公路隧道大變形控制及合理支護形式現場試驗研究

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,根據水壓致裂法測得的試驗數據,試驗段內最大水平主應力為18 MPa,最小水平主應力為10 MPa,屬高地應力區域。

圍巖等級主要以Ⅳ～Ⅴ級圍巖為主,層厚在10～30 cm范圍內,為全斷面碳質板巖,呈現節理狀發育,節理間距約為8～11 cm之間。隧道試驗段圍巖的力學參數如表1所示。

表1 試驗段圍巖基本力學參數

2 不同支護形式現場試驗

在實際施工過程中,由于高地應力的作用,出現了多次病害,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化以及使用更高質量的鋼架等,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

結合實際工程經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場試驗測試。根據超前應力釋放規律,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如表2所示。

表2 各試驗段的支護參數

2.2 監測點布置

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測斷面。監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測。

3 結果分析與討論

3.1 隧道變形

隨著時間的增加,各試驗段水平收斂值出現先增加后穩定的變化趨勢,在監測時間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值較小。不同試驗段內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,拱頂沉降持續增加,曲線斜率即增加速度持續放緩,拱頂沉降數值表現最大。相比較而言,超前鉆孔試驗段和超前導孔試驗段的數值較小,且隨時間變化未出現明顯的增長趨勢,表現為持續上下波動情況。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,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,不僅體現了良好的變形控制效果,并且節省了施工成本。

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值大小整體上出現增加趨勢,呈現鋼架應力值愈演愈烈的態勢。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值大小整體上出現增加趨勢,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狀態,且應力波動較小。各位置相比較而言,最大應力值亦出現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,后基本趨于穩定,且右拱腰位置處的鋼架應力在試驗后期出現突減。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定,應力峰值均為右拱腰處,且數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增加態勢,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,且其余位置處的圍巖壓力更小。可見,從圍巖壓力大小而言,超前導孔方式表現更為優異。

4 結 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場試驗測試。根據超前應力釋放規律,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。與傳統支護方案相比,掌子面超前支護降低了鋼架強度,增大了鋼架的間距,不僅體現了良好的變形控制效果,并且節省了施工成本。

(2)三種支護方案鋼架應力峰值均出現在拱腰附近,相較于傳統方案,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,表現更為穩定。

(3)對比段圍巖壓力值最大的發生在左拱腰位置處,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在左下邊墻位置處,超前導孔試驗段圍巖壓力峰值主要發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。