组合支撑工法在岩石隧道支护中的应用

2021-03-01祁强

山东交通科技 2021年6期

祁强

（中国水利水电第五工程局有限公司，四川成都 610065）

引言

对于跨度和断面均大幅增加的四车道高速公路隧道，传统隧道施工方法效率低下[1-3]，但提高施工效率会增加安全隐患。因此，探索一种满足施工安全要求的高效率施工方法十分必要。

现阶段，对于大断面隧道的施工方法主要采取开挖与支护同时交错进行的动态施工方式[4]，不同施工方法之间的差异主要集中在施工安全和效率之间[5-7]。苏艺等[8-9]通过数值模拟和现场检测的方式，探索小间距下大断面隧道在CRD或CD等施工方式下，围岩和支护结构的力学特性。吴梦君和黄伦海[10]以四车道公路隧道为研究对象，研究了不同的施工方式对围岩力学响应的影响，认为在Ⅳ级围岩中施工最好采用双侧壁导坑施工法，如果采用其他施工方法，必须使用超前支护措施。不同施工方法的主要选择依据是围岩条件，但可供选择的施工方法均较为传统，且研究手段单一，即采用数值模拟的方式，模型试验研究还不够完善。

1 工程背景及模型试验方案

1.1 工程背景

某高速公路四车道隧道左线全长3 100 m，右线全长3 090 m，设一处长度为570 m的施工导洞。隧道围岩及相关长度见表1。

表1 隧道围岩等级和长度

从表1可以看出，Ⅲ级围岩、Ⅳ级围岩和Ⅴ级围岩分别占项目全长的46%、36%和12%。组合支撑工法主要在围压等级较弱的地方使用，根据实际工程情况，主要以Ⅳ级围岩为考虑对象。该隧道Ⅳ级围岩主要是中风化灰岩，结构较完整，地下水主要是岩溶水，施工区域潮湿但无水。

1.2 施工方法

组合支撑工法是将整个隧道断面分为上下两部分，采用五步工序进行开挖，通过临时支撑结构，可以左右交错进行施工，从而减少了一次跨度。施工顺序见图1。

图1 施工工序

通过分析可知，边墙落地后会导致左右岩墙产生较大变形，需要进行锁脚锚杆保证边墙的稳定性，中间预留岩墙称为隔壁。施工后期，拆除支护结构后，对隔壁进行开挖，形成完整的隧道断面结构。

1.3 模拟试验方案

为了更加准确地研究该施工方法对于大断面隧道施工的力学特性响应，在相似理论基础上，进行室内模型试验还原施工现场。通过罗定伦的研究[11]，确定了相似材料的各组分材料作用及其配比，见表2。

表2 相似材料作用及配比

喷射混凝土采用弹性模量为269 MPa、泊松比为0.21和抗压强度为2.4 MPa的石膏进行模拟，水和石膏的比例为1∶1.3，混合物凝结时间在15 min 左右。支护结构和监测点布置完成后，进行开挖。在开挖之前，模拟材料填筑采用分层式，并在相应位置布置监测设备，围压顶部到拱顶的距离为69 cm，顶部载荷施加方式为千斤顶，载荷大小为12 MPa，压实12 h后围压顶部到拱顶的距离为60 cm。开挖距离模拟为实际3 m对应模型中6 cm。

2 结果分析

2.1 结构内力分析

通过开挖过程中主要监测位置监测点数据可得，最大主应力随着开挖距离的不断增长而变化的曲线，见图2。

图2 早期支护结构部分区域最大应力

从图2可以看出：（1）与围岩应力释放相关理论吻合，支护结构部分区域的最大应力随着开挖距离的不断扩大而增长，且早期支护结构的最大应力高于后期支护结构的最大应力。（2）不同位置的拉压状态，即隔壁和拱脚受压，拱顶、仰拱和围岩墙体左右两侧受拉，且围岩墙体左右两侧与拱顶所受的拉应力相近。从承载位置看，随着开挖的进行，只有隔壁应力变化较为明显，且1#和3#开挖增加支护结构应力，而2#和4#开挖而会减缓支护结构应力增加的速率，说明后期的支护起到了有效支护的作用。

2.2 围岩变形分析

围压变形主要针对结构中变形最大的几个区域，如拱顶、仰拱和拱脚，得到围岩拱顶和仰拱的竖向位移见图3，得到围岩左右拱脚的水平位移见图4。可以看出：（1）不同位置的主要变形均在4#开挖前，之后的开挖对围岩稳定性几乎没有影响，说明隔壁的去除以及岩墙施工对围岩扰动较小。（2）从围岩拱顶和仰拱竖向位移可以看出，随着开挖不断进行，位移逐渐增长，但是主要发生在3#开挖，说明影响拱顶和仰拱变形主要是上部围岩的开挖施工。（3）从围岩左右拱脚水平位移可以看出，两个区域变化规律几乎一致，即在相应位置下部围压开挖后位移显著增长，随后达到一个稳定的状态，且变形方向均是向洞内扩展。结果表明，下部围压开挖是影响拱脚变形的主要因素，且开挖顺序对最终变形影响不大。在施工整个过程中，每个施工步骤下，隔壁所承受的荷载最大，所有支护结构应力增长均主要发生在施工前期，即4#开挖之前。

图3 围岩拱顶和仰拱竖向位移

图4 围岩左右拱脚水平位移

2.3 现场应用分析

组合支撑工法主要施工对象是四车道高速公路隧道，且围岩等级为Ⅳ级和Ⅴ级的区域。原理是利用坚硬地基，将上部钢架和下部岩墙形成一个组合，从而达到减小开挖跨度、减少施工工序和降低造价等。

在实际工程中，采用此施工方法后，每月开挖距离达63 m，相比于传统施工方法，施工效率得到了大幅提升。经过分析，每10 m的开挖距离，能节约资金4.8万元左右。在3 100 m隧道工程中，能减少施工时间136 d，总施工成本减少1 050万元左右，表明该施工工法在含软弱围岩的大断面隧道中，具有良好的经济效益。