略論隧道剪刀段的支護(hù)實(shí)驗(yàn)

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1工程概況

隧道進(jìn)口里程DK422+816，大跨加寬段最大開挖跨度21．01m，高度15．82m，開挖面積達(dá)270m2，至DK423+505里程處變化為左、右線兩座隧道直到出口，連拱段長(zhǎng)80m，至DK423+585里程處變化為小凈距隧道。燕尾段處于F4斷層影響帶范圍之內(nèi)，F(xiàn)4斷層產(chǎn)狀165°∠60°，與線路交角約為45°;斷層以密集節(jié)帶的形式表現(xiàn)，局部沿節(jié)理面產(chǎn)生水平滑移，地表寬度約為3m，長(zhǎng)度為800m;該斷層為左旋平移斷層，其上盤影響寬度約為20m，下盤影響寬度約為10m，在影響范圍之內(nèi)的巖石節(jié)理裂隙相對(duì)發(fā)育，巖石破碎，地下水為構(gòu)造裂隙水，較發(fā)育，為強(qiáng)富水區(qū)。大跨段屬煤系地層，局部含軟弱夾層，Ⅳ級(jí)圍巖;連拱段受F4斷層影響明顯，主要為Ⅳ級(jí)圍巖，局部Ⅴ級(jí)。其中大跨段采用三臺(tái)階法開挖，連拱段采用中導(dǎo)洞超前，右洞全斷面先行開挖施工。

2現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

燕尾式隧道作為一種典型的隧道結(jié)構(gòu)型式，同時(shí)具備多種隧道結(jié)構(gòu)型式的特點(diǎn)。大斷面隧道由于形狀扁平，開挖后圍巖穩(wěn)定性變差，圍巖應(yīng)力更集中，松弛壓力更大;連拱隧道施工工序繁多，施工干擾大，左右兩洞相互影響明顯。因此，加強(qiáng)對(duì)隧道燕尾段的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)顯得十分必要，是快速安全施工的重要保證手段。現(xiàn)場(chǎng)圍巖壓力測(cè)試，錨桿軸力采用錨桿計(jì)量測(cè)，初噴混凝土層應(yīng)力，鋼拱架應(yīng)力采用鋼筋計(jì)量測(cè)。

3現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究結(jié)果分析

通過(guò)接觸壓力時(shí)程曲線可以看到，當(dāng)上臺(tái)階開挖后，圍巖與初支接觸壓力以較大速率增長(zhǎng);當(dāng)中臺(tái)階進(jìn)行開挖并通過(guò)該測(cè)量斷面過(guò)程中，拱頂和拱腰處圍巖壓力均出現(xiàn)一定程度的回彈，繼而又以一定的速率增長(zhǎng);這是由于中臺(tái)階開挖后，使上臺(tái)階鋼拱架拱腳處失去了部分支撐反力造成的，所以應(yīng)加強(qiáng)上臺(tái)階鋼拱架與鎖腳鋼管的牢固焊接，確保上臺(tái)階鋼拱架在未與中、下臺(tái)階鋼拱架閉合前有較大的承載能力;下臺(tái)階開挖對(duì)該測(cè)量斷面上部圍巖壓力影響較小。大約40d后，圍巖壓力進(jìn)入平緩期。為該斷面最終圍巖壓力分布圖。從該斷面最終圍巖壓力分布圖可以看出:本斷面最大圍巖壓力發(fā)生在拱頂處，圍巖壓力為0．238MPa，斷面圍巖壓力大小總體上為:拱頂＞拱腳＞拱腰＞墻腳＞仰拱＞邊墻，圍巖壓力已基本趨于穩(wěn)定;拱頂處圍巖壓力大于左右拱腰處的圍巖壓力，說(shuō)明側(cè)壓力系數(shù)小于1。一般的經(jīng)驗(yàn)公式證明，深埋隧道左右兩側(cè)拱腰所受壓力相同，并且小于拱頂圍巖壓力，這與實(shí)際測(cè)量結(jié)果基本吻合。連拱段圍巖壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析隧道連拱段以中導(dǎo)洞超前，右洞全斷面先行開挖施工。分別為右、左洞圍巖與初支接觸壓力時(shí)程曲線從接觸壓力時(shí)程曲線可以看出:右洞最大圍巖壓力發(fā)生在拱頂位置處，約為0．355MPa，而左洞最大圍巖壓力則出現(xiàn)在右拱腰處，約為0．244MPa，兩洞圍巖壓力最大值均出現(xiàn)在靠近中隔墻上方巖體處，說(shuō)明中隔墻上方巖體擾動(dòng)明顯，是連拱段較為薄弱的環(huán)節(jié)。當(dāng)左洞進(jìn)行開挖時(shí)，右洞左拱腰處圍巖壓力急劇增大，當(dāng)左洞開挖面通過(guò)該監(jiān)測(cè)斷面一定距離后，右洞左拱腰處圍巖壓力才趨于穩(wěn)定。由于連拱段右洞先行開挖施工，使得周圍巖體的內(nèi)部應(yīng)力得到一定程度的釋放，加之后行左洞側(cè)開挖面不斷推進(jìn)產(chǎn)生的空間效應(yīng)，使先行右洞的圍巖壓力普遍大于左洞。

4錨桿軸力分析

大跨斷面與連拱斷面錨桿軸力分布所示，通過(guò)錨桿軸力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果可以看出:大跨段錨桿軸力最大值為55．2kN，發(fā)生在左拱腰位置;連拱段錨桿軸力最大值則出現(xiàn)在中隔墻上方，約為52．0kN，說(shuō)明該區(qū)域內(nèi)巖體穩(wěn)定性差，為連拱段較為薄弱環(huán)節(jié)，這與圍巖壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果相吻合。縱向來(lái)看，大跨段錨桿軸力值普遍大于連拱段，這是因?yàn)榇罂缍伍_挖跨度大，松動(dòng)區(qū)內(nèi)的節(jié)理裂隙、破裂面更易擴(kuò)展。單根錨桿軸力最大值多發(fā)生在深度為2～3m的位置，表明錨桿設(shè)計(jì)長(zhǎng)度合理，有效穿透圍巖松弛帶，起到了加固松動(dòng)區(qū)巖體的作用。錨桿為全長(zhǎng)粘結(jié)砂漿錨桿，其設(shè)計(jì)最大承載拉力為100kN，壓力為50kN，實(shí)際監(jiān)測(cè)錨桿軸力值均小于設(shè)計(jì)值，錨桿錨固力還有充分富余。一般情況下，錨桿多承受拉力作用，只有在極少數(shù)情況下，錨桿才承受壓力且壓力值較小。鋼拱架應(yīng)力分析從鋼拱架應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，大跨監(jiān)測(cè)斷面鋼拱架最大應(yīng)力出現(xiàn)在左拱腳位置，應(yīng)力值為95．973MPa，右拱腰處應(yīng)力值次之，為93．049MPa;右側(cè)應(yīng)力分布較左側(cè)均勻。連拱段監(jiān)測(cè)斷面先行右洞鋼拱架最大應(yīng)力出現(xiàn)在左拱腰處，右拱腰和右邊墻處次之，拱頂位置最小;后行左洞左邊墻處鋼拱架應(yīng)力最大，左拱腰處最小，應(yīng)力值分別為66．965MPa，52．673MPa;后行左洞鋼拱架應(yīng)力分布較先行右洞均勻。縱向來(lái)看，大跨段鋼拱架應(yīng)力普遍大于連拱段鋼拱架應(yīng)力;鋼拱架應(yīng)力均在其強(qiáng)度容許范圍之內(nèi)，并且有充分的富余，可以保證隧道整體穩(wěn)定性。初噴混凝土層應(yīng)力分析燕尾段初噴砼層應(yīng)力測(cè)試結(jié)果可以看出，大跨斷面初期支護(hù)混凝土最大應(yīng)力發(fā)生在拱頂，總體來(lái)看右側(cè)大于左側(cè)，與鋼拱架受力情況較為吻合。連拱段面右洞初支混凝土應(yīng)力最大值發(fā)生在拱頂處，左洞最大應(yīng)力出現(xiàn)在左拱腰處。初支混凝土屬柔性支護(hù)，允許圍巖發(fā)生一定的變形收斂，普遍受到壓力作用，并且應(yīng)力分布較為均勻，所承受載荷均在混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度范圍之內(nèi)。

5結(jié)論

連拱斷面初支與圍巖接觸壓力較大值均出現(xiàn)在中墻上方巖體附近，后行左洞圍巖壓力普遍小于先行右洞，大跨斷面開挖邊界較連拱斷面更為平滑，應(yīng)力集中程度小于連拱斷面。大跨斷面錨桿軸力普遍大于連拱斷面，錨桿多承受拉力作用，并呈現(xiàn)兩頭小，中間大的軸力分布特點(diǎn)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示錨桿支護(hù)參數(shù)存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間。初噴砼層屬柔性支護(hù)，協(xié)調(diào)圍巖變形，鋼拱架屬剛性支護(hù)，阻止圍巖過(guò)度變形并承受大部分松弛載荷，初噴砼層與鋼拱架均承受壓力作用，大跨斷面支護(hù)應(yīng)力大于連拱斷面。根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析反饋，隧道燕尾段支護(hù)體系受力均在材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度允許范圍之內(nèi)，燕尾段整體穩(wěn)定性較好，表明隧道燕尾段施工方法、施工工藝均合理有效。

作者：宋楊?yuàn)鋰?guó)充高云嬌單位：石家莊鐵道大學(xué)