公路隧道大变形控制及合理支护形式现场试验研究

秦晋芳

(山西长治公路勘察设计院有限公司,山西 长治 046000)

1 工程概况

隧道工程全长18.21 km,为双洞单线分离式隧道,斜井设置有8座。该隧道最小埋深为28 m,最大埋深720 m。存在较高的地应力,根据水压致裂法测得的试验数据,试验段内最大水平主应力为18 MPa,最小水平主应力为10 MPa,属高地应力区域。

围岩等级主要以Ⅳ～Ⅴ级围岩为主,层厚在10～30 cm范围内,为全断面碳质板岩,呈现节理状发育,节理间距约为8～11 cm之间。隧道试验段围岩的力学参数如表1所示。

表1 试验段围岩基本力学参数

2 不同支护形式现场试验

在实际施工过程中,由于高地应力的作用,出现了多次病害,如混凝土喷层开裂、钢拱架扭曲、支护侵限等。通过对隧道断面形式进行优化以及使用更高质量的钢架等,对隧道大变形的控制效果并不是十分显著。对高地应力条件下的软岩隧道而言,由于地应力作用较为持久,通过提高支护强度手段无法完全解决围岩变形问题,还加大了施工的成本。因此,通过试验等手段寻找一种更有效的变形控制措施是非常有必要的。

2.1 试验方案

结合实际工程经验和前人的相关研究,选定了掌子面超前支护的方法进行现场试验测试。根据超前应力释放规律,进行了超前钻孔和超前导洞应力控制试验。设置了对比试验段,以对比分析超前钻孔和超前导洞的应力控制效果。试验方案的支护参数如表2所示。

表2 各试验段的支护参数

2.2 监测点布置

为对比分析超前钻孔和超前导洞的应力控制效果,在各试验段均设立一个监测断面。监测点布置位置包括拱顶、左拱腰、右拱腰、左上边墙、右上边墙、左下边墙、右下边墙以及左右铺底,分别对拱顶沉降、水平收敛、围岩压力和钢架应力进行了监测。

3 结果分析与讨论

3.1 隧道变形

随着时间的增加,各试验段水平收敛值出现先增加后稳定的变化趋势,在监测时间10 d前为增加阶段,10 d后各试验段水平收敛值基本稳定。相比较而言,对比段即原支护方案工况下的水平收敛值最大,且增长阶段持续时间最长,在增长段前期超前钻孔段的水平收敛值与对比段较为接近。变形控制表现最好的为超前导孔试验段,其增长速度均较为平缓,且最终的水平收敛值数值较小。不同试验段内的遂道水平收敛变形情况见图1。

图1 水平收敛

在对比试验段,随着时间的增长,拱顶沉降持续增加,曲线斜率即增加速度持续放缓,拱顶沉降数值表现最大。相比较而言,超前钻孔试验段和超前导孔试验段的数值较小,且随时间变化未出现明显的增长趋势,表现为持续上下波动情况。不同试验段的拱顶沉降见图2。

图2 拱顶沉降

整体而言,超前导孔段的水平收敛和拱顶沉降的控制效果均为最优,其次为超前钻孔试验段,其变形控制效果略逊色于超前导孔方案。与传统支护方案相比,该两种支护方案均降低了钢架强度,增大了钢架的间距,不仅体现了良好的变形控制效果,并且节省了施工成本。

3.2 钢架应力

各试验段钢架应力时程曲线对比情况。对比试验段不同位置处的钢架应力时程曲线;超前钻孔试验段不同位置处的钢架应力时程曲线;超前导孔段不同位置处的钢架应力时程曲线。

可以看出,随着时间的增加,各位置处的钢架应力数值大小整体上出现增加趋势,呈现钢架应力值愈演愈烈的态势。应力值最大的为右拱腰位置处,其峰值为186.23 MPa。左拱腰应力大小跟右拱腰较为接近,且在试验前期表现出了更大的钢架应力,达到了146.42 MPa。钢架应力值最小的为左右铺底位置处,其末端的峰值应力值为123.67 MPa。

可以看出,随着时间的增加,各位置处的钢架应力数值大小整体上出现增加趋势,但相较于对比段而言,曲线更加平缓,试验后期阶段各位置处钢架应力值接近平稳状态,且应力波动较小。各位置相比较而言,最大应力值亦出现在左右拱腰位置附近,其最大应力为148.75 MPa,相对于对比段而言,降低效果明显。

可以看出,各位置钢架应力增长阶段仅在试验前期,较为短暂,后基本趋于稳定,且右拱腰位置处的钢架应力在试验后期出现突减。相比于对比段和超前钻孔试验段,超前导孔试验段的应力随时间变化趋势更为稳定,应力峰值均为右拱腰处,且数值与超前钻孔试验段较为接近。

3.3 围岩应力

不同位置处的围岩压力的应力值时程曲线。对比试验段围岩压力变化情况;超前钻孔试验段围岩压力变化情况;超前导孔试验段围岩压力变化情况。

可以看出,随着时间的增长,各位置处的围岩压力呈现增加态势,在试验前期增加速度较快,其余阶段均较为平缓。对比段围岩压力值最大的发生在左拱腰位置处,其围岩压力峰值约为1.67 MPa,远高于其余位置处的围岩压力。拱顶位置处的围岩压力最小,其峰值约为0.96 MPa。

可以看出,超前钻孔试验段各位置处的围岩压力随时间增加整体上呈现增长趋势。不同位置之间相比,超前钻孔段围岩压力峰值出现在左下边墙位置处,峰值围岩压力大小为0.38 MPa,远低于对比段的围岩压力峰值。与此同时,各位置处围岩压力差距亦无对比段如此之大,可见通过超前钻孔的方式能有效改善围岩压力分布情况,从而达到控制变形的目的。

可以看出,超前导孔试验段围岩压力峰值主要发生在拱顶和右上边墙位置处,围岩压力峰值大小约为0.39 MPa,与钻孔试验段围岩压力峰值相近。相较于超前钻孔试验段,超前导孔试验段围岩压力试验后期更为平稳,且其余位置处的围岩压力更小。可见,从围岩压力大小而言,超前导孔方式表现更为优异。

4 结 论

依托实际公路隧道工程案例,针对当前对隧道大变形控制措施不足的情况,选定了掌子面超前支护的方法进行现场试验测试。根据超前应力释放规律,进行了超前钻孔和超前导洞应力控制试验。设置了对比试验段,以对比分析超前钻孔和超前导洞的应力控制效果。得出主要结论如下。

(1)超前导孔段的水平收敛和拱顶沉降的控制效果均为最优。与传统支护方案相比,掌子面超前支护降低了钢架强度,增大了钢架的间距,不仅体现了良好的变形控制效果,并且节省了施工成本。

(2)三种支护方案钢架应力峰值均出现在拱腰附近,相较于传统方案,掌子面超前支护工况下的钢架应力峰值较小,且随时间变化无明显增长,表现更为稳定。

(3)对比段围岩压力值最大的发生在左拱腰位置处,其围岩压力峰值约为1.67 MPa。超前钻孔段围岩压力峰值出现在左下边墙位置处,超前导孔试验段围岩压力峰值主要发生在拱顶和右上边墙位置处,围岩压力峰值均未超过0.4 MPa,降低效果非常显著,且改善了围岩压力的分布情况,使其分布更为均匀。