收斂值較為接近，測線c3水平收斂變化量較大，最終收斂值約為220 mm。

對比三種方案，可以看出變形最大的為方案一支護(hù)，方案三支護(hù)在沉降控制和水平收斂方面均表現(xiàn)較好。與方案一相比，方案二支護(hù)在水平收斂方面降低了220 mm，在豎向沉降方面降低了約170 mm，但變形數(shù)值仍然較大，為滿足設(shè)計(jì)預(yù)期。就方案三支護(hù)而言，其斷面的最大沉降和最大水平收斂分別為405 mm和213 mm，相較于方案一，最大沉降降低了51%，而斷面水平收斂降低64%，這說明HK 200 b鋼架相較于I22 b鋼架，剛度較大，避免了局部失穩(wěn)和局部拆換問題。此外，隧道豎向沉降峰值通常出現(xiàn)在上臺階位置處，中臺階位置處的沉降較小。

2.3 襯砌結(jié)構(gòu)受力分析

2.3.1 接觸壓力

圖2展示了方案三中的襯砌結(jié)構(gòu)的接觸壓力情況。圖2（a）為初期支護(hù)的接觸壓力，圖2（b）為二次襯砌的接觸壓力。從圖2（a）中可以看出，各測點(diǎn)變化主要發(fā)生在初期階段，接觸壓力升高主要發(fā)生在隧道開挖階段，在下臺階開挖后其接觸壓力出現(xiàn)回落，二次襯砌施工后，各測點(diǎn)的接觸壓力趨于穩(wěn)定。從圖2（b）中可以看出，各測點(diǎn)接觸壓力在初期變化較大，隨著初期仰拱的施工，部分測點(diǎn)接觸壓力急劇升高，施工完成后，又出現(xiàn)一部分的回落，其中測點(diǎn)11即拱底位置處的接觸壓力回落最為明顯，在拱墻二次襯砌之后，測點(diǎn)0，1，2，5，6接觸壓力開始急劇升高，然后區(qū)域平緩，直到工程結(jié)束，隧道通車。此外，這也說明二次襯砌在隧道中承擔(dān)了相當(dāng)一部分的圍巖荷載，約占初期支護(hù)壓力的35%左右。

圖2 襯砌結(jié)構(gòu)接觸壓力

2.3.2 軸力與彎矩

圖3展示了方案三中二次襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力情況。圖3（a）為二次襯砌結(jié)構(gòu)的軸力變化情況，圖3（b）為二次襯砌結(jié)構(gòu)的彎矩變化情況。

圖3 二次襯砌軸力和彎矩

從圖3（a）中可以看出，軸力變化趨勢與上文接觸壓力變化相似，在工程初期變化較大，后趨于穩(wěn)定。各測點(diǎn)之間，軸力差距較大，軸力數(shù)值最大的為測點(diǎn)9和測點(diǎn)11，即為拱底部分，而軸力絕對值最小的為測點(diǎn)5，其次為測點(diǎn)6，對應(yīng)左右拱腰位置。從圖3（b）中也可以看出，各測點(diǎn)彎矩變化主要也發(fā)生在工程初期，隨著工程的開展，襯砌結(jié)構(gòu)的彎矩趨于穩(wěn)定。各測點(diǎn)之間，彎矩最大的仍然是拱底位置附近，即測點(diǎn)11，而彎矩絕對值最小的為測點(diǎn)2和測點(diǎn)5，即拱腰位置處。

3 結(jié)論

文章基于實(shí)際工程案例，針對其易發(fā)生擠壓大變形災(zāi)害，提出了三種隧洞支護(hù)方案，并通過監(jiān)測數(shù)據(jù)，對比了三種支護(hù)方案的豎向沉降和水平收斂情況。在此基礎(chǔ)上，分析了初期支護(hù)和二次襯砌結(jié)構(gòu)的接觸壓力以及內(nèi)力情況。得出主要結(jié)論如下：

（1）隧道豎向沉降峰值通常出現(xiàn)在上臺階位置處，中臺階位置處的沉降較小。變形最大的為方案一支護(hù)，方案三支護(hù)在沉降控制和水平收斂方面均表現(xiàn)較好。HK 200 b鋼架相較于I22 b鋼架，剛度較大，避免了局部失穩(wěn)和局部拆換問題。

（2）二次襯砌在隧道中承擔(dān)了相當(dāng)一部分的圍巖荷載，約占初期支護(hù)壓力的35%。

（3）二次襯砌結(jié)構(gòu)的彎矩和軸力峰值點(diǎn)位于拱底附近，拱腰位置處的彎矩和軸力絕對值最小。