軟弱破碎炭質(zhì)板巖公路隧道施工全過程受力特征與控制技術(shù)研究

摘要：為了準(zhǔn)確了解穿越炭質(zhì)板巖隧道圍巖及初期支護(hù)的受力特性，選取了峨（眉）漢（源）高速金口河隧道的典型斷面進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控分析，研究隧道施工過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的變化規(guī)律及特征。結(jié)果表明：隧道錨桿軸力前期快速增長(zhǎng)，拱腰、拱肩錨桿軸力穩(wěn)定時(shí)間分別為18、34天，最大值分別為49.2、99.8 kN；圍巖接觸壓力整體均呈“增大—減小—再增大—穩(wěn)定”的變化規(guī)律，大約56天達(dá)到穩(wěn)定，但存在一定偏壓，呈現(xiàn)“上大下小”的分布特點(diǎn)；鋼拱架最大、最小軸力分別位于拱腰（40.47 kN）、拱頂（29.55 kN），最大、最小彎矩位于拱肩（4.61 kN·m）、拱腰（0.83 kN·m）?；谒淼朗┕な芰μ卣鳎ёo(hù)結(jié)構(gòu)采取減小鋼拱架間距、增加錨桿長(zhǎng)度、增加預(yù)留變形量等優(yōu)化措施，有效地控制了圍巖大變形及偏壓荷載。

關(guān)鍵詞：公路隧道； 施工力學(xué)； 控制技術(shù)； 炭質(zhì)板巖； 信息反饋

中國(guó)分類號(hào)：U455.49A

［定稿日期］2022-04-21

［作者簡(jiǎn)介］周清學(xué)（1970—），男，本科，高級(jí)工程師，主要從事公路工程項(xiàng)目施工技術(shù)管理。

［通信作者］茍安迪（1999—），男，碩士，研究方向?yàn)樗淼琅c地下工程設(shè)計(jì)理論。

0 引言

近年來，隨著我國(guó)西部地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，隧道工程建設(shè)方案優(yōu)先采用，且規(guī)模不斷擴(kuò)大。但西部地區(qū)隧址區(qū)地質(zhì)和水文條件復(fù)雜多變，特別是炭質(zhì)板巖地層，隧道施工極易出現(xiàn)初期支護(hù)大變形、襯砌掉塊甚至坍塌、鋼拱架扭曲等災(zāi)害，嚴(yán)重影響隧道工程穩(wěn)定性，甚至危及施工人員的生命安全。

目前，不少學(xué)者已對(duì)炭質(zhì)板巖隧道開展了一系列研究。其中，劉陽(yáng)等［1］針對(duì)木寨嶺隧道的大變形問題，分析了炭質(zhì)板巖大變形發(fā)生的影響因素，解釋了炭質(zhì)板巖的塑變、板梁彎曲、剪切滑移、壓桿破壞等大變形機(jī)理。郭健等［2］通過對(duì)炭質(zhì)板巖圍巖位移、初支內(nèi)力和二襯內(nèi)力的施工全過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得了不同施工階段隧道大變形段襯砌受力特征。劉銀濤等［3］依托高黎貢山隧道建立數(shù)值模型，得出隧道開挖過程中圍巖及初期支護(hù)變形特征。武建廣等［4］提出了炭質(zhì)板巖地層大斷面隧道變形控制施工技術(shù)。陳秋南等［5］研究了圓寶山隧道炭質(zhì)板巖大變形段初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性。張衛(wèi)霞等［6］針對(duì)板巖地質(zhì)隧道施工提出了預(yù)防圍巖失穩(wěn)的措施和支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化措施。陳炳光等［7］依托峨漢高速豹貍崗隧道工程對(duì)二次襯砌的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。李玉平等［8］針對(duì)大草山隧道穿越二疊系炭質(zhì)板巖、斷層破碎帶等軟質(zhì)巖提出了“放抗結(jié)合，長(zhǎng)錨圍壓，固結(jié)成拱，強(qiáng)支跟進(jìn)”的設(shè)計(jì)理念及“變松動(dòng)圈為承載拱”的“圍壓拱”支護(hù)體系。張海太等［9］分析了富水炭質(zhì)板巖地層隧道底部結(jié)構(gòu)破損原因，提出了相應(yīng)的防治措施。郭新新等［10］以渭武高速木寨嶺公路隧道為工程背景，通過典型大變形災(zāi)害實(shí)錄和巖體特性等，分析高應(yīng)力炭質(zhì)板巖隧道的大變形特征及其機(jī)理。王明勝［11］以某隧道強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)板巖段為研究背景，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)2種方式，對(duì)三臺(tái)階法和超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法2種方案的大變形控制效果進(jìn)行對(duì)比分析。

綜上所述，隧址區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件對(duì)隧道結(jié)構(gòu)受力體系影響比較大，采用的施工工藝和支護(hù)方案等也不同。本文依托峨漢高速金口河隧道工程，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)大數(shù)據(jù)分析，研究了隧道施工全過程支護(hù)受力變化規(guī)律及特征，并提出了隧道施工偏壓荷載的控制措施。本文所得結(jié)論可以為軟巖大變形隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工提供借鑒與參考。

1 工程概況

峨漢高速金口河隧道位于四川省西南部樂山市峨邊彝族自治縣和金口河區(qū)交界處的中高山峽谷區(qū)，設(shè)計(jì)為雙線隧道，全長(zhǎng)8 107 m，最大埋深1 310 m。圍巖主要由炭質(zhì)板巖夾板巖灰?guī)r、白云巖、砂巖等組成，工程地質(zhì)性質(zhì)差異較大，隧址區(qū)圍巖裂隙較發(fā)育，結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度差，巖體極破碎。V級(jí)圍巖占比48%，IV級(jí)圍巖占比47%，III級(jí)圍巖占比5%。地下水類型以松散孔隙水、基巖裂隙水為主，含水量一般，易呈點(diǎn)滴狀-線狀出水。

隧道最大開挖跨度為12.6 m，初期支護(hù)厚度為24 cm，主要采用噴錨支護(hù)、鋼筋網(wǎng)和鋼拱架，錨桿長(zhǎng)3.0 m，鋼筋網(wǎng)由8 mm鋼筋構(gòu)成，鋼筋間距為20 cm（環(huán)向）×20 cm（軸向），鋼拱架由I18型鋼制成，間距80 cm。二次襯砌厚度為45 cm的C30鋼筋混凝土，隧道橫斷面如圖1所示。隧道V級(jí)、IV級(jí)圍巖較差段采用環(huán)形開挖留核心土法施工， V級(jí)圍巖大變形段采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，IV級(jí)圍巖常規(guī)段采用上下臺(tái)階分部開挖法施工。

2 破碎圍巖隧道施工監(jiān)測(cè)方案

2.1 碳質(zhì)板巖隧道大變形情況

金口河隧道ZK65+290～ZK65+720段最大埋深為1 310 m，該段圍巖為V級(jí)圍巖，采用環(huán)形開挖留核心土法施工，地層以炭質(zhì)板巖為主，巖體褶皺、擠壓破碎嚴(yán)重，整體穩(wěn)定性差，隧道施工工程中多次出現(xiàn)大變形情況，主要表現(xiàn)為初期支護(hù)侵限、鋼拱架扭曲、混凝土開裂剝落等病害，如圖2所示。該段圍巖變形較大，最大拱頂沉降為76 mm，拱頂沉降速率最大值為13.2 mm/d，最大水平收斂量108 mm，收斂速率最大值為17.9 mm/d。

2.2 軟弱破碎圍巖隧道施工受力監(jiān)測(cè)

為了深入研究穿越炭質(zhì)板巖地層大變形段隧道結(jié)構(gòu)受力特性，選取隧道左線ZK65+507、ZK65+549這2個(gè)典型斷面作為研究對(duì)象，對(duì)隧道施工中圍巖壓力、鋼拱架應(yīng)力、錨桿軸力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與分析。其中ZK65+507監(jiān)測(cè)斷面縱向位置示意如圖3所示。

隧道典型監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示，布設(shè)A、B、C、D、E、F共6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，分別對(duì)應(yīng)隧道的左拱腰、左拱肩、拱頂、右拱肩、右拱腰、仰拱，其中錨桿監(jiān)測(cè)點(diǎn)又分別按1～3進(jìn)行編號(hào)。

錨桿軸力監(jiān)測(cè)主要是為了分析錨桿受力特征，判斷圍巖穩(wěn)定情況。采用振弦式智能錨桿軸力計(jì)對(duì)錨桿軸力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)設(shè)置1根長(zhǎng)3" m的錨桿，每根錨桿設(shè)置3個(gè)軸力計(jì)。

圍巖與初期支護(hù)接觸壓力監(jiān)測(cè)主要是判斷圍巖的穩(wěn)定性及圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)，判斷斷面隧道施工方法的合理性。采用振弦式智能土壓計(jì)監(jiān)測(cè)，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)設(shè)置1個(gè)土壓計(jì)。

工程結(jié)構(gòu)周清學(xué)，" 茍安迪，" 何平， 等： 軟弱破碎炭質(zhì)板巖公路隧道施工全過程受力特征與控制技術(shù)研究

鋼拱架應(yīng)力監(jiān)測(cè)是為了分析鋼拱架受力變化特征，判斷初期支護(hù)受力的合理性。采用鋼筋測(cè)力計(jì)監(jiān)測(cè)，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)在內(nèi)側(cè)和外側(cè)各布設(shè)1個(gè)鋼筋測(cè)力計(jì)。

3 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性分析

限于篇幅，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況，僅對(duì)ZK65+507斷面進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性分析。

3.1 錨桿軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析與反饋

金口河隧道ZK65+507斷面右拱肩和右拱腰錨桿軸力時(shí)程曲線如圖5、圖6所示，正值代表受拉狀態(tài)。

從圖5可知，隧道右拱肩錨桿上D1～D3 3個(gè)錨桿軸力計(jì)均為受拉狀態(tài)，整體變化規(guī)律基本一致，錨桿軸力由0逐漸增大，增長(zhǎng)速率隨時(shí)間的增加不斷減小，該階段表明錨桿應(yīng)力在不斷調(diào)整，有效限制了隧道圍巖變形。最終軸力均趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后錨桿軸力D1gt;D3gt;D2，軸力峰值為99.8 kN，隧道施工過程中圍巖趨于穩(wěn)定最長(zhǎng)時(shí)間為D1點(diǎn)34天。

從圖6可知，隧道右拱腰錨桿上E1～E3 3個(gè)錨桿軸力計(jì)均為受拉狀態(tài)，錨桿軸力逐漸增大，軸力峰值為49.2 kN。E1與E3軸力計(jì)增長(zhǎng)速率隨時(shí)間增加不斷減小，而E2軸力時(shí)程曲線在上升階段出現(xiàn)3次波動(dòng)性變化，說明錨桿軸力隨時(shí)間的變化與下臺(tái)階開挖密切相關(guān)，下臺(tái)階開挖時(shí)對(duì)圍巖有多次擾動(dòng)，錨桿與圍巖之間相互作用。該階段應(yīng)力調(diào)整的過程比較明顯，錨桿有效限制了隧道圍巖變形。錨桿軸力均在第18天左右趨于穩(wěn)定，說明隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定，穩(wěn)定后錨桿軸力E2gt;E1gt;E3。

根據(jù)隧道監(jiān)控量測(cè)斷面錨桿軸力時(shí)程曲線可以繪制錨桿軸力分布圖，如圖7所示。

從圖7可知，隧道左右側(cè)對(duì)稱位置的錨桿軸力表現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱性，在同一側(cè)拱肩處軸力普遍大于拱腰處，說明ZK65+507斷面豎向荷載占據(jù)主導(dǎo)地位。同時(shí)，同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)處錨桿軸力最大值出現(xiàn)位置并不固定，左拱肩、右拱肩、右拱腰分別出現(xiàn)在B3、D1、E2處，最大值分別為51.2、94.3、43.4 kN。左拱腰錨桿軸力值較小，說明該處錨桿未能有效錨固，沒有發(fā)揮其最大作用；其余錨桿均為受拉狀態(tài)，錨桿與圍巖耦合情況良好，增強(qiáng)了圍巖穩(wěn)定性。

3.2 隧道圍巖壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析與反饋

金口河隧道ZK65+507斷面圍巖與初期支護(hù)接觸壓力時(shí)程曲線如圖8所示，正值代表受壓狀態(tài)。

從圖8可知，隧道拱頂、左拱肩和右拱肩圍巖壓力變化趨勢(shì)相似，整體呈先上升，后下降，再上升至逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)，在監(jiān)測(cè)初期隨隧道施工開挖波動(dòng)較大。3個(gè)部位在下臺(tái)階開挖時(shí)均出現(xiàn)峰值，峰值最大為右拱肩處的0.39 MPa，隨著下臺(tái)階的開挖，圍巖壓力短期內(nèi)有所降低，可能是由于下臺(tái)階開挖導(dǎo)致已有的初支懸空，與圍巖貼合不緊密。而后再次上升，說明圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)體系重新調(diào)整。仰拱和二襯施作后，圍巖壓力開始逐漸緩慢上升，表明初支閉合成環(huán)后形成一個(gè)整體的受力體系，有利于充分發(fā)揮初期支護(hù)的支護(hù)作用，最終在56天后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，最大圍巖壓力為0.49 MPa，穩(wěn)定后ZK65+507斷面圍巖與初期支護(hù)接觸壓力分布如圖9所示。

從圖9可知，隧道ZK65+507斷面圍巖壓力存在一定程度的偏壓，右側(cè)圍巖壓力較大，可能是由于地形引起，并且具有明顯的“上大下小”的分布特點(diǎn)，兩側(cè)拱肩往往會(huì)出現(xiàn)最大值，最大值為0.49 MPa，最小圍巖壓力位于左拱腰處，約0.10 MPa。

3.3 鋼拱架內(nèi)力監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

對(duì)金口河隧道ZK65+507斷面監(jiān)測(cè)所得鋼拱架內(nèi)外側(cè)的應(yīng)力數(shù)值進(jìn)行處理，并計(jì)算得到初期支護(hù)鋼拱架軸力值和彎矩值，結(jié)果如圖10所示。

根據(jù)圖10（a）可知，ZK65+507斷面鋼拱架為全截面受壓，拱腰處的軸力最大，其次為拱肩，拱頂處的軸力最小。軸力最大值約40.47 kN，最小值約29.55 kN。根據(jù)圖10（b）可知，拱頂、拱腰處受正彎矩作用（內(nèi)側(cè)受拉），拱肩處則受負(fù)彎矩作用；拱肩部位的彎矩達(dá)到最大數(shù)值4.61 kN·m，其次為拱頂，而拱腰處最小。由此判斷ZK65+507斷面整體受力存在一定偏壓，與錨桿軸力及圍巖壓力受力情況相符，且所有測(cè)點(diǎn)鋼拱架應(yīng)力均遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215 MPa，說明結(jié)構(gòu)相對(duì)安全，鋼材強(qiáng)度沒有得到充分發(fā)揮。

4 隧道結(jié)構(gòu)受力偏壓控制措施

針對(duì)金口河隧道開挖過程中出現(xiàn)的受力偏壓情況，現(xiàn)結(jié)合炭質(zhì)板巖隧道變形特征、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征，可以采取部分措施控制偏壓荷載，改進(jìn)后的隧道設(shè)計(jì)橫斷面如圖11所示。

（1）對(duì)未施工的鋼架間距進(jìn)行加密，將原設(shè)計(jì)80 cm鋼架間距調(diào)整至60 cm。

（2）適當(dāng)增加初期支護(hù)預(yù)留變形量，由10 cm調(diào)整至15 cm，充分釋放圍巖壓力。

（3）及時(shí)支護(hù)、及時(shí)封閉成環(huán)，減少圍巖裸露時(shí)間。

（4）增加錨桿長(zhǎng)度，由3 m調(diào)整至4 m，加固塑性區(qū)圍巖，控制圍巖變形。

通過上述措施，金口河隧道圍巖大變形及結(jié)構(gòu)受力偏壓情況得到有效控制，隧道施工期間的安全性得到保障。

5 結(jié)論

通過對(duì)金口河隧道炭質(zhì)板巖段進(jìn)行監(jiān)控監(jiān)測(cè)分析，得出幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）隧道錨桿軸力前期快速增長(zhǎng)，拱腰、拱肩錨桿軸力穩(wěn)定時(shí)間分別為18、34天，最大值分別為49.2、99.8 kN；錨桿有效地增加了圍巖的穩(wěn)定性，一定程度上限制了圍巖變形。

（2）隧道圍巖接觸壓力在前期迅速增大，這是因?yàn)樯吓_(tái)階開挖后圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)體系重分布導(dǎo)致。由于下臺(tái)階開挖造成已有支護(hù)與圍巖貼合不緊密，圍巖接觸壓力短期內(nèi)略有下降，隨著初期支護(hù)閉合成環(huán)和二襯施作，有效地發(fā)揮支護(hù)作用，圍巖接觸壓力經(jīng)過一段增長(zhǎng)期后最終在56天左右達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定后圍巖壓力存在一定偏壓，可能是由地形引起，具有“上大下小”的分布特點(diǎn)。

（3）初期支護(hù)鋼拱架全截面受壓，鋼拱架最大、最小軸力分別位于拱腰（40.47 kN）、拱頂（29.55 kN），最大、最小彎矩位于拱肩（4.61 kN·m）、拱腰（0.83 kN·m），支護(hù)結(jié)構(gòu)受力安全，確保了隧道施工期間的安全性。

（4）在軟弱破碎圍巖偏壓區(qū)段隧道施工過程中，可以采用減小鋼拱架間距、增加錨桿長(zhǎng)度、增加預(yù)留變形量等措施，能夠有效控制住圍巖大變形及偏壓荷載。

參考文獻(xiàn)

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