基于軟巖變形機理下隧道差異預留變形量技術研究

郭成剛

中鐵十七局集團第二工程有限公司 陜西 西安 710043

引言

隧道工程發展至今，國內外學者及工程師們對于軟巖隧道變形控制技術的研究取得了大量的成果[1-5]。從已有的研究成果中發現，對于軟巖隧道變形控制技術的研究主要是通過對開挖方式和支護結構的優化以達到控制圍巖變形的結果。然而，在普遍采用臺階法開挖的軟巖隧道的施工過程中存在這樣的問題[6]：由于臺階法分部開挖的特點，各臺階同環鋼架施工存在時間差，因而導致鋼架變形不同步，造成的結果是在安裝下一臺階初支鋼架時上一臺階鋼架已發生一定的變形，使鋼架之間不能順接，無法按設計進行支護，并且在初期支護封閉成環后拱腳連接處會成為受力薄弱點，極易由此引發初期支護變形侵限。如果這個問題不能得到解決，通過開挖方式和支護結構優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留變形量的軟巖隧道變形控制技術，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，祥臨二級公路東側，隧道全長9375m，共設置三座斜井。圍巖巖性為薄層狀炭質片巖，間夾方解石脈、絹云片巖，巖質松軟，微張節理裂隙較發育，巖體極軟弱極破碎，受構造影響，揉皺較發育，鏡面擦痕多見，掌子面潮濕，右側滴水狀。圍巖級別以V級圍巖為主，施工過程中圍巖變形大，最大單側變形可達1.6m，易掉塊、溜塌，開挖方式采用三臺階開挖法，見圖1。

圖1 三臺階開挖工法示意圖

1.2 存在的問題

在隧道施工中，圍巖的變形包括先行變形、初始變形和量測變形[1]，軟巖隧道變形控制技術最重要的就是對量測變形的控制。所謂量測變形，就是在拱架安裝后量測的圍巖、拱架的變形。在隧道開挖過程中，通常要在設計斷面的基礎上擴挖固定的距離作為預留變形量，如圖2。而在三臺階開挖法施工中，由于上、中、下臺階分步施工存在時間差，中臺階開挖時上臺階圍巖變形已導致拱架已經產生一定的變形，導致同環拱架無法順接，這樣的現象不僅僅出現在白石頭隧道，在國內外隧道工程中比比皆是[6]。如果強行連接拱架，連接處勢必出現張口連接不順，形成支護結構受力薄弱點，如圖3，這將極大的削弱支護結構的受力性能，極易造成支護結構變形侵限，甚至導致不可估量的安全事故，如圖4。

圖2 固定預留變形量斷面圖

圖3 不同步變形導致拱架無法順接

圖4 初支鋼架無法順接造成支護結構變形侵限

2 差異預留變形量技術

2.1 準確測量附加變形

準確、及時的量測是新奧法隧道施工的關鍵。本文介紹的差異預留變形量技術同樣需要準確的變形量測數據作為支撐。在隧道的前期施工中，對各臺階拱腳連接處拱架的具體變形情況進行量測并記錄，計算自鋼架安裝完成至下一臺階開挖后的拱腳累計變形，把該變形量作為附加變形。在設置拱腳預留變形量時，把附加變形量與設計固定預留變形量之和作為該位置的實際預留變形量，這就形成的差異預留變形量。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，拱架在制作時應在設計拱架的基礎上將拱腳外擴一定的距離，從而確保拱架在經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εh、εv的同時還必須保證拱架上部與上一節拱架的順接，因此，拱架的曲率和半徑也必將改變。由于拱架的長度保持不變，則確定拱架的半徑成為拱架制作的關鍵。實質上，當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算機軟件結合來進行精確求解的。而我們從白石隧道長期的工程經驗得知，當R2=1.5R1時（R1、R2分別為拱頂拱架分節和拱頂拱架兩側分節半徑，三臺階法上臺階根據矢跨比、拱架重量一般分三節為宜），基本可以保證拱架在經歷附加變形后拱腳處順接，如圖6所示。白石頭隧道現場施工效果見圖7。

圖6 拱架差異預留變形量拱腳順接

圖7 拱架差異預留變形量施工效果

2.3 施工要點

2.3.1 加強監控量測，軟弱圍巖變化快，準確的量測數據是差異預留變形量的基礎。

2.3.2 臺階法開挖的臺階高度控制在2.5～3m，盡可能地縮短支護結構閉合時間，快速成環，最大限度的減少圍巖暴漏時間，有利于控制圍巖變形。

2.3.3 施工過程中如果出現了拱架連接張口的情況，說明圍巖發生了變化，變形量增大或是減小了，那就必須進行拱架加工調整，所以一次性加工拱架數量不能過多以不超過15m左右為宜，y以便及時調整預留了設置，這樣在調整差異預留量時不至于報廢上一批拱架。

2.3.4 如果出現變形量增大，應加強初期支護，提高設計參數。加強支護參數后再結合差異預留變形量，對變形控制更有利，如果一味的通過加大差異預留變形量來調整，會增加拱架的加工和安裝難度。

2.3.5 嚴格控制拱架加工和安裝的精度。

3 結束語

預留變形量的合理確定受圍巖條件、施工工法及支護結構等眾多因素的影響。采用臺階法施工必然會造成臺階處拱腳變形內移收斂，一般圍巖條件下，內移量不大，對施工影響較小而對于軟巖隧道，拱腳內移量非常大，這樣勢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，應采取分臺階差異預留變形量。所以在制作鋼架時要根據時間差造成變形量不同去設計鋼架的預留量。通過拱架差異預留量的設置，一定程度上解決了拱架安裝問題。但是差異預留變形量只能作為一個輔助措施使用，還必須通過加固圍巖，加強支護參數等措施來最大限度的控制圍巖變形，才能使差異預留變形量應用更加有效果。