高地應力炭質板巖隧道超前洞室應力釋放試驗研究

武建廣

（中鐵隧道集團有限公司，河南洛陽471009）

高地應力炭質板巖隧道超前洞室應力釋放試驗研究

武建廣*

（中鐵隧道集團有限公司，河南洛陽471009）

結合現場高地應力實際情況，以蘭渝鐵路木寨嶺隧道7#斜井進行超前導洞、超前導坑地應力釋放試驗，從理論分析和實際施工變形監測2方面與原施工段進行對比，無論是塑性區的發展，還是支護結構的變形發展，超前導洞都達到變形控制的作用，對其存在的問題還需在今后的研究中繼續完善。

導洞；導坑；應力釋放；變形控制

在高地應力軟巖隧道施工過程中產生的大變形導致初期支護混凝土開裂、剝落、掉塊，支護鋼架扭曲、錯斷，初支侵限［1-2］，嚴重影響了隧道施工安全和進度，也加大了施工成本。在高地應力區域修建成的隧道由于變形大導致支護嚴重破壞，如烏鞘嶺隧道施工時最大變形量近1.0m，開挖初期平均變形量在0.4～0.6m，致使初支因大變形而遭破壞，并嚴重侵入隧道襯砌凈空，不得不將初支全部或部分拆除重做［3］；如木寨嶺公路隧道施工中由于大變形導致部分地段多次拆換拱［4］。

在修建蘭渝鐵路木寨嶺隧道初期就因高地應力軟巖作用，多數斜井出現大變形，最為嚴重的是木寨嶺大坪有軌斜井，大變形導致斜井斷面徑縮［5］，僅侵限段處理就耗時2.5個月，嚴重影響了施工進度。為了尋找解決炭質板巖大變形的方法，在木寨嶺隧道大戰溝斜井進行了超前導洞應力釋放試驗，通過對高地應力軟巖隧道圍巖初始地應力的預釋放，以期使隧道支護變形減小至安全可控狀態。

木寨嶺隧道建設者已對超前導洞進行了初步研究［6-8］，本文在前人研究的基礎上增加理論計算分析，從理論和實際施工2方面對地應力與隧道軸線成大角度相交的情況下超前導洞試驗進行全面分析，并與正常施工對比段進行對比，更全面地了解導洞應力釋放效果。

1　工程概況

蘭渝鐵路木寨嶺隧道洞身通過炭質板巖區，板巖及炭質板巖段合計8850m，占隧道全長的46.5%。隧道穿越斷層破碎帶總計11條，合計4500m，占隧道全長的23.7%。大戰溝斜井最大埋深約500m，隧道軸線方向為N80°E，與最大主應力方向成46°大角度相交，穿越巖層為板巖夾炭質板巖夾砂巖及F16斷層帶壓碎巖區。

炭質板巖的力學特性與結構面傾角大小有關，當結構面受力后易發生剪切破壞和順層理面滑移破壞；板巖浸水后強度降低約50%，在水的作用下板巖力學性質會削弱巖體強度。炭質板巖巖體層理發育，富含裂隙水，遇水易軟化，圍巖穩定性較差，極易產生大變形且局部易垮塌。現場測得地應力方向為N34°E，最大水平主應力分別為24.95MPa、27.16MPa，屬高應力區。炭質板巖地段開挖爆破后應力重新分布，也極易造成隧道圍巖大變形和局部坍塌。

2　超前導洞的設計

超前導洞試驗段設置在大戰溝斜井，導洞設置在隧道斜井上半斷面。綜合考慮施工安全、方便等因素，小導洞斷面尺寸高3.5，寬為3.5m，小導洞超前距離15m，導洞內開挖后設置臨時支護，挖完后拆除，應力控制時間為1d。超前導洞示意圖如圖1所示。

超前導坑試驗段也設置在隧道斜井上半斷面。綜合考慮各因素，小導坑斷面4m2（2.0m×2.0m），斷面形狀為方形，小導坑超前距離3～4m，小導坑內不進行剛性支護，但可以采取適當的柔性支護措施，應力釋放時間1d，超前小導坑設置如圖2所示。

3　導洞段與對比段支護參數

3.1導洞段支護參數

導洞試驗段里程為斜6+90～斜6+75，采用曲墻開挖斷面，支護參數以網噴混凝土+錨桿+工字鋼組成，錨桿拱墻布置；工字鋼采用I16型鋼，每榀間距60cm；拱、墻采用?22mm砂漿錨桿，L=3.0m，環向間距1.0m× 1.0m，按梅花形布置；拱墻滿鋪?8mm鋼筋網，網格尺寸20cm×20cm；拱部采用?42mm超前小導管預注漿進行超前支護，L=3.5m；拱架連接處設?22mm鎖腳錨桿，L=3.0m，每榀拱架設8根；噴射早強混凝土23cm；仰拱鋼架采用I16型鋼加工，澆注C25混凝土封閉成環。

3.2小導坑試驗段支護參數

小導坑試驗段里程為斜7+80～斜7+76，采用曲墻開挖斷面，支護參數以網噴混凝土+錨桿+工字鋼組成，錨桿拱墻布置；工字鋼采用I16型鋼，每榀間距60cm；拱、墻采用?22m砂漿錨桿，L=3.0m，環向間距1.0m× 1.0m，按梅花形布置；拱墻滿鋪?8mm鋼筋網，網格尺寸20cm×20cm；拱部采用?42mm超前小導管預注漿進行超前支護，L=3.5m；拱架連接處設?22mm鎖腳錨桿，L=3.0m，每榀拱架設8根；噴射早強混凝土厚23cm；仰拱鋼架采用I16型鋼加工，澆注C25混凝土封閉成環。

3.3原施工對比段支護參數

原施工段里程為斜8+00～斜7+90，開挖面為曲墻，支護參數以網噴混凝土+錨桿+工字鋼組成。工字鋼采用I18型鋼，每榀間距60 cm；錨桿拱墻布置，拱、墻采用?22mm砂漿錨桿，L=3.0m，環向間距為1.0m×1.0m，按梅花形布置；拱墻鋪設?8mm鋼筋網，網格尺寸為20cm×20cm；拱部采用?42mm超前小導管預注漿進行超前支護，L=3.5m；拱架連接處設?22mm鎖腳錨桿，L=3.0m，每榀拱架設8根；噴射早強混凝土23cm；仰拱鋼架采用I18型鋼加工，澆注C25混凝土封閉成環。

圖1　超前導洞布置示意圖（單位：cm）

圖2　超前小導坑布置示意圖（單位：cm）

4　導洞的理論分析

4.1模型的建立

選取的計算模型區域為橫向取隧道斜井開挖洞徑的8倍左右，即左右各60m；豎向取隧道開挖洞高的10倍左右，即隧道拱頂開挖以上巖體32m，仰拱開挖以下巖體48m，沿隧道縱向取1m進行平面計算，在模型中共生成了5730個節點和3688個單元。

4.2計算分析

用FLAC3D求解出隧道斜井導洞試驗段與原施工對比段的不同施工階段的塑性區分布進行對比，從而可以從理論上來驗證各個試驗段應力釋放措施控制隧道大變形的可行性。

4.2.1塑性區對比

從各施工段半斷面支護前圍巖塑性區分布圖中可以很直觀地看出，超前導洞、超前導坑上半斷面開挖支護前，圍巖塑性區的分布范圍都小于原施工段，理論上來驗證采用超前導洞、超前導坑應力釋放控制變形的可行性。

從隧道斜井上半斷面開挖后支護前的圍巖塑性區分布云圖，還可以直觀地看出，在隧道斜井上半斷面開挖后支護前，圍巖塑性區主要分布在拱頂、拱腰上半部分以及隧道斜井下半斷面，且分布范圍比較大，表明在隧道斜井上半斷面開挖后，應力重分布出現在隧道斜井上半斷面及下半斷面巖體。因此在上半斷面支護時，應加強拱頂及拱腰上半部分的支護。

從各施工段半斷面支護后圍巖塑性區分布圖可以很明顯地看出，與沒有支護前相比，上半斷面支護后，圍巖塑性區已經基本得到了控制，從而使得隧道斜井上半斷面拱頂拱腰附近圍巖的應力狀態得到了比較好的調整，使受力也更加均勻了。同時還可看出超前導洞、超前導坑的塑性區范圍與原施工段相比也略有減少。

從各施工段半斷面支護后圍巖塑性區分布圖可以看出，在下斷面開挖后，導洞試驗段的塑性區擴展范圍也小于原施工段。塑性區主要分布在墻角和底拱處，尤其底拱處，塑性區向深部擴展范圍比較大，同時在原施工段，拱腰45°方向也出現了塑性區，這就需要一方面在上斷面支護時，加強拱腰45°方向的支護，以防止支護結構的混凝土開裂掉塊，鋼架扭曲等現象；另一方面需要及時封底成環，加強支護，以防止底鼓現象的出現。

4.2.2豎向位移對比分析

用FLAC3D數值模擬軟件模擬計算出豎向位移云圖。從各施工段上半斷面支護后豎向位移云圖可以很明顯看出，上半斷面支護后，隧道斜井各段豎向位移都不是很大。導洞和超前導坑試驗段拱頂豎向位移都比原施工段小，且上斷面開挖對下斷面巖體位移的影響，導洞和超前導坑試驗段也小于原施工段；同樣，下半斷面支護后，隧道斜井各段整體豎向位移都得到了控制。隧道斜井導洞和超前導坑試驗段上下斷面豎向位移也都比原施工段小。

4.2.3水平位移對比分析

從各施工上半斷面支護后水平位移云圖可以明顯看出，上半斷面支護后，隧道斜井超前導洞和超前導坑試驗段的上半斷面水平位移也都比原施工段小，此外，在兩側拱腰處，位移影響向深部的擴展范圍，也都小于原施工段。

綜合以上，超前導洞和超前導坑試驗段比原施工段的最大水平位移值，拱頂下沉都減小，說明應力釋放，能夠減低地應力對支護的作用，也為現場施工提供了理論基礎。

5　導洞的現場施工及控制效果

5.1導洞施工

超前導洞試驗歷時3d，試驗段地質為炭質板巖，黑色，強風化，屬軟巖，薄層狀，局部巖層有扭曲變形現象。該段節理發育，地下水不發育，局部有滲滴水現象。該段巖層受F16斷層影響，巖體破碎。超前導洞試驗圖片如圖3所示。

5.2導坑施工

超前導坑試驗歷時2d，開挖揭示圍巖為炭質板巖，黑色，強風化，屬軟巖，薄層狀，局部巖層有扭曲變形現象。該段節理發育，地下水不發育。該段巖層受F16斷層影響，巖體破碎，自穩能力差，導坑開挖后成型較差，超前導坑試驗圖片如圖4所示。

5.3導洞的變形控制效果

導洞試驗段和施工對比段變形數值如表1所示。

圖3　超前導洞試驗照片

圖4　超前小導坑試驗圖

表1　導洞試驗段和施工對比段變形值

由表1可知，超前導洞試驗段在拱頂下沉和水平收斂位移整體上都明顯小于原施工段，其中試驗段平均沉降減少67.7%；試驗段平均水平收斂減少36.7%，超前導洞和超前導坑試驗段水平收斂變形終值都小于200mm，初期支護結構沒有出現裂縫，說明在地質情況相似條件下，超前洞室應力釋放能夠有效解決高地應力軟巖環境下隧道施工階段大變形的問題。

6　結論

超前洞室、導坑能夠預先釋放部分地應力，使應力進行調整，減低了作用在支護結構上的地層壓力，減緩了隧道支護結構的變形發展，保證了支護結構的安全。但是，由于超前導洞不能與斜井斷面同時開挖施工，在一定程度降低了施工效率；另外，導洞斷面較小，導洞圍巖破碎，導洞開挖中既要保證作業人員的安全，導洞完成后又要達到應力釋放的目的，對導洞的支護參數選擇尤為重要。

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［3］蔡景獻，張繼奎，方俊波.高地應力千枚巖大變形隧道支護參數試驗研究［J］.隧道建設，2005（6）：21-22.

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U451.5

A

1004-5716（2016）04-0182-04

2015-04-08

2015-04-19

武建廣（1977-），男（漢族），河南洛陽人，高級工程師，現從事工程技術與施工管理工作。