富水岩溶大断面铁路隧道超前支护加固方案研究

崔光耀 朱建伟 姜 冲 王立川 祁家所

(1. 北方工业大学， 北京 100144；2. 中铁隧道集团一处有限公司， 重庆 401123)

随着我国西部大开发脚步的加快和经济的快速发展，西部地区铁路发展也越来越迅速。越来越多的铁路不可避免地需要穿越岩溶发育地区，溶洞、富水软弱围岩隧道随之增多[1-3]。如何保证富水岩溶地层隧道结构支护稳定性，是目前有待解决的重点问题之一。

目前，国内外专家学者对富水岩溶隧道的衬砌支护控制技术开展了部分研究，主要有富水软岩隧道的室内模型试验研究[4-5]、富水断层带初期支护综合处治方案优化研究[6-8]。富水破碎带隧道支护变形特征研究[9-10]、富水软岩隧道拱顶所需支护力的研究[11-12]等。但截止目前，对于富水岩溶大断面铁路隧道超前支护加固技术方面的研究还未成熟。基于此，本文以渝黔铁路天坪隧道富水岩溶段为依托，针对富水岩溶大断面铁路隧道超前支护加固技术进行研究。

1 天坪隧道富水岩溶段工程概况

1.1 地质条件

渝黔铁路天坪隧道位于贵州省北部，重庆与贵州省交界地段，隧道全长13 978 m，存在顺层偏压及多处断层，暴露后易风化崩解，且岩体完整性较差，易发生坍塌。隧道DK 127+195～DK 127+920段可溶岩发育，地下水与岩溶地表水系连通，地下水丰富，瞬时涌水量为500 m3/h，水质浑浊。隧道围岩以可溶性碳酸岩为主，遇水后强度迅速降低，围岩等级为V级。

1.2 衬砌结构设计

隧道富水岩溶段为马蹄形断面，初支采用C30耐腐蚀混凝土(厚28 cm)，二衬采用C25喷射混凝土(厚45 cm)。

2 研究情况

2.1 计算模型

以天坪隧道富水岩溶段为背景建立计算模型，本构模型采用弹塑性模型，屈服准则采用摩尔-库伦准则。模型上下、左右边界距离均大于5倍洞径，计算纵向长取42 m，宽取72 m，高75 m。模型四周与底部边界施加法向约束，上边界为自由边界。

2.2 计算工况

为研究超前支护效应及相应施工过程中隧道的力学行为特征，本文对小导管注浆超前支护和大管棚加小导管注浆综合超前支护两种支护工况进行模拟。计算工况如表1所示。

表1 计算工况表

2.3 计算参数

围岩及支护结构物理力学指标如表2所示。

表2 计算模型参数表

2.4 测点布置

以y=21 m处为监测断面，在仰拱与拱顶处分别设置沉降监测点，拱腰、边墙、拱脚处分别设置水平收敛线。测点布置如图1所示。

图1 测点布置图

3 计算结果及分析

3.1 结构位移

提取两种工况下监测断面的结构位移数据，绘制结构位移变化与开挖步关系曲线，如图2～图5所示，两种工况的位移监测最大值如表3所示。

图2 拱顶下沉随开挖步关系曲线图

图3 上台阶水平收敛随开挖步关系曲线图

图4 中台阶水平收敛随开挖步关系曲线图

图5 下台阶水平收敛随开挖步关系曲线图

由图2～图5可知，工况2的拱顶沉降值和台阶水平收敛值均较工况1小。其中拱顶沉降最大值减小18.5 mm，约为15.7%；上台阶水平收敛最大值减小3.3 mm，约为19.4%；中台阶水平收敛最大值减小4.6 mm，约为12.6%。大管棚加小导管综合注浆超前支护对中上台阶水平收敛作用明显，对下台阶作用微弱，这是由支护设置位置造成的(支护设置于中上台阶处)。

表3 结构位移监测最大值表(mm)

综上所述，大管棚加小导管注浆综合超前支护对隧道衬砌位移控制明显，特别是对上台阶水平收敛及拱顶沉降的控制作用尤为明显。

3.2 掌子面挤出变形

当隧道开挖至监测断面时，中上台阶掌子面挤出变形如图6、图7所示。

图6 工况1掌子面挤出变形图

图7 工况2掌子面挤出变形图

由图6、图7可知，最大掌子面挤出变形均出现在上台阶偏下部。工况1上台阶最大掌子面挤出变形为152.9 mm，中台阶最大掌子面挤出变形为267.0 mm；工况2上台阶最大掌子面挤出变形为146.2 mm，中台阶最大掌子面挤出变形为254.7 mm。较工况1，工况2上台阶最大掌子面挤出变形降低4.58%，下台阶最大掌子面挤出变形降低4.83%。由此可见，采用大管棚加小导管注浆综合超前支护对最大掌子面挤出变形有所改善。

3.3 初期支护结构应力

提取监测断面处初期支护的最小主应力和最大主应力分布云图，如图8～图11所示，两工况下初支最大拉应力、压应力值如表4所示。

表4 初期支护最大主应力表

图8 工况1初期支护最大主应力图(Pa)

图10 工况1初期支护的最小主应力图(Pa)

图9 工况2工况初期支护最大主应力图(Pa)

图11 工况2初期支护的最小主应力图(Pa)

由图8～图11可知，在应力云图中，最大压应力均位于隧道边墙位置，而最大拉应力均位于拱顶位置。较工况1，工况2应力值均有所降低。其中最大压应力减小4.53%，最大拉应力减小15.6%。

综上，采用大管棚加小导管注浆综合超前支护对初支所受应力状态有所改善，对初期支护所受拉应力控制效果尤为显著。

4 加固方案优选

两工况的位移、掌子面挤出变形及初支最大主应力最终计算结果如表5所示。

表5 两工况下位移、掌子面挤出变形以及初支最大主应力表

由表5可知，大管棚加小导管注浆综合超前支护的加固效果在各方面均较小导管注浆超前支护有所提升，且在上台阶水平收敛及初支最大拉应力方面提升显著，因此推荐渝黔铁路天坪隧道富水岩溶段采用大管棚加小导管注浆综合超前支护加固方式。

5 结论

(1)采用大管棚加小导管注浆综合超前支护，各台阶水平收敛量与拱顶沉降量均较小导管注浆超前支护有所减小，其中拱顶沉降最大值减小15.7%，上台阶水平收敛最大值减小19.4%，中台阶水平收敛最大值减小12.6%。说明大管棚加小导管注浆综合超前支护在隧道开挖过程中对衬砌结构位移的控制作用较好，特别对拱顶沉降和上台阶水平收敛的控制作用尤为显著。

(2)大管棚加小导管注浆综合超前支护对控制上台阶下部的掌子面挤出变形作用明显，较小导管注浆超前支护，上台阶最大掌子面挤出变形量减小4.58%，中台阶最大掌子面挤出变形量减小4.83%。

(3)较小导管注浆超前支护，大管棚加小导管注浆综合超前支护对初支受力有所改善。最大压应力减小4.53%，最大拉应力减小15.6%。

(4)渝黔铁路天坪隧道富水岩溶段推荐采用大管棚加小导管注浆综合超前支护加固方式。