随着我国公路建设的不断发展及通车里程的不断增加, 新设计和建设的铁路和公路隧道向长度长、断面大、埋深大、地应力高、地质条件复杂的趋势发展, 从而不可避免地出现遭遇软弱围岩且发生围岩大变形的情况^[1]。南昆线家竹箐隧道^[2]、兰渝铁路木寨岭隧道^[3,4,5]、兰新铁路大梁隧道^[6,7,8]、乌鞘岭隧道^[9]、宜万铁路堡镇隧道^[10,11]等均在穿越软弱围岩地层时发生大变形。隧道开挖遭遇软弱破碎围岩后不易支护, 支护后变形大, 变形持续时间长, 并导致隧道衬砌开裂、掉块, 围岩衬砌变形过大而侵入建筑限界, 甚至导致衬砌坍塌等事故。软弱围岩的支护选型不当会严重影响施工进度和安全, 增加施工和安全成本^[12], 如何解决隧道大变形的支护问题一直是工程建设面临的重要问题。

刘高等^[3]在解决木寨岭隧道大变形时, 提出通过封闭掌子面、锚注支护以及快速施作二衬的方案解决木寨岭隧道的大变形问题。张德华等^[6,7]在对格栅架和型钢支护的试验研究中发现格栅架+套拱支护的“先柔后刚”支护系统支护效果比单纯的格栅架或型钢好。戴永浩等^[8]通过分析, 提出了加大预留变形量、拱顶超前注浆加固、加锁脚锚杆并采用钢拱架+锚杆+钢筋网的联合支护系统控制大梁隧道的大变形。刘招伟等^[9]在乌鞘岭隧道进行现场试验研究, 研究指出H175钢拱架在现场试验中优于Ⅰ20钢拱架, 以H175钢拱架+柔性预应力锚索+钢纤维喷射混凝土组成的初支系统能够较好地控制乌鞘岭隧道大变形。郭富利^[10]在研究堡镇隧道大变形时, 强调了喷锚支护的重要性, 确定喷锚网支护为解决堡镇隧道大变形的首选方案。文献[13-14]通过研究型钢和格栅架在黄土隧道中的支护效果, 认为格栅架在黄土隧道支护中有优势、拱部系统锚杆作用不大可以取消。李树忱等^[15]研究发现当格栅架间距在0.6~1.0m时, 格栅架间距对支护效果影响不大, 当喷层混凝土达到设计强度时, 围岩荷载主要由混凝土层承担, 提出0.6~1.0m榀间距条件下, 调整间距不如增加喷层厚度。

针对重庆南川—贵州道真高速公路马嘴隧道在穿越破碎页岩段时发生的围岩大变形问题, 在临近相同地质段施作Ⅰ14, Ⅰ16钢拱架试验段, 并与原设计格栅架支护段支护效果做对比。通过现场试验、数值模拟, 对原格栅架和钢拱架支护系统的围岩变形、围岩-支护内力、塑性区分布对比分析, 并最终确定适合马嘴隧道穿越破碎页岩段的支护参数

重庆南川—贵州道真高速公路马嘴隧道全长3 711.3m, 属特长隧道, 为双向4车道、设计时速80km, 位于重庆市南川区。隧道区穿越金佛山主峰风吹岭, 最大埋深441m。

其施工工法为上下台阶开挖。设计主洞宽10.66m、高7.08m;原设计初期支护参数为:22格栅架, 间距1.0m;C20早强混凝土, 喷射厚度18cm;6.5钢筋网, 网格间距25cm×25cm;拱顶128°范围内22药卷锚杆@100cm×120cm, L=4.5m (拱顶90°范围) , 其余L=2.5m;二次衬砌、仰拱为40cm厚C25混凝土。隧道设计衬砌如图1所示。

隧址区地处金佛山向斜末端, 受构造特征、地层结构以及地貌特点影响, 水文地质条件较复杂。隧道穿越志留系下统龙马溪组页岩, 岩层倾角2°~4°, 掌子面上部为薄层状, 层厚5~10cm, 且较破碎, 裂隙水较大, 而下部层厚较厚。对该段页岩取样进行岩石力学试验, 测得单轴抗压强度平均为19.68MPa, 饱水后抗压强度降低为12.69MPa, 属较软岩~软岩。所得试验段页岩岩石力学参数如表1所示。

2015年8月, 马嘴隧道在穿越页岩段的施工中发生围岩大变形, 在加设Ⅰ18钢拱架复拱护巷处理的情况下, 拱顶最大累积变形达286mm, 最大日变形速率48mm/d, 拱部初喷混凝土大面积开裂、掉块, 格栅架、钢筋网裸露变形, 严重危及施工安全和支护系统稳定性。

对大变形段的现场调查和变形数据分析可知, 原支护系统及支护参数不能满足该段的支护要求。为保证施工安全、高效, 对发生大变形的页岩段支护系统进行现场试验性研究。现场试验分3段进行, 分别采用支护Ⅰ14钢拱架为主体的支护系统和Ⅰ16钢拱架 (间距0.8, 1.0m) 为主体的支护系统。支护均采用锚杆-钢筋网-喷射混凝土的支护系统。

现场施作ZK17+415—ZK17+435段为Ⅰ14钢拱架支护;ZK17+435—ZK17+455段为Ⅰ16钢拱架支护, 间距为1.0m;ZK17+455—ZK17+475为Ⅰ16钢拱架支护, 间距为0.8m。原设计及试验段初期支护参数如表2所示。

分别于Ⅰ14, Ⅰ16钢拱架支护试验段布置监测断面, 监测断面拱顶埋设3个拱顶下沉测点, 水平方向上2条测线分别为上、下台阶周边收敛测线, 测点及测线布置如图2所示。

拱顶下沉及周边收敛量测在变形量<5mm/d时1次/d, >5mm/d时可根据具体变形情况增大量测频率。测量仪器为加装测微仪的苏州一光DSZ2水准仪搭配铟钢尺, 量测精度0.1mm;JSS30A数显收敛仪, 量测精度为0.06mm。

试验主要选取发生大变形的原设计段及水文地质条件相同的临近段, 鉴于隧道大部分监测断面周边收敛量均较小, 边墙也未曾发生衬砌开裂和破坏现象, 周边收敛无太大可比性。主要分析依据为选取拱顶下沉量、初期支护外观变化 (主要为初次衬砌开裂长度、掉块厚度、范围) 。

原格栅架支护段初次衬砌施作1~2d时, 拱顶部位初次衬砌混凝土开始出现沿隧道轴线方向的开裂, 开裂长度一般为15~25m;4~6d开始掉块, 掉块厚度为20cm左右、拱顶45°范围均较严重;格栅架及钢筋网片裸露变形现象在初期支护严重侵限, 衬砌结构失稳, 危及施工安全。Ⅰ14钢拱架支护段一般于初次衬砌施作后1周左右发生拱顶开裂及小范围的初次衬砌混凝土掉块现象, 范围及块度都较格栅架支护段小, 但存在安全隐患。Ⅰ16钢拱架支护段施作后, 初次衬砌混凝土未发现开裂及掉块现象。

根据洞内观察和数据观测可知, 马嘴隧道拱顶下沉及变形情况远甚于周边收敛变形及巷帮变形, 且现场实测周边收敛量差异不大, 因此马嘴隧道试验段选取拱顶下沉数据作为支护效果判断依据, 3种类型下4个支护段典型的拱顶下沉曲线如图3所示。

1) 由图3a可知, 格栅架立架后围岩变形就较大, 变形速率可达40mm/d, 10d左右累积变形>200mm, 远超出原设计预留变形量60mm, 现场情况危及施工及结构安全。现场紧急架设Ⅰ18钢拱架复拱护巷, Ⅰ18钢拱架复拱架设后变形量逐渐减小, 变形曲线开始收敛, 拱顶最终下沉量为286mm, 造成严重侵限。

2) 图3b所示Ⅰ14钢拱架立架后第1周控制围岩下沉情况好于格栅架支护段, 表明型钢支架在控制围岩初期变形的效果要优于格栅架, 但1周后Ⅰ14钢拱架支护段变形速率有一个突增, 累积变形曲线渐进上升, 仰拱施作、混凝土回填后变形曲线仍不收敛, 累计下沉达146mm, 为格栅架的51%, 支护效果优于格栅架, 但围岩变形大造成侵限。

3) 图3c显示榀间距为0.8m的Ⅰ16钢拱架立架后即能很好地控制围岩变形, 变形速率较小, 一般为2mm/d, 10d左右下台阶开挖时变形曲线明显上扬, 之后仰拱施作封闭成环、混凝土回填后曲线逐渐收敛, 累积变形曲线形态呈“台阶”状, 最终下沉量为30.5mm, 支护效果大大改善。

4) 图3d榀间距为1.0m的Ⅰ16钢拱架累积变形曲线形态与图3c类似, 该试验断面累计下沉量36.5mm, 较图3c略大。

5) 由图3a~3d可以看出, 隧道试验段拱顶3个测点下沉最大的总是中间测点, 图3e将4种支护形式的中测点累积变形曲线置于同一坐标系。通过对比可知, 在试验段的围岩地质条件下, 原设计的格栅架和试验段的Ⅰ14钢拱架初期支护系统均不能满足支护要求。榀间距为0.8m和1.0m的Ⅰ16钢拱架均能满足试验段的支护要求, 且本试验条件下0.8m和1.0m的榀间距对支护效果影响不大。

通过现场试验, 结合数据分析和现场调查, 认为原设计初期支护不能满足隧道稳定性要求, 改格栅架为Ⅰ16钢拱架。此外, 还要重点关注拱部破碎岩体的加固和钢拱架拱脚部位的加固与应力改善, 遂改原来超前锚杆为超前注浆小导管, 增设锁脚锚杆。初期支护形式及具体支护参数如表3所示。

选定支护系统在控制围岩位移方面的效果已经验证。此外, 对新的初期支护系统施作1个围岩间压力和钢支撑应力监测断面与先前格栅架支护段埋设的监测断面数据进行对比。监测时间为断面初期支护施作后至二次衬砌施作之间的30d。

初次衬砌围岩间压力采用土压力盒收集, 钢支撑应力采用钢弦式钢筋计收集, 信号采集采用频率仪。压力盒采用点焊法焊接在钢拱架拱部外侧, 立架后用混凝土将压力盒受力面与围岩回填密实, 钢筋计分别点焊于钢拱架外缘内部两侧。量测断面布置如图4所示。

表4给出了原格栅架支护系统与新支护系统初期支护与围岩间压力对比, 图5所示为2种支护条件下压力分布。

由表4及图5对原设计和修改后初期支护与围岩间压力数值及分布做对比可知: (1) 隧道拱顶部位承受压力比边墙大, 即支护体系受垂直向应力比水平向应力大, 与位移观测结果吻合; (2) 钢拱架支护段各部位围岩-支护间压力比格栅架支护段压力大, 钢拱架支护段拱顶压力为0.54MPa, 格栅架支护段拱顶压力为0.42MPa; (3) 修改后钢拱架初期支护系统能提供较大的支护阻力, 进而控制初期支护-围岩体系的变形, 防止初次衬砌混凝土开裂、掉块、结构失稳。

表5所示为格栅架支护与钢拱架支护体系钢支撑内力监测数据对比, 图6所示为2种支护条件下钢支撑内力分布。

由表5及图6可以看出: (1) 2种支护形式钢支撑的受力状况均为受压状态, 说明2种支护形式的钢架均起到了预期的承压作用; (2) 钢拱架支护外侧最大内力为43.32k N, 内侧最大为35.36k N, 而格栅架支护外侧最大内力为27.28k N, 内侧最大内力为18.3k N; (3) 对2种支护形式的钢支撑应力对比可知, 钢拱架支护时其整体应力水平高于格栅架支护。

利用FLAC3D数值模拟软件根据现场施工工序按照原设计支护形式和新支护形式建立模型进行计算, 试验段实际埋深120m, 计算范围为100m×60m×80m, 模型底部约束, 竖直向和水平向分别施加自重应力P_v和水平应力P_h, 其中P_h=0.53P_v。建立模型及网格划分如图7所示。

模型材料计算参数按照实验室对页岩的物理力学试验测定的指标选取。初期支护钢架采用实体单元。计算采用的围岩物理力学参数如表1所示, 支护单元计算参数如表6所示。

主要对拱顶部位进行模拟分析。分析原格栅架支护与Ⅰ16钢拱架支护形式下断面位移及塑性区分布规律。

由Ⅰ16 2种支护的位移计算结果可知: (1) 格栅架支护段最大位移为310mm, 且最大位移发生在拱顶部位, 模拟累计下沉大于格栅架支护大变形段实测数据 (286mm) , 这是因为实际施工中加设了Ⅰ18钢拱架护巷;模拟Ⅰ16钢拱架支护段最大位移为33.3mm, 也出现于拱顶部位, 与监控量测结果基本吻合; (2) 格栅架支护段位移较大, 不利于围岩稳定, Ⅰ16钢拱架支护能很好地控制围岩变形, 尤其能很好地控制拱部“危险区”的大变形。

由2种支护的塑性区计算结果可知:格栅架支护段的塑性区分布范围明显较大, 拱顶及底板以拉伸破坏为主, 两帮围岩为剪切破坏。Ⅰ16钢拱架支护下塑性区分布范围明显减小, 表明钢拱架在控制围岩塑性区分布上效果好于格栅架。

按照方案变更后的初期支护优化参数进行施工 (见表3) , 支护效果大大改善。对优化方案实施后的支护段埋点进行观测, 选取邻近100m洞段的5个监测断面的拱顶中测点沉降数据绘图分析, 如图8所示。

图8反映了支护变更后典型的拱顶下沉情况。拱顶累计下沉一般≤30mm, 变形曲线形态呈阶梯形, 未再发生大面积拱顶开裂及初次衬砌掉块现象。现场实测证明变更方案能有效控制围岩变形。

1) 马嘴隧道掌子面页岩强度低、近水平、薄层状、岩体破碎、裂隙水发育、页岩遇水强度减小是拱顶发生大变形的内因。

2) 掌子面开挖后围岩短时间内释放应力较大, 作用于整个断面围岩较薄弱的拱顶部位, 而格栅架为柔性支护, 混凝土喷射早期强度较弱, 无法限制围岩开挖早期发生的较大位移, 导致喷层破坏、格栅架变形, 进而导致整个支护系统失稳。这是拱顶发生大变形的外因。

3) Ⅰ14钢拱架支护本质上也是由于支护阻力不够, 不能有效控制开挖后围岩的持续变形, 且下沉曲线长时间不收敛, 试验断面最大累计下沉量为146mm, 导致初期支护侵限。因此, Ⅰ14钢拱架支护系统也不能满足试验段支护要求。

4) 在控制围岩位移上, Ⅰ16钢拱架效果最好, 围岩累计下沉量为30mm左右, 优于Ⅰ14钢拱架的146mm和格栅架的286mm;在支护结构受力上, Ⅰ16钢拱架表现最好, Ⅰ16钢拱架支护段最大围岩压力发生在拱顶部位, 为0.54MPa, 格栅架支护段最大围岩压力出现在拱顶部位, 为0.43MPa;格栅架内力最大出现在拱脚外侧, 为27.28k N, Ⅰ16钢拱架内力最大为43.32k N, 出现于拱顶外侧;在控制塑性区范围上, Ⅰ16钢拱架效果也明显优于格栅架。

5) Ⅰ16钢拱架能在立架喷浆后即提供较高支护阻力, 有效控制混凝土达到设计强度前围岩的大变形, 保护混凝土喷层不受破坏, 混凝土达到设计强度后又能和钢拱架联合承担围岩压力;超前导管注浆系统锚杆可以很好地加固层状破碎岩体, 提高围岩的整体性, 同时还可控制裂隙水, 优化围岩的赋存环境;锁脚锚杆可很好地控制分台阶开挖时上部衬砌的整体下沉、改善曲率较大的拱脚部位应力状态。现场实测证明, Ⅰ16钢拱架+喷射混凝土+超前注浆小导管+系统锚杆+锁脚锚杆的初期支护系统能很好地解决马嘴隧道穿越页岩段的大变形问题。