大斷面黃土隧道初期支護變形控制技術

黃俊

（中鐵建昆侖路橋建設有限公司，成都 610000）

1 引言

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

2 工程概況

新建蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運通道MHTJ-7 標段鄭莊隧道，為單洞雙線隧道，起訖里程為DK371+811.58 ～DK376+147.47，全長4 335.89 km。隧道洞身全位于黃土地段，隧道Ⅳ級圍巖2 966 m，Ⅴ級圍巖863 m，Ⅵ級圍巖447 m。改DK372+864～改DK372+910 段，采用對稱式明洞，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級炭質(zhì)片巖地段施工30 d 后，上層頂?shù)南鲁量偭窟_到150～200 mm，水平方向的收縮總量達到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，實際變形量遠超出平均水平，最嚴重時存在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，但隨著隧道施工進程的推進，隧道變形速度逐步加快，例如，部分地段的20 d 累積變形量達到1 560 mm。

3）變形持續(xù)時間長。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，長期的變形將嚴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、初期支護均結束后，僅出現(xiàn)小幅度的變形現(xiàn)象，但隨著施工的繼續(xù)進行，拆除初期支護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。在設置好隧道的初期支護結構后，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，嚴重時每日的下沉量達到20～30 mm，累計下沉量達到500～600 mm。

4 施工方案的提出及比選

4.1 變形情況

以三臺階預留核心土法施工DK374+411～DK375+385段，設置H180 型格柵鋼架，噴射混凝土厚25 cm。上臺階、中臺階在初期支護封閉成環(huán)后縱向開裂，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)不收斂，部分格柵鋼架變形扭曲。綜合考慮初期支護內(nèi)力監(jiān)測結果以及現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查資料，判斷該段落初期支護整體受壓，結構壓應力超過極限抗壓強度，引起壓剪破壞，圍巖在兩側(cè)拱腰處形成剪切應變壓縮拱頂區(qū)域，初期支護結構的鋼架扭曲變形，局部混凝土開裂掉塊。

4.2 三臺階大拱腳臨時仰拱法

針對隧道工程的變形問題，優(yōu)化施工方案，以三臺階大拱腳臨時仰拱法施工后續(xù)類似的地質(zhì)段落，要點為：設置長度為3.5 m 的φ42 mm 超前小導管，進行超前支護；搭建H180 型格柵鋼架，鋼架腳部設置大拱腳，上臺階拱腳處設臨時仰拱，形成復合式襯砌；鎖腳材料選用壁厚為5 mm、長度為4 m 的無縫鋼管，每節(jié)點設置2 根，焊接Q25L 型連接鋼筋與鋼架，增設鋼筋用于提升支護結構的穩(wěn)定性；設置φ820 mm×20 mm鋼筋網(wǎng)片，噴射C25 混凝土，厚度25 cm。

4.3 設置圍巖應力釋放裝置

在原設計格柵鋼架圖紙的基礎上，以釋放應力的方法控制變形，拱頂外擴10 cm，邊墻外擴5 cm，在兩側(cè)拱腰以及其他受力較強的部位設置如圖1 所示的圍巖應力釋放裝置，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)合理控制開挖預留變形量，釋放圍巖應力后，可減弱內(nèi)力對初期支護結構的不良影響，有效控制初期支護變形。鋼架型號仍采用原設計型號，加大拱部左右兩側(cè)各20°～60°范圍的半徑，左右拱腳外擴15 cm。縱向貫通布置長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力釋放裝置，設置厚度為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，在連接鋼板處預留螺栓孔[2]。

圖1 圍巖應力釋放裝置

4.4 施工方案的對比分析及選擇

經(jīng)過現(xiàn)場實驗驗證，兩種方案均能夠控制鋼架扭曲變形、初期支護起皮開裂等問題，因此從機械化程度、施工成本、施工效率、監(jiān)控量測結果4 個方面進行綜合分析，選擇綜合應用效果良好的施工方案。

4.4.1 機械化程度的對比

三臺階大拱腳臨時仰拱法的作業(yè)空間有限，操作煩瑣，不具備機械化作業(yè)的條件； 圍巖應力釋放裝置法的工序相對簡單，有較寬敞的空間，宜采用機械化作業(yè)方式。

4.4.2 施工成本的對比

三臺階大拱腳臨時仰拱法需設置鋼墊板和臨時仰拱鋼架，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；若采用圍巖應力釋放裝置，主要增加的成本體現(xiàn)在新增一段鋼構件、6 根PVC 管及增加預留變形量，無須投入過多的材料，施工成本較低。

4.4.3 施工效率的對比

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

4.4.4 監(jiān)控量測結果的對比

三臺階大拱腳臨時仰拱法抑制圍巖塑性變形主要依靠的是大拱腳及臨時仰拱較大的支撐力，新增結構是抑制圍巖應力變形的關鍵；若設置圍巖應力釋放裝置，能夠發(fā)揮出圍巖的自承能力，適度釋放圍巖應力，更有效地控制變形量。是否設置圍巖應力釋放裝置的拱頂下沉時程曲線，如圖2、圖3所示。

圖2 拱頂下沉時程曲線（未設圍巖應力釋放裝置）

圖3 拱頂下沉時程曲線（設置圍巖應力釋放裝置）

基于前文的分析可知，設置圍巖應力釋放裝置后，圍巖監(jiān)控量測數(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械化程度高、施工成本低以及效率高的優(yōu)勢，綜合應用效果更好，因此設置圍巖應力釋放裝置的方法更加可行。

5 施工控制要點

5.1 加強監(jiān)控量測，準確分析數(shù)據(jù)

經(jīng)過方案調(diào)整，設置圍巖應力釋放裝置后，實測結果顯示圍巖有較大的變形量，因此成立專業(yè)監(jiān)控量測小組，進駐現(xiàn)場進行監(jiān)測，利用監(jiān)測信息指導施工。Ⅴ級圍巖段，每5 m 布設一個量測斷面，各斷面均有7 個測點，每日觀測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重的滲水現(xiàn)象以及其他異常情況，均在原監(jiān)測方式的基礎上增加測點以及提高觀測頻率，現(xiàn)場監(jiān)測人員完整匯總數(shù)據(jù)，向上級匯報，經(jīng)過分析后判斷現(xiàn)場施工情況，采取針對性的加固措施[4]。

5.2 嚴格控制支護參數(shù)，合理預留變形量

對于設置圍巖應力釋放裝置的段落，仍保留原設計方案中鋼架型號、鋼筋網(wǎng)片、噴射混凝土等施工方式。在加強現(xiàn)場監(jiān)控量測的基礎上，整理分析監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，繪制曲線，用于分析不同時間段的隧道變形量，評價變形量隨著時間推移的變化規(guī)律，從而合理預留變形量。

5.3 落實“兩緊跟”，盡快使初支仰拱封閉成環(huán)

同步開挖下臺階和初支仰拱，根據(jù)“兩緊跟”的原則進行施工，即上臺階鋼架緊跟掌子面，初支仰拱緊跟下臺階。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)范設置鎖腳錨管，局部加密布置

鎖腳錨管采用的是長度為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2 根，設置到位后，用φ25 mm L 形鋼筋與鋼架焊接穩(wěn)定。局部監(jiān)控量測數(shù)據(jù)異常或存在軟弱圍巖、嚴重滲水的情況時，加密布置鎖腳錨管，環(huán)向排距為80 cm，每節(jié)點的鎖腳錨管增加至4 根。

5.5 加強拱腳支墊，建設洞內(nèi)排水系統(tǒng)

在上臺階、 中臺階鋼架底部設置尺寸為50 cm×30 cm×3.5 cm 的輕質(zhì)泡沫鋁墊板，上方鋪設砂墊層，厚度為10 cm。在掌子面設置集水坑和移動集水箱，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，由專人及時抽排水，避免拱腳遭水的浸泡。

6 結語

綜上所述，大斷面黃土隧道的施工條件特殊，初期支護結構可能因圍巖應力作用而出現(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，采取初期支護變形控制技術至關重要。經(jīng)過本文對工程實例的分析，提出三臺階大拱腳臨時仰拱法和設置圍巖應力釋放裝置法，經(jīng)過多方面的對比分析后，認為設置圍巖應力釋放裝置的綜合應用效果良好，在防止初期支護變形開裂的同時還具有機械化水平高、成本低、速度快等優(yōu)勢，實踐表明，設置圍巖應力釋放裝置的施工方案取得了良好的應用效果，具有推廣價值。