隧道大变形控制及支护方式探究

2024-04-01蒲自俊

大众标准化 2024年5期

关键词：钢架测线轴力

蒲自俊

（中国铁路成都局集团有限公司，四川成都 610081）

随着国家交通运输业的发展，隧道应用越来越广泛，而其往往修建于山区，容易受到地质灾害的困扰，因此，许多研究人员对隧道安全问题进行了一系列研究。

文章基于实际工程案例，针对其易发生挤压大变形灾害，提出了三种隧洞支护方案，通过监测数据，对比了三种支护方案的竖向沉降和水平收敛情况。在此基础上，分析了初期支护和二次衬砌结构的接触压力以及内力情况。

1 工程背景

1.1 工程概况

该隧道工程为双洞分离式设计，共6个车道。隧道宽度为15 m，高为5.2 m，高跨比约为0.7 m，18.8 m的开挖跨度，列车速度按照120 km/h进行设计考虑。该隧道为特长埋深隧道，左线长达5 864 m，右线长达5 872 m，最大埋深约为695 m。

1.2 地质条件

隧道周围有较大的地形起伏，存在陡峭的谷坡和山脊，隧道的试验段埋深为240～290 m。围岩主要为鳞片粒状的绿泥石片岩，主要矿物成分包括斜长石、绿泥石、黑云母等，在较为潮湿的条件下强度较低，容易软化，地质条件较差。经试验测得，该岩体的黏聚力约为130 kPa，内摩擦角27°～32°，泊松比约为0.3。查阅相关勘测统计资料，隧道在水平方向的应力为最大主应力，约为20 MPa。总体来说，隧道试验段地质条件较差，岩体力学强度不高且易发生软化变形，因此，容易产生挤压大变形。

1.3 大变形灾害

在隧道施工过程中，该隧道周围发生过多起挤压大变形灾害。挤压大变形灾害在工程中具体表现为路面开裂、支护变形、混凝土裂缝出现以及钢架的扭曲断裂，导致施工一度停滞，延缓了工程进度的进行，导致工程成本增加。

根据工程断面埋深和最大沉降分布情况可知，断面变形主要发生在埋深240～300 m之间，埋深与沉降呈现出离散分布情况。断面最大沉降的均值为575.8 mm，最大沉降大于该值的断面数量和小于该值的断面数量基本一致，大于最大沉降平均值的断面主要分布在埋深240～280 m之间，而小于最大沉降平均值的断面主要分布在埋深更大处，为280～320 m之间。根据工程最小主应力与最大离散值分布情况，断面最大收敛值与最小主应力之间呈现离散分布情况。平均最大收敛值为269.7 mm，较大的收敛值点对应的最小主应力较小，最小主应力超过6.5 MPa之后，主要为较少的收敛值点。

2 不同支护形式对比

2.1 试验方案

为了预防大变形灾害，以及在发生灾害后进行沉降控制，设计了三种支护方案，三种支护方案分别选用单层的I22 b钢架、双层I22 b钢架和双层HK 200 b钢架作为初期支护钢架。在仰拱回填中，方案一选用的是C15片石混凝土进行仰拱回填，仰拱深度1.95 m，方案二和方案三均选用C20素混凝土作为仰拱回填，仰拱深度为3.61 m。此外，在拱顶的预留变形量分别为70 cm、110 cm和120 cm。

为更好地监测初期支护变形及应力情况，在拱顶、拱腰、拱脚台阶共布置了7个沉降观测点。为监测二次衬砌中的接触压力及混凝土和钢筋的应力情况，设置监测点如图1所示。

图1 二次衬砌监测点布置方案

2.2 变形结果对比

方案一支护竖向沉降和水平收敛情况。竖向沉降，各监测点的竖向沉降随着工期的增加而增大，在初期阶段，增长速率较快，后趋于稳定，然后又经历一段快速增长阶段。最大沉降监测点为测点1，最大沉降为830 mm左右。沉降由大到小排序依次为测点1、测点0、测点2、测点5和测点6，测点6的最终沉降为380 mm左右。而水平收敛，随着施工的进行测线c1和测线c3的水平收敛逐渐增大，测线c 1处的水平收敛在初期增长较快，后趋于稳定；测线c3在初期阶段经历突变，后经历一段稳定阶段，再以较高的速率提升到最终阶段，最后趋于稳定，最终收敛值约为600 mm。

方案二的竖向沉降和水平收敛的情况。竖向沉降，各监测点的竖向沉降随着工期的增加而增大，表现出与方案一支护相似的沉降变化趋势。最大沉降发生在测点3位置处，最大沉降约为623 mm，最小沉降为测点5，其最终沉降约为343 mm。各测点沉降值大小由大到小排列依次为测点3、测点4、测点2、测点1、测点6、测点0、测点5，其中测点6和测点5的沉降变化曲线与其余测点有所不同，表现为先以较为稳定的速率增加，后趋于稳定。水平收敛，测线c1处的水平收敛较为平缓，测线c2、c3处的水平收敛增速较快，最终收敛值较大，最终收敛值约为410 mm。

方案三支护的竖向沉降和水平收敛情况。竖向沉降，各测点竖向沉降变化曲线较为接近，未有较大突变情况发生。竖向沉降最大的测点为测点3，最大沉降约为400 mm，最小沉降为测点6的200 mm左右。水平收敛，测线c1和测线c2变化趋势和最终水平收敛值较为接近，测线c3水平收敛变化量较大，最终收敛值约为220 mm。

对比三种方案，可以看出变形最大的为方案一支护，方案三支护在沉降控制和水平收敛方面均表现较好。与方案一相比，方案二支护在水平收敛方面降低了220 mm，在竖向沉降方面降低了约170 mm，但变形数值仍然较大，为满足设计预期。就方案三支护而言，其断面的最大沉降和最大水平收敛分别为405 mm和213 mm，相较于方案一，最大沉降降低了51%，而断面水平收敛降低64%，这说明HK 200 b钢架相较于I22 b钢架，刚度较大，避免了局部失稳和局部拆换问题。此外，隧道竖向沉降峰值通常出现在上台阶位置处，中台阶位置处的沉降较小。

2.3 衬砌结构受力分析

2.3.1 接触压力

图2展示了方案三中的衬砌结构的接触压力情况。图2（a）为初期支护的接触压力，图2（b）为二次衬砌的接触压力。从图2（a）中可以看出，各测点变化主要发生在初期阶段，接触压力升高主要发生在隧道开挖阶段，在下台阶开挖后其接触压力出现回落，二次衬砌施工后，各测点的接触压力趋于稳定。从图2（b）中可以看出，各测点接触压力在初期变化较大，随着初期仰拱的施工，部分测点接触压力急剧升高，施工完成后，又出现一部分的回落，其中测点11即拱底位置处的接触压力回落最为明显，在拱墙二次衬砌之后，测点0，1，2，5，6接触压力开始急剧升高，然后区域平缓，直到工程结束，隧道通车。此外，这也说明二次衬砌在隧道中承担了相当一部分的围岩荷载，约占初期支护压力的35%左右。

图2 衬砌结构接触压力

2.3.2 轴力与弯矩

图3展示了方案三中二次衬砌结构的内力情况。图3（a）为二次衬砌结构的轴力变化情况，图3（b）为二次衬砌结构的弯矩变化情况。

图3 二次衬砌轴力和弯矩

从图3（a）中可以看出，轴力变化趋势与上文接触压力变化相似，在工程初期变化较大，后趋于稳定。各测点之间，轴力差距较大，轴力数值最大的为测点9和测点11，即为拱底部分，而轴力绝对值最小的为测点5，其次为测点6，对应左右拱腰位置。从图3（b）中也可以看出，各测点弯矩变化主要也发生在工程初期，随着工程的开展，衬砌结构的弯矩趋于稳定。各测点之间，弯矩最大的仍然是拱底位置附近，即测点11，而弯矩绝对值最小的为测点2和测点5，即拱腰位置处。