彈性支護技術在大斷面高地應力隧道工程中的應用

劉新文

摘要：針對某鐵路隧道工程復雜地質條件及大斷面高地應力大變形工程實例，現場應用彈性支護技術，實現讓壓與抗壓結合，解決了大斷面高地應力軟巖大變形的難題。監測表明該技術能有效控制隧道圍巖變形，提高隧道初期支護質量，確保了隧道工程施工安全，達到了預期目的，可為后續類似項目提供經驗借鑒。

Abstract： In view of the complex geological conditions of a railway tunnel project and the large deformation engineering example of large section high ground stress， the elastic support technology is applied on the spot to realize the combination of pressure and compression to solve the difficult problem of large deformation of high stress soft rock in large section. The monitoring shows that the technology can effectively control the deformation of the tunnel surrounding rock， improve the initial support quality of the tunnel， ensure the safety of the tunnel construction， and achieve the desired purpose， which can provide experience for the follow-up similar projects.

關鍵詞：隧道工程；高地應力；彈性支護；應用

Key words： tunnel engineering；high stress ground；elastic support；application

中圖分類號：U45 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）16-0112-04

0 引言

21世紀是世界隧道與地下空間大發展的世紀，必將出現更多的長大隧道工程，鐵路、公路隧道等地下工程“長、大、深、群”的特點日趨明顯，高地應力隧道工程大量涌現。高地應力軟巖隧道工程大變形控制是國內外地下工程公認的難題[1]，針對高地應力軟巖隧道工程，各國都進行了控制隧道大變形及減小高地應力對隧道工程影響的研究，國外如奧地利陶恩隧道采用可縮性鋼架和加長錨桿加固進行變形控制，國內烏鞘嶺隧道采用加大變形量，短臺階開挖強支護等措施進行變形控制等。由于各隧道地質條件的差異性，一般都是在隧道施工中被動驗證變形治理方案的合理性，從而找出相對應的施工方法，難以形成系統廣泛的普遍治理方案。某鐵路隧道工程建設應用彈性支護技術，在大斷面高地應力隧道工程施工中發揮了重要作用，有效地控制了圍巖變形，達到預期目的。

1 彈性支護技術原理

業界對高地應力軟巖隧道工程變形災害治理有抗壓與讓壓兩種方法。實踐中大多采用抗壓即通過強支護或多次支護的手段抵抗變形開裂，而讓壓能有效改善圍巖結構受力狀態，充分發揮圍巖的自承能力，并將圍巖塑性區控制在合理范圍內[2]。彈性支護技術是根據讓壓與抗壓相結合的原理，通過在隧道工程初期支護鋼架中安裝彈性構件形成整體彈性支護結構，前期釋放部分應力，待圍巖變形趨于穩定噴射混凝土封閉彈性構件，增加應力釋放部位的強度抵抗殘余應力，以適應高地應力軟巖隧道大變形特征，達到有效控制圍巖變形，防治隧道工程圍巖變形開裂災害的目的。

2 現場應用

2.1 工程概況

2.1.1 地質及水文條件

某鐵路隧道全長11920.1m，最大埋深691.3m，為單洞雙線隧道，隧道開挖斷面積94m2。隧道地質及水文條件復雜，巖層為三疊系上統砂巖、粉砂巖夾泥巖，其中砂巖為中層～厚層層狀構造塊狀結構，泥巖為薄層～中層層狀構造碎石鑲嵌結構，巖層整體水平，節理裂隙發育，巖體破碎，屬破碎巖層和高壓富水區，其中出口段砂泥巖互層，巖層水平呈層狀結構，出口洞頂外露巖石受多組節理、裂隙切割嚴重。隧道圍巖受線路所經溝壑地貌影響，隧道圍巖巖質軟弱、分布性差，地層擠壓嚴重、巖層產狀多變。

2.1.2 地壓及支護狀況

該隧道工程地壓顯現明顯，隧道開挖后產生大變形，主要特點是累計變形量大、變形速率快、持續時間長，隧道圍巖極易發生變形、塌方、涌水、涌泥等，造成施工安全風險高、施工進度緩慢，隧道前期采用單一格柵鋼架支護不能適應圍巖大變形特征，隧道拱部出現連續開裂破壞，鋼架呈“Z”形扭曲，維護成本極高。

2.2 地應力測試

地應力測試是正確認識巖體的力學性質，分析研究工程圍巖變形穩定性及其破壞機制，為巖土工程開挖設計和施工提供科學依據的前提[3]。為定量分析某鐵路隧道工程的地應力狀態及其對圍巖變形破壞的影響，于2017年6月下旬在現場進行了地應力測試。

2.2.1 測試地點

測試地點選擇隧道某號斜井正洞DK475+874里程，測試鉆孔位于隧道正洞內，鉆孔附近上覆地層厚約130m，鉆孔設計深度50m。根據鉆探巖芯完整度，在鉆孔深度48.2m，45.3m，44.0m位置分別進行地應力測定，在鉆孔深度45.3m，44.0m位置完成地應力方向測定。

2.2.2 測試方法

地應力測試采用水壓致裂法，見圖1。由于受測試地點地質條件限制，為使測試快捷方便、結果可靠，測試使用圖1（b）所示的單回路水壓致裂應力測量系統。測試時當鉆孔到達設計深度，用可膨脹的橡皮封隔器封隔一段鉆孔，泵入液體對該段鉆孔加壓，同時記錄液壓隨時間的變化。當增壓到孔壁巖體破裂時，壓力隨之下降，經穩壓一段時間后停止加壓，待壓力降到某一定值后結束試驗。根據測試結果，繪制壓力與時間關系曲線，按彈性力學理論計算地應力值，得出測點處的最大和最小水平主應力的量值以及巖石的水壓致裂抗拉強度等巖石力學參數。

2.2.3 測試結果

通過現場對地應力及圍巖強度測定結果的綜合分析，確定了隧道某號斜井正洞DK475+874里程鉆孔圍巖的地應力大小、方向、狀態及圍巖強度等。

①初始地應力采用鉆孔深度44.0m～49.0m（埋深174.0m～179m）的平均測試結果，最大水平主應力σH=7.09MPa，最小水平主應力σh=4.59MPa，自重應力σV=4.31MPa，最大水平主應力方向N79°E。

②三向主應力的關系為σH>σh>σV，表明構造應力的值大于自重應力，地應力狀態以區域構造應力為主。

③巖石單軸飽和抗壓強度RC平均值為44.23MPa；巖石抗拉強度1.9MPa～6.5MPa。

2.2.4 初始地應力狀態評估

根據該隧道某號斜井正洞DK475+874里程鉆孔附近隧道測定的圍巖強度及地應力測試結果，進行初始地應力狀態評估。由最大水平主應力σH=7.09MPa，最大水平主應力平均方向N79°E，經坐標轉換計算垂直隧洞軸線方向的最大初始地應力σmax=7.0MPa，Rc/σmax=6.32，屬高地應力[3]。

2.3 彈性支護技術

①針對某鐵路隧道工程復雜地質條件及大斷面高地應力大變形工程特征，鑒于隧道施工難度大，隧道前期支護發生圍巖開裂破壞，鋼架扭曲變形損壞的現象，為改善隧道支護狀況，確定應用彈性支護技術。彈性支護技術關鍵是在隧道初期支護鋼架中安裝彈性構件形成整體彈性支護結構，起到阻尼作用，先讓壓后抗壓，使圍巖應力可控性釋放，降低周邊圍巖應力值，適應高地應力段圍巖壓力變形大特征，達到有效控制圍巖變形，保持隧道初期支護結構基本穩定的目的。

②彈性構件加工。彈性構件鋼板材質采用Q235，變形部位限阻鋼板厚8mm，連接鋼板厚10mm，限阻鋼板寬度與初期支護厚度相同。采用工廠化集中加工，焊接成型，連接鋼板螺栓孔采用液壓沖孔機打孔，沖孔位置根據拱架連接角鋼螺栓孔位置嚴格控制，以便現場連接施工，見圖2。

2.4 施工工藝

2.4.1 施工工藝流程（圖3）

2.4.2 彈性構件安裝

①彈性構件安裝應精確定位以保證受力均勻，避免局部凸出部位出現應力集中無法發揮作用。隧道前期施工變形開裂均發生在拱頂，因此彈性構件安裝于拱頂位置，現場安裝見圖4。構件安裝于隧道開裂部位，采用螺栓將其和拱架連接形成整體。安裝前使用全站儀對構件放線定位，保證構件位于隧道拱頂且縱向線形良好；采用螺栓將構件與拱架連接形成整體，螺栓應擰緊保證連接良好；采用Φ22mm螺紋鋼幫焊鋼筋將前后兩榀構件焊接在一起，焊接牢固形成整體受力結構，防止受力后構件錯位從而引起初期支護開裂。

②彈性構件安裝后鋼架重量增大，構件安裝時使用螺旋支撐桿進行輔助作業；鋼架安裝時先將拱腳定位準確，連接拱架與構件，連接完成后用螺旋支撐桿將拱架與構件升頂到位，進行局部微調，保證構件縱向連接一致，定位準確后用2根Φ22mm鋼筋幫焊固定。鋼架安裝完成后焊接縱向連接筋及鋼筋網片，安設鎖腳錨桿。

2.4.3 初期支護

①彈性構件安裝完成后進行噴混凝土施工，構件兩側噴混凝土應平整密實。噴混凝土前，在構件空隙中填塞土工布或上下分別掛設1層防水板遮擋，以防混凝土噴入空隙。噴混凝土后清除封閉材料，若有混凝土進入構件需及時清理，否則影響釋放變形的效果。

②噴混凝土施工時，嚴格控制噴射混凝土作業順序，鋼架拱腳位置封閉后，進行構件位置噴射混凝土作業，先將構件位置噴射平整后，再進行其他位置噴射混凝土作業，見圖4。

2.4.4 施工質量控制

①彈性構件加工焊接應牢固，焊縫飽滿，螺栓孔定位準確，驗收合格方可投入使用。

②彈性構件與拱架安裝應連接可靠，相鄰構件連接牢固，縱向線型良好。

③噴混凝土前在彈性構件2塊連接鋼板中間縱向每4m預埋1根注漿管，以便后期注漿充填構件背后空隙。

④嚴格控制噴混凝土質量，初噴混凝土時彈性構件后不允許噴漿，兩側應噴漿平整密實，若有噴漿進入構件，噴漿結束需及時清理。除彈性構件背后嚴禁出現虛空現象外，且靠近構件兩側噴混凝土應一次完成，禁止補噴或出現噴混凝土不密實的現象。否則，初期支護受力后在靠近構件兩側易發生變形開裂。

3 監控量測

3.1 監測項目及測點布置

監測項目主要是隧道收斂變形及拱頂沉降。在隧道H180格柵鋼架彈性支護段及H230格柵鋼架彈性支護段彈性構件安裝后，及時在隧道兩幫安設收斂監測點及拱頂沉降監測點，測點間距10m～15m，監測頻率1次/d。

3.2 監測結果

根據H180格柵鋼架彈性支護段及H230格柵鋼架彈性支護段日常監測數據，繪制隧道兩幫收斂變形及拱頂下沉曲線見圖5。

分析圖5看出，隧道開挖后兩幫收斂變形及拱頂下沉開始發生緩慢變化，經過一定時間由初期緩慢變形逐漸過渡至穩定，表明隧道應用彈性支護技術，充分發揮先讓壓后抗壓作用，允許圍巖發生一定變形，釋放圍巖壓力，充分發揮圍巖自承能力，達到圍巖變形可控目的，隧道保持穩定安全，目測隧道表面噴混凝土層完好無明顯開裂，與前期采用單一格柵鋼架隧道開裂破壞，鋼架變形損壞嚴重比，隧道支護狀況大為改善，支護效果顯著。

4 結語

彈性支護技術是高應力軟巖隧道工程圍巖控制一種新型技術，施工工藝簡單，實現了抗壓與讓壓結合，支護效果明顯。將彈性支護技術應用于大斷面高地應力隧道工程，提高了隧道初期支護效果及施工質量，確保了施工安全，節約了因變形開裂引起的后期維護成本。隧道彈性支護技術在國外研究應用較早，國內現處于起步階段，隨著彈性支護結構阻尼系數的測定及與高地應力分級匹配研究深入，將擴大彈性支護技術在高地應力軟巖地下工程的應用范圍，推廣應用前景十分廣闊。

參考文獻：

[1]盧春房.隧道工程[M].北京：中國鐵道出版社，2015.

[2]李留璽.高地應力松軟圍巖隧道支護技術研究與實踐[J].西部探礦工程，2015（7）：167-169.

[3]王連捷.地應力測量及其在工程中的應用[M].北京：地質出版社，1991.

[4]國家鐵路局.TB10003—2016，鐵路隧道設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，1990.

[5]中國鐵路總公司.Q/CR9604—2015，高速鐵路隧道施工技術規程[S].北京：中國鐵道出版社，2015.