水平層狀圍巖隧道初期支護參數研究

苑俊廷

（中鐵十二局集團第二工程有限公司，山西太原030032）

水平層狀圍巖隧道初期支護參數研究

苑俊廷

（中鐵十二局集團第二工程有限公司，山西太原030032）

針對水平巖層的工程地質特性，依托呂梁—臨縣鐵路車趕隧道工程實例，依據室內室外試驗、現場監測結果綜合分析在該類巖層中隧道開挖支護的錨桿軸力、圍巖壓力、鋼架應力及噴射混凝土應力的變化規律，探討初期支護參數的合理性。結果表明:拱部錨桿受力較大，邊墻錨桿受力很小，可取消邊墻錨桿，適當增加拱部錨桿長度；開挖后圍巖壓力釋放較快，建議在不良地質段或有水地段增設超前支護；全環安設格柵拱架偏于安全，可優化為僅對拱部增加格柵拱架，形成“格柵拱架拱部帶帽+錨網噴”支護；水平巖層施工控制的關鍵點在拱部，當圍巖較差或遇水時，可優先考慮對拱部圍巖采用超前小導管注漿加固。采用優化后的初期支護參數安全順利地通過了水平巖層地段，說明支護參數取值合理。

隧道；水平巖層；工程特性；初期支護參數；合理性

層狀巖體由于巖體物質成分、結構致密程度等不同，加之沉積過程中的沉積作用和礦物顆粒的擇優取向，具有顯著的非均質性、非連續性及各向異性，其變形及強度特征受層面控制，可產生塑性變形［1］，穩定性較差。

在隧道施工中，水平巖層及夾層最不利于隧道的穩定，而且隨著隧道斷面凈空、跨度增大，開挖支護安全風險增加。在隧道施工過程中發現，中薄～中厚層狀巖體膠結能力低，層間結合很差，常有層間錯動面，其水平層理對隧道拱頂穩定性影響較大［2-3］。水平層理使拱頂的梁式效應大大減弱，在節理的影響下容易彎曲、折斷。隧道爆破開挖后，開挖輪廓光爆效果較差，超挖較多［4］，且拱頂巖石逐漸剝落、掉塊、甚至塌方，嚴重影響了施工質量、施工安全及進度。研究其支護參數的合理性，對隧道開挖支護具有重要意義。

1　工程概況

呂梁至臨縣鐵路車趕隧道位于山西省呂梁市方山縣，全長11818m，設計為單線隧道，最大埋深約285m［5］。出口因預留湍水頭車站，設置1248m雙線隧道，線間距5m。水平巖層地段基本設計為Ⅲ級圍巖，支護措施較弱，一般為錨網噴支護。開挖揭示圍巖主要為泥巖、砂巖、頁巖等，呈互層或夾層狀，夾煤層，局部為薄層～中厚層狀構造，強～弱風化，水平層理或近水平層理，可見光滑泥面，節理裂隙發育，巖體破碎，層間膠結較差，整體含水率較小。

根據隧道現場出現的拱頂掉塊、彎曲、折斷、小型坍塌等現象［6］，對原設計支護參數進行了變更。水平巖層地段變更前后支護參數見表1，開挖地段巖層見圖1。

表1　變更前后支護參數

圖1　開挖地段巖層

從表1可以看出，主要對噴射混凝土厚度、錨桿長度及設置范圍、鋼架支護進行了優化。

2　初期支護參數合理性分析

以車趕隧道DK24+550典型斷面為例，共計布設7個測點，主要測試拱頂下沉、水平收斂、錨桿軸力、圍巖壓力、初期支護噴射混凝土應力及鋼架應力，來驗證初期支護參數的合理性。測點布設示意如圖2。

圖2　測點布設示意

2.1拱頂下沉與水平收斂

典型斷面累計拱頂下沉隨時間變化曲線見圖3，累計水平收斂隨時間變化曲線見圖4。

圖3　累計拱頂下沉隨時間變化曲線

圖4　累計水平收斂隨時間變化曲線

由圖3、圖4可以看出：累計拱頂下沉和累計水平收斂變化曲線均可以分為急劇變形、緩慢變形、基本穩定3個階段。累計拱頂下沉值為58.7mm，日最大下沉量發生在開挖當天，為7.6mm；前7d下沉最快，累計達到38mm，占總下沉量的64.7%；15d后基本處于穩定狀態；累計水平收斂值為46.8mm，日最大收斂量發生在開挖當天，為6.2mm，前7d水平收斂最快，累計達到35mm，占總變形量的74.8%，13d后基本處于穩定狀態。拱頂日最大下沉量、累計最大下沉量均大于水平收斂日收斂量及累計收斂量，說明水平層狀圍巖拱部較邊墻變形更大，更不穩定，極易出現彎曲、鼓脹、破裂、折斷破壞［7-8］。

2.2錨桿軸力

典型斷面錨桿軸力的測試結果見表2和圖5。

表2　錨桿軸力測試結果kN

圖5　拱頂錨桿軸力隨時間變化曲線

由表2可以得出：錨桿受力主要為拉力，最大拉力值為16.54kN，位于拱頂；左、右側拱腰錨桿受力也較大，達到11.42kN，而左右邊墻錨桿軸力較小，最大值僅為4.57kN；拱部錨桿受力較大，邊墻錨桿受力很小，僅為拱部錨桿受力的1/4左右，且邊墻錨桿與巖層層面基本平行或相交角度較小，錨桿將水平巖層連接在一起的懸吊作用不明顯，建議取消邊墻錨桿［9］。

從圖5可以看出：拱頂錨桿軸力增長很快，7d內就達到10kN左右，為最大值的60.5%，之后緩慢增加；下臺階開挖時，錨桿軸力暫時有所下降，支護完成后又逐漸回升；二次襯砌施作完畢后錨桿軸力相應減小［10］，這主要是由于二次襯砌承擔了一部分圍巖壓力所致。

2.3圍巖壓力

典型斷面各測點圍巖壓力見表3，圍巖壓力隨時間變化曲線見圖6。所測圍巖壓力值均較小，圍巖壓力最大值出現在拱頂位置，為0.058MPa。左右拱腳處圍巖壓力較大，分別為0.040，0.050MPa。最大值未超過0.1MPa，表明圍巖處于穩定狀態。

表3　圍巖壓力及支護應力量測結果MPa

圖6　圍巖壓力隨時間變化曲線

從圖6可以看出：圍巖壓力在斷面開挖后6d內增幅較快，已基本達到最大圍巖壓力的80%左右，之后增長緩慢，25d后趨于穩定，說明在該種巖層中開挖圍巖壓力釋放較快；下臺階、仰拱開挖時，圍巖壓力變化較大，至二次襯砌施工前圍巖已基本趨于穩定［11］，二次襯砌施作前后圍巖壓力變化不明顯。

2.4初期支護鋼架應力

典型斷面各測點初期支護鋼架應力見表3，初期支護鋼架應力隨時間變化曲線見圖7。所測鋼架應力較大，最大值出現在拱頂附近，其值為168.75MPa，兩側邊墻拱架基本不承受圍巖壓力［12］，拱部鋼架應力遠大于兩側邊墻，邊墻受力較小，僅對拱部采取鋼架支護即可保證圍巖穩定。鋼架應力在仰拱封閉后逐漸趨于穩定。但從圖7來看，下臺階、仰拱開挖、二次襯砌施作對鋼架應力均有一定影響，特別是二次襯砌施作后，鋼架應力明顯下降。這主要是由于二次襯砌承擔了一部分圍巖壓力所致。

圖7　初期支護鋼架應力隨時間變化曲線

2.5初期支護噴射混凝土應力

典型斷面各測點初期支護噴射混凝土應力見表3，其隨時間變化曲線見圖8。

圖8　初期支護噴射混凝土應力隨時間變化曲線

由圖8可見，初期支護噴射混凝土應力值較小，最大應力出現在拱頂，其值為6.13MPa，較大值出現在左、右拱腰，其值分別為3.52，2.35MPa。從總體上來看，拱部應力值遠大于邊墻，初期支護噴射混凝土應力受開挖影響不大，30d后初期支護噴射混凝土應力已基本趨于穩定。初期支護噴射混凝土應力值較小說明格柵拱架承擔了一部分圍巖壓力［13］，驗證了格柵拱架更適合于噴射混凝土柔性支護，彌補了噴射混凝土剛度不足的缺點，達到了良好的支護效果。

3　結論

通過對水平巖層初期支護現場測試數據的分析，得出以下結論：

1）采用變更后的初期支護參數安全順利地通過了水平巖層地段，說明支護參數基本合理。

2）從錨桿軸力受力情況來看，拱部錨桿受力較大，邊墻錨桿受力很小，僅為拱部錨桿受力的1/4左右，且邊墻錨桿與巖層層面基本平行或相交角度較小，建議取消邊墻錨桿，適當增加拱部錨桿長度。

3）從圍巖壓力測試結果來看，圍巖壓力在開挖初期增長較快，6d內基本達到最大圍巖壓力的80%左右，說明在水平巖層中開挖后圍巖壓力釋放較快。建議在不良地質段或有水地段增設超前支護，預防支護不及時造成坍塌。

4）根據鋼架應力測試結果，結合現場實際情況分析，全環安設格柵拱架偏于安全，建議優化為僅對拱部增加格柵拱架，形成“格柵拱架拱部帶帽+錨網噴”支護。

5）拱部錨桿軸力、圍巖壓力、鋼架應力及初期支護噴射混凝土應力均遠大于邊墻，說明水平巖層施工控制的關鍵點在拱部。當圍巖較差或遇水時，可優先考慮對拱部圍巖采用超前小導管注漿加固。

6）由于水平巖層一般夾雜泥巖、砂巖、黏土等或為互層，具有浸水瓦解泥化的特點，其強度受水影響極大，施工中須做好防排水工作。

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AbstractBased on engineering geological characteristics of horizontal layered surrounding rock，the Chegan T unnel in Lyuliang-Linxian railway was studied and its initial support rationality was discussed.According to the indoor and outdoor test and field monitoring results，comprehensive analysis of anchor bolt axial force，rock mass pressure，steel stress，concrete stress and deformation of primary support in the rock tunnel excavation was conducted.T he results shows that arch anchor stress is large，requiring longer length，while side wall anchor force is small and ignorable. After excavation rock pressure is released quickly.It is suggested to use support in advance in undesirable geological section or in area full of water.A full grid arch is too conservative，and partial installation at the arch，i.e.，grid arch with cap plus anchor net spray support is advisable.T he key to construction control of horizontal layered rock is the arch.W hen the surrounding rock is undesirable or full of water，advanced small pipe grouting may be used for arch surrounding rock.T he initial support parameters using this optimized technology were proved rational by the practice.

KeywordsT unnel；Horizontal layered surrounding rock；Engineering properties；Primary support parameter；Rationality

（責任審編葛全紅）

Study on Primary Support Parameters of Tunnel in Horizontal Layered Surrounding Rock

YUAN Junting
（The 2nd Engineering Co.，Ltd.of the 12th Bureau Group of China Railway，Taiyuan Shanxi 030032，China）

U455.7

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.15

1003-1995（2016）04-0056-04

2015-10-12；

2016-01-25

苑俊廷（1984—），男，工程師，碩士。