高地应力炭质板岩单线铁路隧道大变形控制技术研究

2018-07-20尹逊峰中铁十六局集团第三工程有限公浙江湖州313000

安徽建筑 2018年3期

尹逊峰（中铁十六局集团第三工程有限公，浙江湖州 313000）

近年我国中西部铁路网建设步伐加快，西部高原地区铁路隧道建设过程中出现的高地应力问题引起了广泛的关注。国内外学者对高地应力造成隧道围岩大变形的原因及处置措施进行了研究，Malan[1]研究了南非Hartebeestfontein一座金矿中泥质软岩巷道在高应力条件下的大变形及支护结构，王树英等[2]提出了高地应力软岩隧道大变形特征，并提出了控制围岩变形的支护方案，张民庆[3]基于释放-约束平衡法提出高地应力软岩隧道大变形控制措施，刘泉声[4]针对应力的变形破坏特性，提出了底板综合治理对策，Aiqing Wu等[5]对基于水电站引水隧道数据提出了岩体支撑措施。文章对高地应力炭质板岩隧道围岩大变形的处置措施进行分析研究。

1 工程概况

隧道位于云南省西北部丽江至香格里拉铁路螺丝湾站至花椒坡站区间，为电力牵引单线隧道，设计行车速度120km/h。全长10600m，隧道最大埋深约670m，最小埋深约38m。隧道位于青藏高原东南缘，冲江河左岸，上覆第四系全新统人工弃土块石土、滑坡堆积层，崩坡积块石土、泥石流堆积层、冲洪积层漂石土、坡洪积层粉质黏土、卵石土及坡残积粉质黏土、粗角砾土、下伏基岩为三迭系上统（T2b）白云质灰岩夹板岩。

隧道区位于青藏高原东南缘之川滇菱形断块的西部边界断裂带，地质构造复杂，是我国非常著名的滇西地震带，构造运动巨烈。隧道岩体较破碎，风化差异大。其中不良地质为泥石流、滑坡、岩堆、岩溶、高地应力、顺层、特殊岩土为炭质板岩。

隧道围岩级别为Ⅳ～Ⅴ级，其中Ⅳ级围岩地段设计采用Ⅳ级B型复合式衬砌，拱墙设置φ22mm砂浆锚杆，长度2.5m。拱墙设四肢格栅钢拱架加强支护，纵向间距1.2m。拱部设φ42mm超前小导管，长4m/根，环向分布间距为0.5m，纵向间距2.4m，拱墙二衬采用35cm厚钢筋混凝土。Ⅴ级围岩地段设计采用V级B型复合式衬砌，其支护结构见图1，拱部设置φ25mm组合中空锚杆，边墙设置φ22mm砂浆锚杆，长度3m。设18号工字钢架加强支护，纵向间距0.8～1m，拱部设 φ42mm超前小导管，每根长3～3.5m，环向间距 0.4m，纵向间距 1.6～2m，二衬采用40cm厚钢筋混凝土。

图1 隧道断面及支护结构

2 隧道模型建立

2.1 模型网格

依据高海拔隧道内净空界限要求，按设计断面参数建立FLAC3D模型，隧道埋深370m，左右边界120m，上下边界为600m，纵深方向为1m，建立全断面开挖的平面应变隧道模型，其网格划分见图2[6]。

图2 模型网格划分

2.2 模型参数

根据现场实测应力情况，竖向应力略＜水平应力，设1为侧压力系数，由重力形成初始地应力场，围岩服从mohr-Coulomb屈服准则。

初期支护由系统锚杆和钢拱架组合而成，其中锚杆弹性模量为40GPa，长度4m，直径25mm，注浆外圈直径120mm，粘聚力2MPa。格栅钢架和喷射混凝土厚度35cm，弹性模量8GPa，密度2500kg/m3。超前小导管采用提高洞周岩体参数模拟，加固区厚度0.5m。根据勘察资料，隧道大变形段为Ⅴ级炭质板岩围岩，其围岩力学参数见表1。

围岩计算参数表1

2.3 计算过程

为实现隧道高地应力围岩大变形过程，计算过程中进行动态监测，在隧道开挖后立即施加初期支护，而后采用时步控制监测密度，每500时步进行一次围岩关键位置位移监测，并记录其围岩塑性变形形态，在2500时步后施加二次衬砌，每500时步进行一次围岩变形监测，记录2000时步后计算结束。

3 计算结果分析

拱顶围岩竖向位移变化情况见图3，拱底竖向位移变化情况见图4。

图3 拱顶竖向位移曲线

图4 拱底竖向位移曲线

计算结果表明，在高地应力环境下，拱顶竖向位移不大，全断面开挖完成后即完成了大部分沉降，在二次衬砌施加前沉降发展较快，二次衬砌施加后，沉降发展得到一定程度控制。拱底竖向位移发展较拱顶大，二次衬砌封闭成环后竖向位移得到了明显控制[7]。

图5为第500时步的位移速度矢量情况，图6为500时步的水平位移情况云图。

图5 位移速度矢量

图6 水平位移云图

位移速度矢量表明，高地应力环境下水平收敛和拱底竖向位移速度明显快于拱顶沉降速度，水平位移云图（见图7）表明在开挖完初期即发生了约600mm的水平收敛，与现场监测情况较为相似。

图7 围岩塑性区

根据图7，可见在高地应力条件下，边墙两侧围岩塑性区出现恶性发展，直接影响隧道稳定性，拱底也发生了较大程度的塑性破坏，而且在开挖初期塑性区即已经形成，说明紧紧靠加强支护很难使得塑性区得到控制，应该结合设计和施工制定改进措施。

4 处置措施分析

针对上述大变形问题，对炭质板岩大变形段进行换拱设计，并提出超短台阶法施工方案，其断面及支护形式见图8[8]。

图8 支护结构形式

为优化边墙处受力性能，调整隧道开挖外轮廓曲率半径，保持二衬内轮廓不变，全环设I18型钢钢架，纵向间距0.5m。拱部设置φ42mm超前小导管，长4m/根，环向间距为0.4m，纵向间距为1.6m。纵向钢架间连接钢筋直径为φ25mm，采用“Z”形布置，纵向钢筋接头错开设置于钢拱架内侧。同时，各台阶底部应加强纵向垫槽钢的施工工艺，确保钢拱架初支系统整体稳定性。将50%原设计系统锚杆的长度调整至4.5m或6m，环向及纵向间距均为1×1m，梅花形布置。开挖方法改为短台阶法或微台阶法，开挖后尽快封闭支护成环，及时施工二次衬砌。强化φ42mm锁脚锚杆及注浆的施工工艺，确保锁脚锚杆施工质量[9]。

图9 处理前后围岩位移曲线

图9为拱顶和拱底位移曲线，设计和施工优化处置后，拱顶沉降比处理前略大，拱底竖向位移较处理前小，一方面原因在于隧道结构形式发生改变，应力重分布形式得以改变，拱圈形状有助减小应力集中的程度，另一方面原因在于台阶法分部开挖，及时施工初期支护封闭成环有效控制了围岩变形，但更加复杂的施工工序使施工要求变得更高。