雙層鋼架式隧道初期支護的分析與應用

李軍偉

(廣州誠信公路建設監理咨詢有限公司,廣東廣州 510420)

雙層鋼架式隧道初期支護的分析與應用

李軍偉

(廣州誠信公路建設監理咨詢有限公司,廣東廣州 510420)

伴隨著我國經濟建設的高速發展,全國交通路網建設呈現迅猛發展的態勢,路網設計中也不斷涌現出長大山嶺隧道、城市淺埋隧道、海底隧道等建設難度較大的地下工程。我國是目前世界上隧道數量最多、地質最復雜、發展最快、工程施工穿越各類工程地質最多、施工難度最大、施工水平最高的國家。可以肯定的說隧道工程在我國的交通運輸領域會有更加廣闊的發展。本文中,筆者依據多年隧道施工管理經驗,在結合結構理論分析和工程實踐的基礎上,對雙層鋼架式初期支護在隧道施工穿越軟弱、無自穩能力圍巖時的應用加以闡述。

雙層鋼架 軟弱圍巖 新奧法 柔性支護

隧道工程是不可逆的，一旦施工完成就不具備拆除重建的條件，而且施工過程中遇到的未知因素多，所有設計、施工方案必須科學合理。根據“新奧法”理論，圍巖和支護結構共同受力以保持穩定，鋼拱架、噴錨等柔性支護可以適應圍巖在開挖后自穩過程中沉降變形，而最終二者形成一個受力整體，因而在隧道施工過程中需要控制圍好巖變形并讓其保持穩定。隧道施工過程中，可能遇到各種各樣的復雜地質問題，地貌與氣候、地質構造、巖體結構、巖體性質、地質環境等都會對其產生影響，而最長見的不利地質條件就是淺埋段、斷裂破碎帶、溶洞填充等圍巖軟弱、無自穩能力的情況。圍巖軟弱、甚至無自穩能力的情況下，初期支護既要有足夠的強度、又要能夠協調圍巖趨于穩定中的變形，而雙層鋼架式隧道初期支護在一定程度上解決了這樣的問題。

1 圍巖及支護受力分析

“新奧法”理論將巖體視為連續介質，結合黏、彈、塑性理論，根據在巖體中開挖隧道后從變位產生到巖體破壞要有一個時間效應的性質，適時構筑柔性并能與圍巖緊貼的支護結構來保護圍巖的天然承載力，變圍巖本身為支護機構購的一部分，使圍巖與構筑的支護結構共同形成堅固的承載環，進而形成長期穩定的地下工程。按照“新奧法”理論，隧道二次混凝土襯砌作為安全儲備和承受部分流變荷載、地震作用等，施工過程中必須按圍巖穩定性情況進行初期支護參數的調整，確保其有足夠的剛度和強度，并與圍巖形成一個整體共同受力。

工程實踐中，初期支護在軟弱、淺埋、破碎等底層中施工時發生大變形、甚至破壞塌方的實例較多。究其原因，在這類情況下，圍巖并未按理論參與受力，初期支護的計算實際受力與實際受力不符，按計算受力確定的支護強度無法滿足支護需要。在上述地質情況下，為保證初期支護安全，必須采用較強的剛性支護、并盡可能加快支護速度。

2 雙層鋼架式初期支護方案和優點分析

2.1 雙層鋼架式隧道初期支護方案

第一層鋼架采用型鋼鋼架以保證支護強度和剛度，第二層鋼架采用格柵鋼架以保證施工速度和后期整體強度。每層鋼架均需要布設鎖腳錨桿、掛鋼筋網、噴射混凝土。由于圍巖軟弱，隧道開挖形成的平衡拱高度很大，拱部需要設計很長的錨桿才能打入穩定圍巖中起到錨固作用，施工難度大、時間長、再次擾動圍巖，存在不安全因素，故而拱部不設置系統錨桿。

2.2 優點分析

軟弱、破碎等圍巖自承能力較小，并在開挖后迅速下降，圍巖形變壓力迅速轉化為松弛壓力，很快進入松弛狀態，即趨于失穩。采用導管、注漿等超前支護，可以使圍巖自承力有一定提高，開挖后不會瞬間垮塌，為初期支護贏得時間。第一層鋼架采用型鋼鋼架并設置鎖腳錨桿、噴射混凝土，這種結構剛度大、強度高，在很大程度上能夠限制軟弱、破碎圍巖的形變，并為后續第二層鋼架施工爭取時間。

第二層鋼架采用格柵鋼架，并設置鎖腳錨桿、噴射混凝土，具備以下優點:(1)格柵鋼架制作安裝速度快。據統計，安裝1榀型鋼鋼架的時間，同等條件下可安裝4榀格柵鋼架。采用格柵鋼架可以加快施工速度，使支護盡早參與受力，進而增加整體支護強度、減少圍巖變形和失穩的可能性。(2)格柵鋼架在橫斷面x、y兩個方向上具有等強度、等剛度、等穩定度，并具有相對柔性，容許圍巖適度變形能力優于型鋼鋼架。(3)格柵鋼架本身重量較輕，在能夠大幅度提高施工速度的同時，減輕了支護自身的重量，能更好的提供支護阻力。(4)工程造價低，節約成本。

3 工程實踐

某隧道初期支護發生大的沉降變形，在及時采取了在洞內加設50cm/榀套拱、周邊注漿、增加豎向及斜向支撐等補強措施后，仍發生了坍塌事故。后經對坍塌段的補勘發現該段頂部地層為強風化砂巖，洞身處圍巖為砂巖和灰巖，而且灰巖面存在大小不等的土洞或溶洞，最大空洞直徑約13米，溶洞填充物大部分為粉質粘土，并含較多碎石土。

該隧道塌方處的坍塌物為典型的松散、軟弱、破碎、無自穩能力圍巖，施工難度大。經過專家論證，塌方處的施工初期支護采用雙層鋼架式。具體方案為:第一層鋼架采用I22b型鋼鋼架，間距40cm，φ 8鋼筋網20×20cm，噴射C20混凝土28cm，4.5m長φ25鋼筋鎖腳錨桿;第二層鋼架為φ22鋼筋加工成20×20cm格柵鋼架，間距40cm，噴射C20混凝土20cm，4.5m長φ25鋼筋鎖腳錨桿。施工開挖方案采用雙側施工壁法，開挖前采用φ50小導管1×m布置并注1:1水泥漿進行超前支護。施工過程中控制開挖進尺，并加強監控量測工作。

從現場實際施工情況來開，施工順利，施工過程中初期支護變形穩定，監控量測數據顯示，二次襯砌施作前拱頂最大累計下沉量僅59mm，遠遠低于設計預留變形量200mm。

4 結語

雙層鋼架式隧道初期支護在隧道施工穿越軟弱、破碎、松散底層時，是一種有效的支護方式，能夠保證施工的順利、安全。隧道工程是一個非常復雜、未知數很多大系統工程，施工過程中總會遇到各種各樣的地質條件，怎樣在不利的地質條件安全順利施工，是所有隧道工程技術人員應該思考和總結的問題。通過不斷總結經驗、實踐創新，相信我國的隧道工程事業的發展必將更加快速、和諧。

[1]《公路隧道施工技術規范》(JTG F60-2009).

[2]《公路隧道設計規范》(JTG D70-2004).

[3]楊會軍,王夢茹.隧道圍巖變形影響因素分析[J].鐵道學報,2006 (3):92-96.

[4]王夢茹.中國隧道及地下工程修建技術.人民交通出版社.