大斷面黃土隧道初期支護(hù)變形控制技術(shù)

黃俊

（中鐵建昆侖路橋建設(shè)有限公司，成都 610000）

1 引言

大斷面黃土隧道圍巖應(yīng)力較大段落的穩(wěn)定性差，尤其是在該處進(jìn)行開挖作業(yè)后，易發(fā)生明顯的變形，初期支護(hù)剛度不足或開挖的圍巖長(zhǎng)期暴露于外界時(shí)，更易發(fā)生坍塌事故，造成嚴(yán)重的不良影響。為此，深入研究大斷面黃土隧道初期支護(hù)變形控制技術(shù)具有重要意義。

2 工程概況

新建蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運(yùn)通道MHTJ-7 標(biāo)段鄭莊隧道，為單洞雙線隧道，起訖里程為DK371+811.58 ～DK376+147.47，全長(zhǎng)4 335.89 km。隧道洞身全位于黃土地段，隧道Ⅳ級(jí)圍巖2 966 m，Ⅴ級(jí)圍巖863 m，Ⅵ級(jí)圍巖447 m。改DK372+864～改DK372+910 段，采用對(duì)稱式明洞，明挖法施工。

3 圍巖大變形的基本特征和主要原因

1）圍巖變形量大。在Ⅳ級(jí)炭質(zhì)片巖地段施工30 d 后，上層頂?shù)南鲁量偭窟_(dá)到150～200 mm，水平方向的收縮總量達(dá)到300～400 mm，局部巖石的碳質(zhì)含量高，地下水含量大，加之隧道開挖的擾動(dòng)，實(shí)際變形量遠(yuǎn)超出平均水平，最嚴(yán)重時(shí)存在1 260 mm 的水平收縮變形量。

2）變形速度快。正常圍巖的水平收縮量為30～50 mm，但隨著隧道施工進(jìn)程的推進(jìn)，隧道變形速度逐步加快，例如，部分地段的20 d 累積變形量達(dá)到1 560 mm。

3）變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。隧道開挖后出現(xiàn)臨空面，部分施工段在二次襯砌施作成型后仍有變形現(xiàn)象，長(zhǎng)期的變形將嚴(yán)重影響隧道整體的穩(wěn)定性[1]。

4）變形的突發(fā)性。隧道開挖、初期支護(hù)均結(jié)束后，僅出現(xiàn)小幅度的變形現(xiàn)象，但隨著施工的繼續(xù)進(jìn)行，拆除初期支護(hù)后圍巖以較快的速度變形，且以爆破施工后最為明顯，可能引起突發(fā)的圍巖變形乃至坍塌事故。

5）變形段分布不均。在設(shè)置好隧道的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)后，各路段的變形量不盡相同，相比上層頂部的下沉量，初期的水平收縮速度和累積變形量均更大。后續(xù)，上層頂部的下沉速度加快，嚴(yán)重時(shí)每日的下沉量達(dá)到20～30 mm，累計(jì)下沉量達(dá)到500～600 mm。

4 施工方案的提出及比選

4.1 變形情況

以三臺(tái)階預(yù)留核心土法施工DK374+411～DK375+385段，設(shè)置H180 型格柵鋼架，噴射混凝土厚25 cm。上臺(tái)階、中臺(tái)階在初期支護(hù)封閉成環(huán)后縱向開裂，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不收斂，部分格柵鋼架變形扭曲。綜合考慮初期支護(hù)內(nèi)力監(jiān)測(cè)結(jié)果以及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查資料，判斷該段落初期支護(hù)整體受壓，結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力超過極限抗壓強(qiáng)度，引起壓剪破壞，圍巖在兩側(cè)拱腰處形成剪切應(yīng)變壓縮拱頂區(qū)域，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的鋼架扭曲變形，局部混凝土開裂掉塊。

4.2 三臺(tái)階大拱腳臨時(shí)仰拱法

針對(duì)隧道工程的變形問題，優(yōu)化施工方案，以三臺(tái)階大拱腳臨時(shí)仰拱法施工后續(xù)類似的地質(zhì)段落，要點(diǎn)為：設(shè)置長(zhǎng)度為3.5 m 的φ42 mm 超前小導(dǎo)管，進(jìn)行超前支護(hù)；搭建H180 型格柵鋼架，鋼架腳部設(shè)置大拱腳，上臺(tái)階拱腳處設(shè)臨時(shí)仰拱，形成復(fù)合式襯砌；鎖腳材料選用壁厚為5 mm、長(zhǎng)度為4 m 的無縫鋼管，每節(jié)點(diǎn)設(shè)置2 根，焊接Q25L 型連接鋼筋與鋼架，增設(shè)鋼筋用于提升支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；設(shè)置φ820 mm×20 mm鋼筋網(wǎng)片，噴射C25 混凝土，厚度25 cm。

4.3 設(shè)置圍巖應(yīng)力釋放裝置

在原設(shè)計(jì)格柵鋼架圖紙的基礎(chǔ)上，以釋放應(yīng)力的方法控制變形，拱頂外擴(kuò)10 cm，邊墻外擴(kuò)5 cm，在兩側(cè)拱腰以及其他受力較強(qiáng)的部位設(shè)置如圖1 所示的圍巖應(yīng)力釋放裝置，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)合理控制開挖預(yù)留變形量，釋放圍巖應(yīng)力后，可減弱內(nèi)力對(duì)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的不良影響，有效控制初期支護(hù)變形。鋼架型號(hào)仍采用原設(shè)計(jì)型號(hào)，加大拱部左右兩側(cè)各20°～60°范圍的半徑，左右拱腳外擴(kuò)15 cm。縱向貫通布置長(zhǎng)度與格柵鋼架間距一致、 寬度與噴射混凝土厚度一致的圍巖應(yīng)力釋放裝置，設(shè)置厚度為8 mm、高度為28 cm 的豎向鋼板，焊接至上下兩側(cè)10 mm 的連接鋼板處，為方便連接鋼架，在連接鋼板處預(yù)留螺栓孔[2]。

圖1 圍巖應(yīng)力釋放裝置

4.4 施工方案的對(duì)比分析及選擇

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，兩種方案均能夠控制鋼架扭曲變形、初期支護(hù)起皮開裂等問題，因此從機(jī)械化程度、施工成本、施工效率、監(jiān)控量測(cè)結(jié)果4 個(gè)方面進(jìn)行綜合分析，選擇綜合應(yīng)用效果良好的施工方案。

4.4.1 機(jī)械化程度的對(duì)比

三臺(tái)階大拱腳臨時(shí)仰拱法的作業(yè)空間有限，操作煩瑣，不具備機(jī)械化作業(yè)的條件； 圍巖應(yīng)力釋放裝置法的工序相對(duì)簡(jiǎn)單，有較寬敞的空間，宜采用機(jī)械化作業(yè)方式。

4.4.2 施工成本的對(duì)比

三臺(tái)階大拱腳臨時(shí)仰拱法需設(shè)置鋼墊板和臨時(shí)仰拱鋼架，且有較大工程量的開挖及混凝土噴射作業(yè)，材料成本和人工成本較高；若采用圍巖應(yīng)力釋放裝置，主要增加的成本體現(xiàn)在新增一段鋼構(gòu)件、6 根PVC 管及增加預(yù)留變形量，無須投入過多的材料，施工成本較低。

4.4.3 施工效率的對(duì)比

三臺(tái)階大拱腳臨時(shí)仰拱法無法采用機(jī)械施工模式，增設(shè)臨時(shí)支撐必須由人工完成，平均循環(huán)用時(shí)為11 h，月進(jìn)度為40～50 m，效率較低；若設(shè)置圍巖應(yīng)力釋放裝置，由于施工量較少且可以采用機(jī)械作業(yè)方式，平均循環(huán)用時(shí)縮短至8 h，月進(jìn)度增加至55～65 m，施工效率更高[3]。

4.4.4 監(jiān)控量測(cè)結(jié)果的對(duì)比

三臺(tái)階大拱腳臨時(shí)仰拱法抑制圍巖塑性變形主要依靠的是大拱腳及臨時(shí)仰拱較大的支撐力，新增結(jié)構(gòu)是抑制圍巖應(yīng)力變形的關(guān)鍵；若設(shè)置圍巖應(yīng)力釋放裝置，能夠發(fā)揮出圍巖的自承能力，適度釋放圍巖應(yīng)力，更有效地控制變形量。是否設(shè)置圍巖應(yīng)力釋放裝置的拱頂下沉?xí)r程曲線，如圖2、圖3所示。

圖2 拱頂下沉?xí)r程曲線（未設(shè)圍巖應(yīng)力釋放裝置）

圖3 拱頂下沉?xí)r程曲線（設(shè)置圍巖應(yīng)力釋放裝置）

基于前文的分析可知，設(shè)置圍巖應(yīng)力釋放裝置后，圍巖監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)較大，但仍然能夠有效控制變形，并且此方案還具有機(jī)械化程度高、施工成本低以及效率高的優(yōu)勢(shì)，綜合應(yīng)用效果更好，因此設(shè)置圍巖應(yīng)力釋放裝置的方法更加可行。

5 施工控制要點(diǎn)

5.1 加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，準(zhǔn)確分析數(shù)據(jù)

經(jīng)過方案調(diào)整，設(shè)置圍巖應(yīng)力釋放裝置后，實(shí)測(cè)結(jié)果顯示圍巖有較大的變形量，因此成立專業(yè)監(jiān)控量測(cè)小組，進(jìn)駐現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用監(jiān)測(cè)信息指導(dǎo)施工。Ⅴ級(jí)圍巖段，每5 m 布設(shè)一個(gè)量測(cè)斷面，各斷面均有7 個(gè)測(cè)點(diǎn)，每日觀測(cè)2 次，若初支成環(huán)前變形速率＞20 mm/d 或初支成環(huán)后7 d 內(nèi)的數(shù)據(jù)不收斂或局部存在嚴(yán)重的滲水現(xiàn)象以及其他異常情況，均在原監(jiān)測(cè)方式的基礎(chǔ)上增加測(cè)點(diǎn)以及提高觀測(cè)頻率，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)人員完整匯總數(shù)據(jù)，向上級(jí)匯報(bào)，經(jīng)過分析后判斷現(xiàn)場(chǎng)施工情況，采取針對(duì)性的加固措施[4]。

5.2 嚴(yán)格控制支護(hù)參數(shù)，合理預(yù)留變形量

對(duì)于設(shè)置圍巖應(yīng)力釋放裝置的段落，仍保留原設(shè)計(jì)方案中鋼架型號(hào)、鋼筋網(wǎng)片、噴射混凝土等施工方式。在加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)的基礎(chǔ)上，整理分析監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，繪制曲線，用于分析不同時(shí)間段的隧道變形量，評(píng)價(jià)變形量隨著時(shí)間推移的變化規(guī)律，從而合理預(yù)留變形量。

5.3 落實(shí)“兩緊跟”，盡快使初支仰拱封閉成環(huán)

同步開挖下臺(tái)階和初支仰拱，根據(jù)“兩緊跟”的原則進(jìn)行施工，即上臺(tái)階鋼架緊跟掌子面，初支仰拱緊跟下臺(tái)階。為保障掌子面的施工安全，將掌子面到成環(huán)距離控制在隧道洞徑的1～1.5 倍。

5.4 規(guī)范設(shè)置鎖腳錨管，局部加密布置

鎖腳錨管采用的是長(zhǎng)度為4 m、 壁厚為5 mm 的φ42 mm無縫鋼管，角度斜向下30°～45°，每節(jié)點(diǎn)2 根，設(shè)置到位后，用φ25 mm L 形鋼筋與鋼架焊接穩(wěn)定。局部監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)異常或存在軟弱圍巖、嚴(yán)重滲水的情況時(shí)，加密布置鎖腳錨管，環(huán)向排距為80 cm，每節(jié)點(diǎn)的鎖腳錨管增加至4 根。

5.5 加強(qiáng)拱腳支墊，建設(shè)洞內(nèi)排水系統(tǒng)

在上臺(tái)階、 中臺(tái)階鋼架底部設(shè)置尺寸為50 cm×30 cm×3.5 cm 的輕質(zhì)泡沫鋁墊板，上方鋪設(shè)砂墊層，厚度為10 cm。在掌子面設(shè)置集水坑和移動(dòng)集水箱，完善洞內(nèi)排水系統(tǒng)，定期疏通以保證排水的順暢性。施工期間，由專人及時(shí)抽排水，避免拱腳遭水的浸泡。

6 結(jié)語

綜上所述，大斷面黃土隧道的施工條件特殊，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)可能因圍巖應(yīng)力作用而出現(xiàn)異常，具體表現(xiàn)為鋼架扭曲變形、混凝土開裂等問題，埋下質(zhì)量隱患和安全隱患，所以，采取初期支護(hù)變形控制技術(shù)至關(guān)重要。經(jīng)過本文對(duì)工程實(shí)例的分析，提出三臺(tái)階大拱腳臨時(shí)仰拱法和設(shè)置圍巖應(yīng)力釋放裝置法，經(jīng)過多方面的對(duì)比分析后，認(rèn)為設(shè)置圍巖應(yīng)力釋放裝置的綜合應(yīng)用效果良好，在防止初期支護(hù)變形開裂的同時(shí)還具有機(jī)械化水平高、成本低、速度快等優(yōu)勢(shì)，實(shí)踐表明，設(shè)置圍巖應(yīng)力釋放裝置的施工方案取得了良好的應(yīng)用效果，具有推廣價(jià)值。