雙線鐵路軟巖隧道施工大變形控制技術(shù)研究

姚勇慧

（中鐵十二局集團(tuán)第四工程有限公司，陜西 西安 710024）

隨著持續(xù)推進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)工作和迅速發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)工程，各地的鐵路運(yùn)輸能力不斷增強(qiáng)，山區(qū)、山嶺隧道的數(shù)量也與日俱增，鐵路、隧道等工程將進(jìn)入建設(shè)高峰期[1]。由于該類工程地質(zhì)條件特殊，例如高應(yīng)力、大埋深、大斷面和大變形等，因此，分析施工過程，并規(guī)范化設(shè)計(jì)項(xiàng)目施工，具有十分重要的意義[2]。深入研究發(fā)現(xiàn)，建設(shè)與運(yùn)營該類隧洞，不僅能促進(jìn)我國隧洞產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展，還能為同類施工中遇到的高地溫、突涌水、高原凍害、巖爆、軟巖和高應(yīng)力大變形等復(fù)雜地質(zhì)問題積累經(jīng)驗(yàn)。其中，軟巖巷道大變形是隧道工程施工中最突出的難題，軟巖會(huì)增加工程施工難度，難以保障施工中結(jié)構(gòu)的安全性，減緩施工進(jìn)度、增加項(xiàng)目成本[3]。高應(yīng)力導(dǎo)致軟巖巷道圍巖發(fā)生大變形的問題是目前隧道工程界關(guān)注的熱點(diǎn)。為解決該問題，該文將對(duì)此進(jìn)行研究。

1 建立雙線鐵路軟巖隧道施工模型

1.1 建立模型并確定模型邊界條件

根據(jù)工程需求，選用FLAC3D 作為構(gòu)建施工模型的主要工具，采用FLAC3D 中的三元高速拉格朗日方法，將計(jì)算域內(nèi)的介質(zhì)劃分為若干小單元，并將各單位聯(lián)結(jié)在一起，對(duì)某一結(jié)點(diǎn)施加載荷，然后將結(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程轉(zhuǎn)化為時(shí)間的有限差分[4]。在短期內(nèi)，對(duì)結(jié)點(diǎn)施加的荷載僅對(duì)附近的少數(shù)結(jié)點(diǎn)有影響，通過該方式，可以模擬施工過程。

FLAC3D 利用流速變化及結(jié)點(diǎn)周期，可得出結(jié)點(diǎn)間的相對(duì)位移，從而得到結(jié)點(diǎn)間的相對(duì)應(yīng)變。在有限元條件下，柵格構(gòu)成材質(zhì)特征，用戶可以調(diào)整柵格，使模型適應(yīng)隧道工程實(shí)體結(jié)構(gòu)的外形。FLAC3D 將一個(gè)計(jì)算區(qū)域分成上千個(gè)六面體，每個(gè)六面體都是按照線性或者非線性構(gòu)型關(guān)系繪制[5]。在壓力作用下，材料會(huì)塑性流動(dòng)，網(wǎng)格隨著材料的變形而產(chǎn)生變化，從而更直觀地模擬隧道施工變形。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)隧道的開挖深度和寬度，繪制隧道三維斷面圖，如圖1 和圖2 所示。

圖1 隧道三維斷面圖

圖2 模型斷面圖

在圣維南原則的基礎(chǔ)上，考慮在高地應(yīng)力的軟巖環(huán)境中，挖掘隧道會(huì)對(duì)周圍的巖石造成很大擾動(dòng)，因此該模擬邊界是挖掘直徑的10 倍。

初步構(gòu)建模型后，需要按照靜水壓力計(jì)算模型，此時(shí)，模型在施工中3 個(gè)方向的初始地應(yīng)力高度一致[6]，因此，可以根據(jù)地應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律，確定模型邊界條件。

1.2 確定施工模型計(jì)算參數(shù)

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，確定模型中的相關(guān)參數(shù)。當(dāng)模型參數(shù)取值時(shí)，需要參照現(xiàn)場(chǎng)勘查數(shù)據(jù)與測(cè)量數(shù)據(jù)，因此，在初始地應(yīng)力保持穩(wěn)定不變的前提下，設(shè)定模型中隧道圍巖結(jié)構(gòu)初始地應(yīng)力對(duì)應(yīng)的垂直方向應(yīng)力分量和水平方向應(yīng)力分量，如公式（1）所示。

式中：σx、σy為模型中隧道圍巖結(jié)構(gòu)初始地應(yīng)力對(duì)應(yīng)的水平方向應(yīng)力分量；λ為土體結(jié)構(gòu)側(cè)壓力系數(shù)；σz為模型中隧道圍巖結(jié)構(gòu)初始地應(yīng)力對(duì)應(yīng)的垂直方向應(yīng)力分量，計(jì)算σz如公式（2）所示。

式中：γ為水平面與水平主應(yīng)力之間的交角；h為隧道深度。

完成上述計(jì)算后，參照Hoke-Brown 準(zhǔn)則，計(jì)算隧道中巖體結(jié)構(gòu)的黏聚力和內(nèi)摩擦角度。如公式（3）所示。

式中：φ為隧道中巖體結(jié)構(gòu)內(nèi)摩擦角度；τ為測(cè)量數(shù)據(jù)；n為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。計(jì)算隧道中巖體結(jié)構(gòu)的黏聚力，如公式（4）所示。

式中：c為隧道中巖體結(jié)構(gòu)的黏聚力。參照上述內(nèi)容，施工模型中圍巖結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 隧道施工模型中圍巖結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)

在隧道工程的模擬施工中，根據(jù)工程實(shí)際情況，將計(jì)算參數(shù)代入模型，對(duì)鐵路軟巖隧道工程施工過程進(jìn)行模擬，構(gòu)建施工模型。

2 雙線鐵路軟巖隧道施工大變形控制

2.1 實(shí)施超前支護(hù)技術(shù)

為有效控制雙線鐵路軟巖隧道施工大變形，應(yīng)用超前支護(hù)技術(shù)，超前支護(hù)中的管棚預(yù)支護(hù)，其基本結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 管棚預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)圖

在具體的施工中，在隧洞及其他襯砌周緣相應(yīng)的圓弧部分鉆孔，安裝鋼管后通過注漿加固巖體[7]。在此基礎(chǔ)上，采用超前管棚支護(hù)，使隧洞頂部形成穩(wěn)定性較好的“傘”型防護(hù)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可對(duì)隧洞頂部進(jìn)行有效支護(hù)，防止上部土層塌陷，為后續(xù)開挖與施工奠定了較好的基礎(chǔ)。針對(duì)雙線鐵路軟巖隧道中容易出現(xiàn)嚴(yán)重大變形的分段，管棚采用?108mm，壁厚為10mm 的熱軋無縫鋼管，選用總長度為10m，單根長度為1.8m 的超前管棚。環(huán)向間距設(shè)置為280cm，對(duì)稱布設(shè)左右各60°，共設(shè)置38 根鋼管。注漿孔需要按照直徑為10mm，間隔為25cm 的“梅花”形進(jìn)行布設(shè)。采用超前管棚支護(hù)工藝，不僅有效控制了雙線鐵路軟巖隧道開挖過程中的開挖面變形問題，保障施工的安全[8]，也避免了普通區(qū)段施工時(shí)的工序交接問題。這樣可以減少在臨時(shí)支護(hù)施工過程中的安裝和拆除工序，從而減少工程的工作量，節(jié)約工程造價(jià)。同時(shí)，也為后續(xù)的機(jī)械操作奠定了基礎(chǔ)，提高了項(xiàng)目的施工效率。

2.2 建立雙層支護(hù)體系

在支護(hù)階段，兩層初始支護(hù)處在不同的受力條件下。隨著推進(jìn)開挖面，圍巖應(yīng)力釋放率逐漸減少，當(dāng)?shù)谝淮沃ёo(hù)變形速度減慢時(shí)，進(jìn)行第二次支護(hù)。在此基礎(chǔ)上，通過分析兩層圍護(hù)結(jié)構(gòu)，得出兩層圍護(hù)結(jié)構(gòu)的初始應(yīng)力—失效關(guān)系曲線和兩層圍護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力—失效關(guān)系曲線如圖4 所示。

圖4 雙層初期支護(hù)受力破壞關(guān)系曲線圖

在具體施工中，普通的鑿巖機(jī)既不能滿足鉆孔的深度需求，也不能滿足鉆孔的傾斜角度要求，只有配備符合施工要求的錨桿臺(tái)車才能順利完成錨桿鉆孔作業(yè)任務(wù)，以此保證鉆孔的傾角。因此，在該工程中，需要設(shè)置錨桿臺(tái)車。

2.3 超長錨桿及背后注漿變形控制

當(dāng)采用長錨桿加固圍巖時(shí)，錨桿的錨固端位于巖石的彈性區(qū)域或松動(dòng)圈內(nèi)。錨桿錨固端位置如圖5 所示。

圖5 錨桿錨固端位置圖

錨桿需要布設(shè)合理間距，單根錨桿加固區(qū)域應(yīng)當(dāng)有一定范圍重疊，從而形成加固圈，起到支撐作用。

錨桿參數(shù)是隧道支護(hù)中的重要數(shù)據(jù)，結(jié)合松動(dòng)圈支護(hù)理論，假設(shè)當(dāng)圍巖松動(dòng)圈的厚度到錨桿端頭位置時(shí)，錨桿的應(yīng)力為最大值。針對(duì)該特征，結(jié)合圍巖松落環(huán)試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化錨索參數(shù)，使其更好地控制圍巖變形。計(jì)算全長黏結(jié)錨桿的承載力如公式（5）所示。

式中：P為錨桿的支護(hù)抗力；D為錨桿的鉆孔直徑；L為錨桿錨固的長度，通常取1/2 錨桿長度；fmg為黏結(jié)材料與圍巖之間產(chǎn)生的黏結(jié)強(qiáng)度；Sa為錨桿豎直方向的間隔距離；Sb為錨桿水平方向的間隔距離。

采用背后注漿加固改善地層的疏松性，控制水量，提高雙線鐵路軟巖隧道的頂部和側(cè)面抗壓強(qiáng)度，從而達(dá)到加固和控制變形的目的。通常可以根據(jù)摩爾強(qiáng)度描述巖體強(qiáng)度，巖體強(qiáng)度如公式（6）所示。

式中：τ為巖體的抗剪強(qiáng)度；c為巖體的內(nèi)黏聚力；τ為正應(yīng)力；φ為內(nèi)摩擦角。

隨著隧道施工時(shí)間增長，圍巖中的軸向應(yīng)力降低，但切向應(yīng)力變大。主要原因是巖體原有的應(yīng)力均衡狀態(tài)被打破，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重新分配，使應(yīng)力集中。當(dāng)巖體的強(qiáng)度無法承受集中切向應(yīng)力時(shí)，c和φ均會(huì)逐漸變小。隧道周圍某一區(qū)域的巖石破裂，并出現(xiàn)裂隙，在隧道周圍形成了松散圈。注漿后，可以對(duì)該地區(qū)的松散巖石進(jìn)行加固，提高強(qiáng)度。采用合理的注漿技術(shù)能將裂隙填充密實(shí)，與裂隙緊密結(jié)合，形成完整的承載體，從而降低應(yīng)力集中，提高圍巖的承載力。

3 結(jié)語

隨著不斷深入研究隧洞理論與工程實(shí)踐，施工方對(duì)隧洞圍巖大變形問題有了較多的認(rèn)識(shí)，但也存在不足，部分工程方對(duì)圍巖的大變形沒有清晰的定義，只是從某一角度對(duì)其進(jìn)行分析，已有的研究成果對(duì)大變形的認(rèn)識(shí)不夠全面。因此，必須全面、系統(tǒng)地研究軟巖隧道大變形特性及其圍巖開挖與支護(hù)技術(shù)措施，才能為施工提供保障。該項(xiàng)目以此為切入點(diǎn)，系統(tǒng)地研究軟巖隧道圍巖大變形特性，并提出對(duì)應(yīng)的施工控制技術(shù)。通過該研究，明確了控制隧道施工中圍巖結(jié)構(gòu)大變形的重要性，針對(duì)該文的研究成果，在后續(xù)工作中，將根據(jù)實(shí)際情況，結(jié)合工程施工的具體需求，在工程實(shí)踐中應(yīng)用該方法，進(jìn)一步完善與優(yōu)化工程施工方案，為軟巖地區(qū)隧道工程的施工積累工作經(jīng)驗(yàn)。