高地應力軟巖隧道施工變形控制方法試驗研究

鄒 翀，張民慶，李沿宗，張文新

(1.中鐵隧道集團有限公司技術中心，河南洛陽 471009;2.鐵道部工管中心，北京 100844)

0 引言

伴隨著我國鐵路建設的大發展，隧道修建時穿越高地應力軟巖地層已不可避免，如蘭渝二期木寨嶺鐵路隧道。高地應力軟巖隧道施工時，圍巖易發生大變形，而開挖方法的選擇是控制圍巖變形的重要影響因素。工程經驗表明，開挖方法選擇不當極易導致軟巖大變形的發生，甚至造成更為嚴重的后果。目前，國內外學者針對特定地質環境下圍巖及隧道發生變形的機制、變形控制技術等方面已做了大量的研究工作。文獻［1－3］就地下洞室開挖對圍巖的擾動進行了理論分析及公式推導。文獻［4－5］通過數值模擬方法對高地應力下隧道開挖圍巖應力及位移演變進行了分析。文獻［6－8］就不同高地應力軟巖隧道施工變形控制進行了分析。文獻［9－13］主要針對木寨嶺鐵路隧道施工情況總結了軟弱圍巖大變形的控制措施。目前，對于高地應力軟巖大變形施工控制技術的研究已較成熟，但在高地應力軟巖地層，通過現場試驗的方法來進行超前導洞法與三臺階法的比選研究還不多見，基礎數據比較缺乏，相關結論也較少。因此，本文在木寨嶺隧道高地應力軟巖地質環境下開展現場試驗，分析研究超前導洞法與三臺階法的變形規律及變形控制效果具有重要意義，其結果可為木寨嶺隧道及類似工程的修建提供技術指導，進一步完善地下工程修建技術。

1 工程概況

蘭渝鐵路木寨嶺隧道位于甘肅省定西市，起于漳縣大草灘鎮止于岷縣梅川鎮，線路基本呈北南走向，坡度12.8‰，全長19 020 m。木寨嶺隧道為雙洞單線，正洞開挖面積80.77 m2。木寨嶺隧道洞身穿越的板巖及炭質板巖區，占全隧的46.53%，全線Ⅳ級和Ⅴ級圍巖占全隧84.5%以上。特殊不良地質段段落長大、影響面寬，木寨嶺7#斜井洞內地應力測試結果表明，該處地應力高達14～17 MPa，且以水平構造應力為主，最大水平主應力方向為N29°～39°E，與隧道軸線方向(N35°E)呈小角度相交，屬高地應力區，極易發生圍巖大變形，施工難度很大，風險極高。

2 試驗方案設計

2.1 試驗段地質

為了分析超前導洞法與三臺階法施工在高地應力軟巖環境下對變形的控制效果，分別選取木寨嶺隧道正洞右線DYK187+996～DYK188+034段和DYK188+045～+075段進行現場試驗。超前導洞法與三臺階法試驗段地質均主要以二疊系下統板巖夾砂巖夾炭質板巖為主，薄層到中厚層，弱風化，破碎，地下水不發育，都屬Ⅴ級軟巖地層。

2.2 超前導洞法試驗方案

超前導洞設置于隧道斷面中部位置，距隧道拱頂開挖輪廓線200cm，超前導洞采用直墻斷面，斷面尺寸為450 cm×450 cm(寬×高)。

超前導洞法總體施工順序為導洞掛洞門(明洞)—導洞開挖支護(長38 m)—導洞支護拆除—正洞擴挖—正洞支護。導洞采用全斷面法開挖，正洞擴挖采用三臺階法施工，臺階長度為4～6 m，上、中、下臺階高度分別為 3.2，3.0，4.0 m，擴挖后及時對拱頂下沉，上、中、下臺階收斂進行監測，超前導洞與正洞位置尺寸關系及監測點布置如圖1所示。

超前導洞支護情況:16 cm厚網噴C25混凝土+U型鋼支撐。

正洞擴挖支護情況:全環H175型鋼+格柵鋼架，鋼架間距0.5～0.8 m，預留40 cm 變形量;R32N自進式系統錨桿，拱部長 4.5 m、邊墻長6 m，1.2 m ×1.0 m，R32N自進式鎖腳錨桿16根，長6 m;C30早高強噴射混凝土厚33 cm，設φ22雙層連接筋、φ8雙層鋼筋網。

2.3 三臺階法試驗方案

采用三臺階法施工時，臺階長度為4～6 m，上、中、下臺階高度分別為 3.2，3.0，4.0 m，開挖后及時對拱頂下沉，上、中、下臺階收斂進行變形監測，臺階分布及監測點布置如圖2所示。

初期支護情況:全環H175型鋼+格柵鋼架，鋼架間距0.5～0.8 m，預留40 cm變形量，斷面型式采用V級軟巖斷面，上半斷面C30早高強混凝土封閉掌子面5cm;R32N自進式系統錨桿拱部長4.5m、邊墻長6m，1.2×1.0 m，R32N自進式鎖腳錨桿16根，長6 m;C30早高強噴射混凝土厚33cm，設φ22雙層連接筋、φ8雙層鋼筋網。

3 試驗結果分析

3.1 超前導洞法試驗分析

試驗段超前導洞于2010年9月3日開始施工，到2010年10月10日正洞擴挖支護結束，共耗時38d，導洞段施工如圖3所示。

圖3 超前導洞法施工圖Fig.3 Pilot tunneling

超前導洞試驗段監測斷面累計變形值如表1所示。由表1可知:正洞下、中臺階水平收斂明顯大于上臺階，水平收斂最大值約為150 mm，拱頂下沉最大值約為60 mm;通過對試驗段各測點變形值進行平均后得出，試驗段平均拱頂下沉值為35.59 mm，上、中、下臺階平均收斂值分別為 63.74，118.31，118.30 mm。各監測斷面變形曲線如圖4所示。由圖4可看出:隧道各部分隨著正洞擴挖的進行，上、中臺階變形趨勢大多相對平緩，未出現變形突然增大現象，而下臺階變形速率隨著仰拱的開挖出現增大，在仰拱開挖封閉后，各臺階變形速率明顯減小，并趨于穩定。

表1 超前導洞法試驗段監測斷面累計變形值統計表Table 1 Deformation occurring in pilot tunneling mm

圖4 各監測斷面變形曲線Fig.4 Deformation curves of different monitoring cross-sections

3.2 三臺階法試驗分析

試驗段從2010年10月29日開始上臺階施工，到2010年12月4日下臺階施工完成，除去停工時間，實際施工27 d，三臺階法現場施工試驗如圖5所示。

圖5 三臺階法施工Fig.5 Bench excavation method

3.2.1 三臺階法變形情況分析

三臺階法試驗段監測斷面變形值如表2所示。由表2可知:最大拱頂下沉為60～75 mm，平均值為67.94 mm;最大水平收斂值約為154 mm，上、中、下三臺階平均收斂值分別為126.89，139.05，103.47mm，與下臺階相比，上、中臺階收斂值相對較大。各監測斷面變形曲線如圖6所示。由圖6可看出:上、中臺階初期變形速率較大，在仰拱初期支護完成后，其變形速率明顯減小，變形基本趨于穩定。

表2 臺階法試驗段監測斷面變形值統計表Table 2 Deformation occurring in tunneling by bench excavation method mm

圖6 各監測斷面變形曲線Fig.6 Deformation curves of different monitoring cross-sections

3.2.2 三臺階法變形規律分析

根據三臺階法施工工序，各測點變形可以分為4部分，即:1)上臺階開挖到中臺階開挖前的變形值;2)中臺階開挖到下臺階開挖前的變形值;3)下臺階開挖到仰拱封閉前的變形值;4)仰拱封閉到施作二次襯砌前的變形值。為了分析三臺階法施工時各工序對隧道變形的影響，把測點變形數據分解開，如表3所示。

表4和圖7為三臺階開挖各工序之間的圍巖變形值占累計變形值的比例。由表4和圖7可看出:三臺階法開挖時，對于拱頂下沉及上臺階收斂，上臺階開挖到中臺階開挖前和下臺階開挖到仰拱封閉前變形值較大，占累計變形值的80%左右，是發生變形的主要時間段;對于中臺階收斂，中臺階開挖到下臺階開挖前和下臺階開挖到仰拱封閉前均是變形發展的主要階段，占累計變形值的95%左右;對于下臺階收斂，下臺階開挖到仰拱封閉前是變形發展的主要階段，占累計變形值的95%左右;各臺階變形在仰拱封閉到二次襯砌施作前變形均很小，占累計變形值比例均在7%以下，說明隧道開挖后及早封閉對控制隧道變形極為有利，在可能的情況下，應盡量縮短各工序作業時間，及時使初期支護封閉成環是軟巖變形控制的重要措施。

3.3 試驗綜合效果比較

3.3.1 變形控制效果

超前導洞法與三臺階法試驗結果表明:采用這2種施工方法施工，隧道最大變形均為水平收斂，最大值均控制在180mm以下，且仰拱開挖封閉后變形均得到有效控制，并趨于收斂。由此說明，在木寨嶺隧道高地應力軟巖環境下，采用這2種施工方法均能有效控制圍巖變形。

表3 三臺階法各工序之間的圍巖變形值Table 3 Deformation occurring at different steps of bench excavation method mm

表4 三臺階開挖各工序之間的圍巖變形值占累計變形值的比例Table 4 Ratio of deformation occurring at different steps of bench excavation to the total %

圖7 三臺階開挖各工序之間的圍巖變形值占累計變形值的比例Fig.7 Ratio of deformation occurring at different steps of bench excavation to the total

從變形控制效果方面看，超前導洞法與三臺階法對隧道變形的實際控制效果有不同之處:前者中、下臺階變形速率相對較大，上臺階變形速率較小，而后者體現出上、中臺階變形速率相對較大，下臺階變形速率較小。試驗結果表明，2種施工方法下，中臺階處變形值均比較大，是變形控制的重點階段，因此，取中臺階處變形平均值來進行比較分析(如表5所示)，超前導洞法由于前期導洞對應力進行了調整和釋放，正洞擴挖后變形有一定程度地減小。

表5 超前導洞法與三臺階法軟巖段變形控制效果對比Table 5 Comparison and contrast between deformation controlling effect of pilot tunneling method and that of bench excavation method mm

3.3.2 施工效率

從施工效率方面看，超前導洞法由于要進行超前導洞的施工，施工效率略低于三臺階法，如表6所示。采用超前導洞法擴挖施工時，施工進尺約為1.0 m/d，采用三臺階法施工時，施工進尺約為1.3 m/d，施工效率可提高30%。

綜上所述，從變形控制效果方面看，木寨嶺隧道高地應力軟巖段采用超前導洞法與三臺階法相差不大;從施工效率看，三臺階法要略優于超前導洞法。總之，木寨嶺隧道高地應力軟巖段采用超前導洞法與三臺階法施工時，最大變形值均控制在180 mm以下，且均在仰拱封閉后趨于穩定，說明超前導洞法與三臺階法均是高地應力軟巖環境下有利于變形控制的施工方法。

表6 超前導洞法與三臺階法軟巖段施工效率對比Table 6 Comparison and contrast between tunneling efficiency of pi lot tunneling method and that of bench excavation method

4 結論與討論

通過對蘭渝二期木寨嶺隧道高地應力軟巖段進行現場試驗，得出如下主要結論。

1)在本文所述初期支護參數情況下，木寨嶺隧道高地應力軟巖段采用超前導洞法和三臺階法施工時，前者體現中、下臺階變形速率較大，后者體現上、中臺階變形速率較大，都表現出邊墻中部圍巖變形最大，隧道邊墻中部是施工變形控制的重點。

2)木寨嶺隧道高地應力軟巖段采用超前導洞法和三臺階法施工時，最大變形值均控制在180 mm以下，且圍巖變形均在仰拱封閉后趨于穩定，這說明兩者均是高地應力軟巖環境下有利于變形控制的施工方法。

3)木寨嶺隧道高地應力軟巖段采用超前導洞法與三臺階法施工相比，兩者施工變形控制效果程度相近，但超前導洞法在施工效率方面略低于三臺階法;同時，也說明在高地應力區域，最大主應力方向與隧道軸線成較小夾角時，采用三臺階法施工，既達到變形控制效果，也能加快施工進度。

4)木寨嶺隧道高地應力軟巖段三臺階法施工時各工序階段的變形規律表明:在最大主應力方向與隧道軸線成較小夾角情況下，隧道變形總體可控;隧道開挖后及早施作仰拱對隧道變形控制極為有利，在可能的情況下，應盡量縮短各工序作業時間，及時使初期支護封閉成環是軟巖變形控制的重要措施。

由于客觀條件的局限性，本文僅在木寨嶺隧道高地應力軟巖段做了超前導洞法與三臺階法施工現場試驗，其試驗結果能真實地反映2種施工方法在木寨嶺隧道高地應力軟巖段的變形控制情況，可為木寨嶺隧道高地應力軟巖段的快速通過提供指導，同時也可為類似工程建設提供技術參考。在有條件的情況下還應在其他類似的隧道開展更多現場試驗，尤其是最大主應力方向與隧道軸線成大角度相交的情況，獲取更多的試驗數據來揭示和補充2種施工方法在高地應力軟巖環境下的施工變形規律，使研究成果更加具有普遍意義，為高地應力軟巖隧道施工提供技術支持和指導。

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