趙紅飛，趙青云，劉繼文，曹廣勇，翟朝嬌

(1. 中鐵四局集團(tuán)第四工程有限公司，安徽 合肥 230012；2. 安徽建筑大學(xué) 建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601)

0 引 言

我國(guó)幅員遼闊，山地占主要成分，隨著大力發(fā)展交通，山區(qū)修建公路又受地形制約，必然會(huì)修建大量隧道。斷層破碎帶是隧道中常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象，其分布極易出現(xiàn)拱頂塌方、大變形等工程事故，給施工帶來巨大損失[1]。

現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外對(duì)于隧道穿越斷層破碎段的圍巖穩(wěn)定性及其變形做了大量研究[2-6]。Jeon Seokwon Kim[2]發(fā)現(xiàn)了隧道節(jié)理裂縫延伸規(guī)律。辛純濤[3]對(duì)比較常見的斷層破碎帶圍巖監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了總結(jié)和分析，實(shí)際證明檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用。林建奎[4]發(fā)現(xiàn)了縮短工序循環(huán)時(shí)間，加快施工進(jìn)度，能更有效控制圍巖收斂變形。李興春[5]對(duì)某隧道斷層破碎段大變形產(chǎn)生的原因提出了超前支護(hù)、短臺(tái)階等施工方法。畢旭冰[6]等發(fā)現(xiàn)采用臺(tái)階開挖方法可以減小斷層破碎帶對(duì)圍巖的影響。

本文以太(原)焦(作)高鐵皇后嶺隧道為工程背景，選取典型斷面，對(duì)比分析圍巖變形規(guī)律，評(píng)價(jià)開挖及支護(hù)方案是否合理，以其為類似條件工程提供參考。

1 工程背景

皇后嶺隧道位于太行山中南段的長(zhǎng)治盆地南緣，地屬山西省長(zhǎng)治市縣境內(nèi)。起始里程為DK241+765終點(diǎn)里程為DK246+305，全長(zhǎng)4540m。隧道進(jìn)口位于長(zhǎng)治縣辛呈村西南角；隧道出口位于長(zhǎng)治縣西八村東南，往南距685縣道約110m，往東距207國(guó)道約360m。隧道最大埋深142.56米。

研究區(qū)域?yàn)樗淼罃鄬悠扑閹Ф危瓷淼貙訛槭規(guī)r，泥巖、砂巖。石灰?guī)r：深灰色，弱風(fēng)化，見溶洞。泥巖：深灰色，強(qiáng)風(fēng)化。砂巖：淺灰色，弱風(fēng)化。該段節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體極破碎，洞身段受構(gòu)造影響，斷層內(nèi)巖體極破碎，呈散體結(jié)構(gòu)。隧道埋深范圍約29.5m-44m，圍巖等級(jí)為V級(jí)。隧道地質(zhì)剖面及斷面尺寸如圖1所示。

選取的兩個(gè)典型斷面分別位于DK243+190和DK243+390，間隔200m。其中DK243+190斷面鄰近斷層，DK243+390斷面為常規(guī)段。

圖1 隧道地質(zhì)剖面及斷面尺寸

圖2 斷層破碎帶現(xiàn)場(chǎng)

2 開挖和支護(hù)方案設(shè)計(jì)

選取的隧道區(qū)段為V級(jí)圍巖，根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)和圍巖級(jí)別，開挖V級(jí)圍巖開挖采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法。開挖方式采用弱爆破方式開挖，開右至少要錯(cuò)開三榀開挖，依次開挖上、中、下臺(tái)階，日進(jìn)尺1.2m。每層臺(tái)階開挖后，隨即初噴混凝土和安設(shè)拱架。開挖示意圖如圖3所示，圖中I—Ⅲ為相應(yīng)臺(tái)階開挖順序，①—③為相應(yīng)支護(hù)順序。

圖3 三臺(tái)階臨時(shí)仰拱開挖示意圖

主要開挖及支護(hù)過程如下：

(1)開挖上臺(tái)階I，初噴4cm厚混凝土，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片，架立I22型鋼架，復(fù)噴26cm厚混凝土保護(hù)層，施作中空組合錨桿。施作上臺(tái)階臨時(shí)仰拱，在平臺(tái)底部噴射4cm混凝土，架設(shè)I18輕型臨時(shí)鋼架，復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度25cm，施作砂漿錨桿，錨桿梅花布置，環(huán)間距1200mm×1000mm。上臺(tái)階一次開挖一榀拱架間距。

圖4 錨桿布置縱斷面圖

圖5 測(cè)點(diǎn)分布示意圖

(2)開挖中臺(tái)階Ⅱ，滯后上臺(tái)階一段距離后，拆除I部2～3榀I18臨時(shí)鋼架，再開挖Ⅱ。初噴4cm厚混凝土，掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片，架立I22型鋼架，復(fù)噴26cm厚混凝土。施作中臺(tái)階臨時(shí)仰拱，與上臺(tái)階相同。中臺(tái)階一次開挖兩榀拱架間距。

(3)開挖下臺(tái)階Ⅲ，與中臺(tái)階相同。需要特別注意的是：中、下臺(tái)階開挖時(shí)至少錯(cuò)開2榀拱架施工，嚴(yán)禁兩邊拱架同時(shí)懸空。下臺(tái)階兩側(cè)開挖相隔距離3～5m；仰拱初支開挖不得大于3m。

主要支護(hù)參數(shù)見表1。

表1 主要支護(hù)構(gòu)件及參數(shù)

3 圍巖控制效果分析

3.1 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

本文監(jiān)測(cè)方案分為位移監(jiān)測(cè)和受力監(jiān)測(cè)。

位移監(jiān)測(cè)包括拱頂下沉和水平收斂，監(jiān)測(cè)斷面為DK243+390和DK243+390，拱頂下沉測(cè)點(diǎn)設(shè)置在拱頂軸線附近，水平收斂測(cè)點(diǎn)對(duì)稱分布。測(cè)量頻率為1次/d，監(jiān)測(cè)周期為60d。測(cè)點(diǎn)具體布置如圖5所示。

受力監(jiān)測(cè)包括圍巖接觸壓力和拱架的軸力，監(jiān)測(cè)斷面為DK243+190，對(duì)監(jiān)測(cè)斷面的5個(gè)位置安裝儀器，每個(gè)位置安裝一個(gè)土壓力盒和兩個(gè)鋼筋應(yīng)力計(jì)。測(cè)量頻率為1次/d，監(jiān)測(cè)周期為10d。測(cè)點(diǎn)具體布置如圖5所示。

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.2.1 位移分析

圖6為兩個(gè)典型斷面圍巖收斂變形圖。

(a) DK243+390斷面 (b) DK246+190斷面

圖7 拱架軸力變化圖(單位：kN)

分析可知：

(1) 常規(guī)斷面dk243+390在26d后趨于穩(wěn)定，斷層帶斷面dk243+190在32d后趨于穩(wěn)定。各斷面拱頂?shù)睦塾?jì)下沉量均大于水平收斂量，說明斷層破碎段拱頂屬于重點(diǎn)監(jiān)控部位。

圖8 圍巖接觸壓力變化圖(單位：kPa)

(2)兩個(gè)斷面各部位圍巖的變形在上、中臺(tái)階開挖時(shí)變化明顯，波動(dòng)范圍較大，斷層帶斷面拱頂沉降和各處收斂量均大于常規(guī)斷面。以變化范圍在±0.2mm/d以內(nèi)為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，常規(guī)斷面的圍巖變形在下臺(tái)階支護(hù)完成2d后基本趨于穩(wěn)定，斷層帶斷面的圍巖變形在下臺(tái)階支護(hù)完成10d后基本趨于穩(wěn)定。

(3)DK243+190斷面的拱頂沉降量最大，達(dá)到10.1mm；DK243+390斷面最小，為8.8mm。水平收斂最大值位于DK246+190斷面上臺(tái)階B-C處，達(dá)到5.8mm，最小值位于DK243+390斷面上臺(tái)階D-E處，為1.7mm。斷層破碎段下，由于圍巖松散、破碎，圍巖收斂變形相對(duì)較大。

(4)本文研究范圍內(nèi)，隧道施工時(shí)，拱頂下沉受上臺(tái)階開挖擾動(dòng)明顯。以DK243+390斷面為例，上臺(tái)階開挖完成后拱頂下沉量為4.9mm，約占最終監(jiān)測(cè)值的50%；中臺(tái)階開挖引起的變形量為2mm，占20%；下臺(tái)階開挖引起的變形量占15%；開挖完畢到圍巖穩(wěn)定的變形量占15%。

(5)各監(jiān)測(cè)斷面的累計(jì)變形量均遠(yuǎn)小于預(yù)留變形量，處于允許范圍內(nèi)，說明設(shè)計(jì)采用的開挖方案合理，支護(hù)強(qiáng)度滿足要求。

3.2.2 受力分析

圖7為斷層破碎帶鋼拱架軸力變化圖，所受均為拉力，單位為kN。圖8為圍巖接觸壓力變化圖，單位為kPa。

可以看出：

(1)拱架整體受力形態(tài)呈非對(duì)稱性，受力形態(tài)差異較大。這是由于斷層帶的構(gòu)造導(dǎo)致空間扭曲，使得拱架整體受力形態(tài)差異較大。

(2)拱架軸力最大的位置為拱頂，最大值為379.98kN，拱架軸力最小的位置為右拱腰，最小值為5.24kN。圍巖接觸壓力最大的位置為拱頂，最大值為196.22kPa，圍巖接觸壓力最小的位置為右拱肩，最小值為24.40kPa。拱架上的測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)小于鋼材的屈服強(qiáng)度。

(3)隨著掌子面推進(jìn)，拱頂?shù)妮S力和圍巖接觸壓力增速最快，其他位置相對(duì)較小，說明拱頂屬于重點(diǎn)監(jiān)控部位。圍巖接觸壓力變化最大的部位是拱頂和右拱肩，都屬于重點(diǎn)監(jiān)控部位。

(4)距離掌子面1.2m到6m這段，拱架軸力和圍巖接觸壓力變化速率較快，距離掌子面12m時(shí)，拱架軸力和圍巖接觸壓力的分布規(guī)律趨于穩(wěn)定。

4 結(jié) 語

(1)太焦高鐵皇后嶺隧道斷層破碎段埋深29.5m-44m，圍巖等級(jí)為V級(jí)。設(shè)計(jì)采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工，主要支護(hù)構(gòu)件為I22型鋼架。

(2)斷層破碎段隧道拱頂下沉和水平收斂均在32d后趨于穩(wěn)定，常規(guī)隧道拱頂下沉和水平收斂均在26d后趨于穩(wěn)定。接近斷層破碎段的監(jiān)測(cè)斷面位移最大，拱頂受上臺(tái)階開挖擾動(dòng)最大，受中、下臺(tái)階開挖影響較小。

(3)斷層破碎段下，在距離掌子面1.2m到6m這段，拱架軸力和圍巖接觸壓力變化速率較快，在距離掌子面12m時(shí)，拱架軸力和圍巖接觸壓力的分布規(guī)律趨于穩(wěn)定。

(4)三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法在高鐵隧道穿越斷層破碎帶等軟弱圍巖施工時(shí)方法可行，以I22型鋼架為核心的支護(hù)方案滿足圍巖控制需求，為類似條件工程施工提供了參考。