早高強噴射混凝土在軟巖大變形隧道中的應用研究
2024-05-30 00:00:00唐亞森農江平胥旭波
西部交通科技 2024年2期
作者簡介：唐亞森（1989—），碩士，工程師，主要從事科技研發管理工作。
摘要：為研究破碎板巖段隧道大變形特征與早高強噴射混凝土對于控制隧道變形的效果，文章以某隧道破碎板巖段軟巖大變形控制為研究對象，通過現場調研、數值模擬、現場實測等分析了軟巖大變形特征與控制方法，并研究了早高強噴射混凝土的應用及其效果。結果表明：軟巖大變形表現為初支開裂、拱架偏移、扭曲、斷裂等，當早高強噴射混凝土彈性模量比逐步提高時，對于隧道變形控制效果越來越好，能夠減小20%～30%的隧道總變形，現場實測表明采用早高強噴射混凝土后隧道能夠達到彈性模量比為0.75的效果。
關鍵詞：隧道工程；軟巖大變形；早高強噴射混凝土；數值模擬；彈性模量比；變形控制
中圖分類號：U455.5
0 引言
隨著我國交通事業蓬勃發展，超長、大斷面、大埋深、地質條件復雜的隧道工程越來越多。在大埋深地區的隧道中，地應力往往較大，硬巖（脆性巖體）容易出現巖爆，軟巖則容易出現大變形等現象，給隧道設計與施工帶來巨大困難。
由于早高強噴射混凝土強度上升快，對于控制隧道初期支護變形效果較好，因此在近些年來得到較多應用。趙啟[1]以硫鋁酸鹽水泥為基礎，摻入鋼纖維與速凝劑配置早高強混凝土，將其應用在馬鞍嶺隧道，取得較好效果。齊康平等[2]分析了青藏鐵路綜合施工技術，研究了該線應用較多的低溫早強高混凝土抗凍性、抗滲性、抗裂性、耐腐蝕性等性能特點。谷煉平等[3-4]針對青藏鐵路風火山隧道高寒特點，以低堿硅酸鹽水泥為主料，經過大量試驗后配置了適用于寒區的低溫早強高混凝土，系統性地研究了其泵送性、強度、耐久性等性能特點。朱政敏[5]進行了摻纖維早高強混凝土的性能試驗，分析了不同配合比、外加劑、早強劑、保水成分對隧道初支混凝土性能的影響，得到了最佳早強劑配方。李維[6]系統性地分析了普通混凝土性能的不足，提出一種新型混凝土壓實裝置與技術理論，通過改善配合比與壓實工藝以提高隧道初支噴射混凝土強度。趙爽等[7]分析了不同配合比的早高強混凝土性能特點，研究了其在鄭萬高鐵巫山隧道中的應用效果。葉飛等[8]綜述了三乙醇胺早強劑在早高強混凝土中的應用，分析了早強劑的作用機理、功能特性、強度特點等，并展望其在隧道病害治理中的應用。
這些研究集中在早高強噴射混凝土配制與試塊性能分析方面。本文以某隧道軟巖大變形段落變形控制為研究背景，采用數值模擬與現場實測等方法，研究了破碎板巖段隧道大變形特征與早高強噴射混凝土對于控制隧道變形的效果。
1 隧道概況
在某隧道進口段，進洞125 m的掌子面揭示為板巖，較為破碎，呈層理狀結構，層厚為1～8 cm，軟硬不均，判定為Ⅴ級圍巖。隧道埋深為214 m，測得最大水平地應力為10.4 MPa；原設計采用Ⅰ級大變形斷面，超前支護為?42 mm超前小導管注漿；初期支護為Ⅰ22a工字鋼以及厚30 cm的C25噴射混凝土，采用三臺階法施工，每個拱腳設4 m長的?42 mm鎖腳錨管；二襯為拱墻，厚55 cm，仰拱為厚60 cm的C40鋼筋混凝土。
隧道開挖后，兩個監測斷面變形超標，初支開裂，拱架偏移、扭曲、斷裂。隧道的累計拱頂沉降最大達到了401.2～423.6 mm，累計周邊收斂最大達到了567.7～597.2 mm。隧道變形可以分為三個階段，急速增長期持續了10～11 d（0～70%），緩慢增長期持續了5～8 d（70%～90%），基本穩定期持續了2～5 d（90%～100%）。隧道預留變形量為200 mm，因此需要換拱。
為了控制隧道變形，提出了支護優化方案，主要包括：采用厚30 cm的C30早高強噴射混凝土作為初期支護，每個拱腳設6 m長的?42 mm鎖腳錨管，在上、中臺階鋼架接頭處設置11根槽鋼加強鋼架連接以提高鋼拱架剛度，其中9根為橫向連接，2根為斜向連接，預留變形量調整為30 cm。為了分析調整后支護措施的有效性，采用數值模擬方法進行計算。
2 數值模擬
2.1 計算參數
結合地勘情況選取板巖計算參數，如表1所示，將鋼拱架+初支+鋼筋網采用等效抗彎剛度法換算為實體模型，如式（1）所示，其余支護結構材料參數如表2所示。為了分析不同早高強混凝土強度下的支護效果，分別將初支彈性模量取最終值的0.25倍、0.50倍、0.75倍、1.00倍。
其中：E——整體等效彈性模量（MPa）；
E0——初支彈性模量（MPa）；
Eg——鋼拱架彈性模量（MPa）；
Ej——鋼筋網彈性模量（MPa）；
s0——初支截面積（m2）；
Sg——鋼拱架截面積（m2）；
Sj——鋼筋網截面積（m2）。
2.2 地應力場重構
采用孔超等[9]提出的地應力場重構方法，對于高地應力場，深部巖體構造應力場較大時可不考慮自重應力場影響。在水平邊界兩側不加約束情況下施加對稱水平荷載，在豎直邊界兩側不加約束情況下施加對稱豎直荷載，如圖1所示，在開始計算后，先計算無約束邊界加荷載的地應力場，后施加位移邊界，分別約束水平與豎直方向位移，開始隧道開挖計算。
2.3 計算模型
建立地層-結構法模型如圖2所示，模型尺寸為X×Y=100 m×80 m，X軸為水平方向，Y軸為豎直方向，模型沿著隧道中軸線對稱設置。隧道采用三臺階臨時仰拱法施工，圍巖采用實體單元，初支采用板單元，錨桿（索）及鎖腳錨桿采用桁架單元，設置最大地應力等級為Ⅰ級，水平地應力為10.4 MPa，豎直地應力為5 MPa，水平地應力與豎直地應力比值為2∶1，與上述測試地應力結果一致。
2.4 計算結果
2.4.1 圍巖變形
隧道開挖后，不同彈性模量比下的圍巖最大水平變形與豎直變形如圖3與圖4所示，由圖可知，當彈性模量比為0.25、0.50、0.75、1.00時，圍巖最大水平變形為39.1 cm、34.4 cm、30.8 cm、27.9 cm，圍巖最大豎直變形為36.5 cm、32.1 cm、28.6 cm、25.9 cm。最大水平變形出現在拱腰附近，最大豎直變形出現在拱肩附近。隨著彈性模量比的增加，圍巖最大水平變形與豎直變形均逐漸減小，前者分別減小了12.1%、21.2%、28.6%，后者分別減小了12.0%、21.6%、29.1%。早高強混凝土早期抗壓強度越大代表著彈性模量越大，相比普通噴射混凝土，早高強噴射混凝土早期強度越大控制隧道變形效果越好，總變形量能減小20%～30%。
2.4.2 圍巖應力
隧道開挖后，不同彈性模量比下的圍巖最大主應力與最小主應力如圖5與圖6所示，由圖可知，當彈性模量比為0.25、0.50、0.75、1.00時，圍巖最大主應力分別為7.9 MPa、7.8 MPa、7.7 MPa、7.6 MPa，圍巖最小主應力分別為15.1 MPa、15.3 MPa、15.4 MPa、15.5 MPa。最大主應力出現在拱腳附近，最小主應力出現在拱頂附近。隨著彈性模量比的增加，圍巖最大主應力逐漸減小，最小主應力逐漸增大，但是數值上差異不大。說明早高強混凝土早期強度變化對圍巖主應力影響較小。
3 現場實測值與計算值對比
在現場施工中，采用早高強噴射混凝土初支進行試驗，得到的實測拱頂沉降值與計算結果對比如圖7所示，由圖可知，采用早高強混凝土噴混后隧道累計拱頂沉降為238.9～278.4 mm，減小了30.6%～40.1%，基本達到了彈性模量比為0.75～1.00的水平，現場實測值與計算值吻合性較高。拱頂沉降發生在開挖上臺階之前，達到79.8%～83.2%，在仰拱封閉成環后，拱頂沉降基本處于穩定狀態。
4 結語
（1）發生在破碎板巖段的隧道軟巖大變形表現為初支開裂、拱架偏移、扭曲、斷裂、造成變形侵限等。
（2）軟巖大變形支護優化措施包括采用早高強混凝土、加強鎖腳與拱架縱向連接、調整預留變形量等。
（3）現場實測與數值計算均表明早高強混凝土能減小20%～30%的隧道總變形，實際中能達到彈性模量比為0.75的效果。
參考文獻：
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