軟硬組合薄層片巖隧道初支結構穩定性分析

常建超

(中鐵十一局集團第一工程有限公司,湖北 襄陽 441104)

0 引言

某高鐵隧道施工中揭露圍巖地質為薄層片巖,施工中選擇合適的支護參數及開挖方法是控制隧道變形破壞的重點。在軟弱圍巖及破碎帶地段采用不合適的支護參數與開挖方式易導致隧道支護結構變形、開裂[1-2]。王超等提出圍巖壓力與鋼架內力存在先增、再回彈、最后趨于平緩的規律[3]。張金龍等提出隧道變形呈非對稱性,右邊墻至拱頂范圍內變形較大,右拱肩值最大[4]。崔光耀等提出隧道大變形機制為巖體在地應力影響下的力學響應機制,將大變形分為擠壓、膨脹、松散三種類型[5-7]。

某高鐵隧道最大埋深145 m,隧道全長6495.691 m,為單洞雙線隧道。隧道洞身以片巖、變粒巖為主,呈片狀構造且破碎,節理較為發育,風化快。隧道地下水類型主要為兩類,即松散巖類孔隙水與基巖裂隙水。隧道施工存在以下施工難點:薄層板巖開挖后風化剝落,遇水泥化、軟化,圍巖自穩性差,薄層片巖節理緊密,注漿困難,原隧道支護參數無法控制初支結構變形。隧道揭示圍巖見圖1。

圖1 掌子面圍巖左硬右軟Fig.1 Hardness on the left and softness on the right of the surrounding rock of the palm face

1 薄層片巖段隧道施工技術

1.1 原施工參數

隧道采用臺階法施工,采用25 cm厚C25噴射混凝土,φ22 mm格柵鋼架間距1 m,φ22 mm砂漿錨桿長3.5 m,預留沉降量10 cm。

1.2 施工參數與開挖工法調整

根據薄層片巖段存在的問題調整開挖工法,補強支護參數。隧道開挖工法調整為三臺階預留核心土法,上臺階高度5 m,中臺階2.6 m,下臺階高度2.1 m,每個臺階長度5 m。利用核心土穩定掌子面。隧道初期支護調整為I20a型鋼,鋼架間距調整為0.6 m。預留變形量增大至45 cm,初支噴射混凝土厚度調為28 cm,二襯調為55 cm鋼筋混凝土。砂漿錨桿長調整為4 m。但在開挖完成后仍存在初支變形、開裂問題。采用HW175型鋼進行強支護,其余支護參數不變。對HW175型鋼支護結構受力、變形進行監測,分析薄層片巖隧道初支結構變形規律。

1.3 支護結構監測方案

采用全站儀對初支進行監控量測。在隧道初期支護的拱腳兩側,邊墻兩側貼反射片,監控隧道周邊收斂值。在隧道拱頂位置貼反射片,監測拱頂下沉量。選擇隧道圍巖左側硬右側軟段落進行監測。初支結構拱頂、拱肩、拱腰等部位布設振弦式傳感器,監測初支背部圍巖壓力及鋼拱架應力,拱腰部位埋設多點位移計。初支結構監測斷面布設在HW175型鋼支護段內。

各測試項目具體測點布置如圖2、圖3所示。

2 支護結構監測分析

監測元器件埋設后,定期讀取儀器數值,記錄上中下臺階施工時間,根據元器件讀數進行數據變化規律分析。

圖2 初期支護變形監測Fig.2 Initial support deformation monitoring

圖3 監測元件布置Fig.3 Layout of monitoring elements

2.1 斷面凈空位移監測分析

整理隧道拱頂、S1、S2的數據,繪制變形時程曲線及變形率曲線,見圖4、圖5。

圖4 型鋼斷面初支變形時程曲線Fig.4 Time history curve of initial deformation of section steel section

圖5 型鋼支護斷面初支變形速率Fig.5 Initial deformation rate of section steel support section

結合上中下臺階的開挖時間,綜合分析監測數據曲線變化規律,可得出:

拱頂沉降與S1水平收斂變形主要分為三個階段:①急速變形階段,即上臺階開挖之后至下臺階開挖前,此時拱頂沉降與S1水平收斂急劇增長。急速變形階段變形量占穩定時累計變形量的62.6%。②快速變形階段,此階段對應下臺階開挖至仰拱封閉成環前。拱頂沉降與S1收斂速率整體呈減慢趨勢,但變形值仍在增長。③穩定變形階段,對應仰拱封閉成環至二襯澆筑前。此階段拱頂沉降與S1收斂速率持續減小,并逐漸趨于穩定。

中臺階S2收斂變形也分為三個階段:①急速變形階段,即中臺階開挖之后至下臺階開挖前。②快速變形階段,此階段對應下臺階開挖至仰拱封閉成環前。該階段S2收斂整體呈減慢趨勢,變形速率亦持續震蕩。③穩定變形階段,發生在仰拱封閉成環后。此階段S2水平收斂逐步趨于穩定。

2.2 初支背部圍巖壓力變化分析

統計初支結構拱頂、拱肩、拱腰部位與圍巖接觸部位監測點數據,繪制測點圍巖壓力時程曲線,如圖6所示。

圖6 型鋼斷面圍巖壓力時程曲線Fig.6 Time history curve of surrounding rock pressure in section steel section

圍巖壓力時程曲線具備以下特性:上臺階開挖后圍巖壓力值迅速增大,處于急劇增長階段。除右拱肩出現急劇降低外,均處于平穩狀態。中臺階開挖后圍巖壓力緩慢增大,之后趨于穩定。仰拱施工完成后,初支背部圍巖壓力趨于穩定。

2.3 初支鋼拱架應力監測分析

初支結構中型鋼翼緣板內側,靠近巖面側與凈空面側各焊接一個鋼筋應變計,監測翼緣板壓力讀數。繪制型鋼斷面上臺階各測點鋼拱架應力時程曲線如圖7、圖8所示。

圖7 型鋼斷面巖面側初支鋼架應力時程曲線(注:壓為負)Fig.7 Stress time history curve of the initial support steel frame on the rock face side of the section steel section (Note: the pressure is negative)

鋼拱架應力測試結果表明:①上臺階施工后至初支成環階段,初支結構型鋼拱頂巖面側、凈空側應力均為壓應力,在中、下臺階施工階段壓應力振蕩變化。下臺階施工完成后至初支成環前,巖面側及凈空側型鋼壓應力逐漸增大。初支成環后,型鋼凈空側壓應力趨于穩定。仰拱施工完成后,型鋼巖面側壓力應力逐漸減小并趨于穩定。②初支結構型鋼左拱肩巖面側、凈空側均為壓應力。上臺階施工后至下臺階施工階段,巖面側與凈空側壓應力逐漸增大。下臺階施工后至初支成環階段,巖面側與凈空側壓應力均逐漸減小,凈空側壓應力趨于穩定。初支成環后,巖面側壓應力逐漸增大。左拱肩位于較硬片巖區,由于右側薄層片巖松動擠壓造成左拱肩壓力增加,此部位需增強噴射混凝土強度,降低初支擠壓破碎、掉塊風險。③初支結構型鋼右拱肩巖面側為壓應力、凈空側均為拉應力。上臺施工后至下臺階施工階段,型鋼右拱肩壓應力先逐漸增大后逐漸減小。下臺階施工后至初支成環階段,巖面側與凈空側應力均處于穩定水平。初支成環后至仰拱施工階段,巖面側壓應力逐漸增大,型鋼右拱肩凈空側拉應力逐漸減小。仰拱施工后,型鋼右拱肩巖面側壓應力逐漸增大并趨于穩定,但凈空側拉應力逐漸減小,未趨于穩定。右拱肩范圍處于薄層片巖區,需加強該部位主動支護措施,降低初支成環前鋼架應力增加值。④初支結構型鋼右拱腰巖面側、凈空側均表現為由拉應力轉為壓應力的變化規律,拉應力轉壓力發生在下臺階施工后至初支成環階段內。右拱腰噴射混凝土施工完成后至仰拱施工階段,拉應力逐漸減小并轉為壓應力并逐漸增大。仰拱施工完成后壓應力持續增大。⑤下臺階施工后至初支成環階段,初支結構型鋼左拱腰巖面側拉應力逐漸減小,并在初支成環前轉為壓應力。初支成環后至仰拱施工階段,巖面側壓應力逐漸減小,在仰拱施工后,壓應力小幅度增大并趨于穩定。初支結構型鋼左拱腰凈空側表現為壓應力,自此部位噴射混凝土完成后,在初支成環時有小幅波動。因此左拱腰巖面側應力狀態轉變易出現噴射混凝土開裂、掉塊,需加強左拱腰部分噴射混凝土強度。

圖8 型鋼斷面凈空側初支鋼架應力時程曲線(注:壓為負)Fig.8 Stress time history curve of the initial support steel frame on the clearance side of the section steel section (Note: the pressure is negative)

2.4 圍巖深部位移分析

選擇型鋼支護斷面右拱腰位置埋設多點位移計,監測圍巖深部位移,繪制圍巖深部位移時程曲線如圖9所示。

圖9 圍巖深部位移時程曲線Fig.9 Time shift curveof the deep part of the surrounding rock

測試結果顯示,圍巖松動圈范圍推測在5～10 m,其中5 m、10 m、15 m處實測圍巖深部位移分別為18.93 mm、26.98 mm、27.20 mm,且深部位移曲線表現出如下特性:5 m處圍巖位移(1～25 d)一直處于震蕩狀態,其后位移逐漸平穩。10 m處圍巖(1～12 d)位移急劇增加,其后位移緩慢增長。15m處圍巖(1～3 d)位移急劇增加至22.1 mm,其后位移緩慢增長并趨于平穩。

3 結論

薄層片巖HW175型鋼支護段落,結合上、中、下臺階開挖,初支結構變形分為三個變形階段,即掌子面上臺階開挖之后至下臺階開挖的急速變形階段、下臺階開挖至仰拱封閉成環前的快速變形階段,仰拱封閉成環至二襯澆筑前的穩定變形階段。急速變形階段初支結構變形量大,是初支結構應力釋放的關鍵階段,也是控制初支結構穩定的關鍵階段。

根據上、中、下臺階開挖前后圍巖初支背部圍巖壓力監測曲線分析結果,初支結構背部圍巖變化分為急速增長階段、緩慢增大階段、趨于穩定階段,即上臺階開挖后初支結構背部圍巖壓力值急劇增長階段、中臺階開挖后圍巖壓力緩慢增長階段、仰拱施工完成后初支背部圍巖壓力趨于穩定階段。

上臺階施工后至下臺階施工階段,初支結構型鋼拱頂、拱肩部位鋼架應力逐漸增大;下臺階施工后至初支成環階段,拱頂部位鋼架應力持續增大,左拱肩巖面側鋼架應力減小;初支成環后,左拱肩巖面側鋼架應力先增大后趨于穩定。下臺階施工后至初支成環階段,左、右拱腰部分巖面側拉應力先減小后轉為壓應力,壓應力逐漸增加,左拱腰應力大于右拱腰應力,因此拱頂壓應力持續增加,拱腰部位應力形式轉變。左拱肩位于較硬片巖區,由于右側薄層片巖松動擠壓造成左拱肩壓力增加,極易導致噴射混凝土開裂、掉塊,需提高噴射混凝土強度。右拱肩處于薄層片巖區,需加強主動支護措施,降低初支成環前鋼架應力增加值,提升初支結構穩定性。

右側拱腰薄層片巖區多點位移計顯示,圍巖松動圈范圍推測在5～10 m,初支右側薄層區主動支護中錨桿長度需大于松動圈范圍,降低初支結構變形量引起的噴射混凝土開裂、掉塊風險,采用徑向注漿措施,提升松動圈破碎體整體性與承載力。