我国正处在快速发展时期,为了适应经济日益发展的需求,国家投入了大量资金进行交通等基础设施建设。西南、西北地区是我国公路、铁路基础建设的重点发展区域,该区域以山地为主,围岩在高地应力及地震作用下,一般为较为破碎的软岩。对于软岩,流变性是隧道工程围岩变形失稳的最重要原因之一^[1] 。围岩的流变作用会引起围岩应力调整,大幅增加支护上的荷载,引起衬砌结构的变形甚至开裂,从而影响工程的稳定性^[2,3,4,5] 。

由于软岩的流变性,传统的支护形式不能满足隧道支护的要求,为了控制围岩的变形,新型的支护技术和开挖方法应运而生。软岩隧道支护技术多年来已经有了很大的发展,由过去的被动支护形式逐渐发展形成了各种系列支护技术。这些技术可以大致分为以下4类:喷锚支护、金属架支护、高强混凝土弧板支架支护和联合支护^[6] 。

兰渝铁路两水隧道属于典型的软岩隧道,为了保证工程安全,分别在两水隧道斜井工区重庆方向DK359+712—DK359+742开展双层初支试验,DK359+742—DK359+772开展双层二衬试验研究。本文通过分析双层衬砌试验段DK359+765断面的应力监测结果,分析双层衬砌支护效果。

兰渝铁路两水隧道位于甘肃省武都区白龙江左岸中山区,地形较为陡峻,隧道起讫里程DK357+162—DK362+084,全长4 922m,设计为1座双线隧道,隧道最大埋深为346m。隧址区涉及地层主要为志留系中、上统千枚岩夹板岩、炭质千枚岩、灰岩等,岩质较软。隧址区位于武都山字型构造体系前弧,受构造影响,揉皱、褶皱发育,隧道围岩除DK360+744—DK361+984段为IV级外,其余均为V级。隧道纵断面如图1所示。

从现场开挖揭露的工程岩体来看,工程地质特征主要表现为:①结构破碎松散,岩体间的黏结力差;②围岩强度低,易风化,遇水易软化,稳定性差,岩性特征如表1所示;③岩体结构面软弱、易滑塌;④倾斜岩层构造偏压严重。

隧道在施工过程中,多次出现挤压大变形,造成初支开裂、剥落,钢架扭曲、折断等,给隧道施工安全及运营安全造成了不利的影响,为了满足规范要求的“下沉0.15mm/d,收敛0.2mm/d”的稳定要求,分别在两水隧道斜井工区重庆方向开展30m的工程试验段(DK359+742—DK359+772),采取双层衬砌支护措施。通过分析双层衬砌试验段支护应力,判断其支护效果。

原支护设计参数不能满足围岩大变形的要求,通过现场试验结合工程实践对支护参数进行了分阶段调整,调整后的支护参数如下。

1)预留变形量70cm。

2)超前支护拱部120°设ф42注浆小导管,长3.5m,环向间距40cm,搭接长度≥1m,纵向间距2m。

3)拱墙设置ф42小导管径向注浆,长4m,间距1.5m×1.5m,取消拱墙系统锚杆。

4)初期支护全环设H175型钢钢架,间距0.5m,全环喷C25混凝土,厚度30cm,拱墙设置双层ф8钢筋网片,网格间距20cm×20cm。采用R32N自进式锚杆锁脚,每榀4处8根,长6m。连接垫板尺寸为22cm×22cm,采用M30×70高强螺栓,钢架拱部采用I16型钢连接,起拱线以下采用内外双层ф22螺纹钢筋,环向间距1.0m,每榀拱架两侧边墙大跨范围内各增设3根R32N自进式锚杆,对拱架进行锁固,长9m。

5)第1层衬砌采用C35钢筋混凝土,厚50cm。环向主筋为ф22,间隔双筋布置,间距为20cm,纵向钢筋为ф14,间距为20cm,箍筋为ф8。

6)第2层衬砌采用C35钢筋混凝土,厚30cm,仰拱与第1层二次衬砌一起施作,环向主筋为ф20,间距为25cm,纵向钢筋为ф14,间距为25cm,箍筋为ф8。

两水隧道采用了微台阶开挖方法,通过控制上、中、下台阶的长度以及掌子面距仰拱开挖距离,能够有效地控制围岩变形。双层衬砌试验段应力监测分阶段分为初期支护阶段、仰拱开挖阶段、施作第1,2层衬砌4阶段内容。在初期支护阶段,通过埋设压力计、钢筋计和混凝土应变计等应力监测设备,监测初支围岩压力、喷层压力、钢架应力;仰拱开挖阶段,主要监测仰拱内钢筋、混凝土应力;双层二衬施作阶段,监测二衬内钢筋应力、双层衬砌间接触压力、初支与第1层衬砌间接触压力等。各监测项目均沿隧道横断面10个测点,分别布设于拱顶、左右拱腰、左右拱脚、左右墙中、左右墙脚及仰拱。测点布置如图2所示。

通过对两水隧道斜井重庆方向各试验断面变形的跟踪量测,得到典型试验断面围岩及支护结构应力结果。

根据上、中、下台阶施工时间,埋设相应的应力监测设备。监测设备埋设时间分别为2012年12月5日、12月17日和12月25日,监测频率1次/d。应力监测结果分析如下。

初支围岩压力-时间曲线如图3所示,初支围岩应力横断面分布如图4所示。

由图3可知,各监测项目均处于受压状态,最大围岩压力为0.8MPa,位于仰拱处,左墙腰处最大围岩压力为0.638MPa,右墙腰处最大围岩压力为0.210MPa,其余各测点处初支围岩压力较小,在0.100MPa左右。各监测点围岩压力受施工步骤影响较大,对左墙腰影响最为显著。围岩压力基本符合快速增长-缓慢增长-趋于稳定的变化规律。仰拱的施作,有利于初支围岩压力趋于稳定。

由图4可知,初支围岩压力非对称分布,左侧各测点围岩压力大于右侧,主要受倾斜岩层构造的影响,最大围岩压力均出现在两个主应力方向。

DK359+765断面初支钢架应力-时间曲线如图5所示,横断面应力分布如图6所示。

由图5可知,上部弧形导坑开挖后,及时进行喷、锚、网,架设钢架,初支钢架应力迅速变化,各测点处初始应力达到整个监测期间应力最大值,其中左右拱脚处出现拉应力,最大拉应力值约为18MPa,其余各测点处钢架初始应力均为压应力,约为30MPa。施工步骤对左右拱脚及左墙脚的影响最为显著,左拱脚处钢架应力在监测初期,应力类型、大小连续变化,表现出不稳定,但在仰拱施作前,总体表现为拉应力,随时间逐渐减小,施作仰拱后,钢架应力为压应力,应力呈现上升趋势,监测期间最大压应力为39MPa。右拱脚初钢架应力在监测第5天,由初始拉应力变为压应力,随着时间的增长逐渐变大,最大压应力为43.8MPa。左墙脚处钢架应力在监测后期表现为拉应力。

由图6可知,初支钢架应力表现为不对称性,左边钢架应力要大于右边,这与围岩压力的不对称性有一定的关系。

初支混凝土应力时间曲线如图7所示。由图7可知,左、右墙腰混凝土在应力监测期间处于受拉状态,由于混凝土抗拉承载力很低,因此要注意左右拱腰处混凝土开裂。初支混凝土应力受施工扰动的影响较大,其中对左墙脚、左拱腰和右墙腰的影响最为显著,随着上、中、下台阶开挖,初支混凝土应力均出现波动,应力值明显增大,在施作仰拱后,混凝土应力变化开始逐渐趋于平缓。

通过对初期支护阶段支护应力结果的分析可知,在初期支护阶段,各支护结构应力基本处于受压状态,但是在局部位置出现的拉应力,各支护应力表现出明显的时空效应和非对称性,受施工过程的影响较大,注意控制施工对围岩的扰动。仰拱的施作,有利于控制围岩稳定,同时要关注由于应力的非对称性,造成偏压,引起支护结构开裂。

根据试验要求,第1层衬砌紧跟初支施作,不受稳定速率0.15mm/d要求的限制。因为第1层衬砌断面与原设计断面相比半径增加了30cm,原衬砌台车不能使用,为此重新采购了1部衬砌台车,在洞内用起重机拼装,于2013年1月12日完成台车组装,2013年1月15日开始第1层二衬浇筑,至2013年3月10日完成。第2层衬砌在第1层衬砌变形基本稳定后施作。应力监测设备于3月5日埋设,3月20日开始监测,监测结果如图8~10所示。

由图8可知,初支与第1层衬砌的接触应力为压应力,其中左拱腰的接触应力最大,最大约为0.3MPa,其余各项监测应力很小,约为0.03MPa。在应力监测期间,接触应力基本保持不变。

由图9~10二衬内、外侧钢筋应力-时间关系可知,二衬内侧钢筋的应力为压应力,最大应力位于左墙脚处,应力最大值为25MPa;外侧钢筋最大应力位于左墙腰处,应力最大值为22MPa。监测期间,钢筋应力基本保持稳定。

根据应力监测结果分析可知,双层衬砌施作后,初支与二衬的接触应力出现变大的趋势,主要受到了二衬施作的影响。各接触应力值很小,说明初支与二衬之间的预留变形量适应了变形的需求。双层衬砌施作后,二衬内、外测钢筋的应力值最大约为20MPa,所受的压应力远低于钢筋的抗压承载力,二衬刚度足够大,满足变形的要求。虽然监测得到的应力结果在要求范围内,但是应力值还是比较大,需要进一步加强监测。

1)双层衬砌无论从设计参数(二衬厚度、配筋等)还是现场应力监测结果都明显优于单层衬砌,其结构的稳定性和安全性无疑也会优于单层二衬,对于提高二衬运营期间的安全性和延长二衬疲劳破坏的期限都有积极的作用。

2)双层衬砌支护结构应力具有明显的时空效应和不对性特征。施工过程中要严格控制施工对围岩扰动,同时要注意由于应力的不对称性,可能造成的隧道偏压效果,从而引起隧道支护结构开裂。

3)双层衬砌作用下,支护结构的应力在支护材料承载能力范围内,满足安全性要求,但是由于支护应力还是比较大,根据监测结果,需要及时修正设计参数。

4)双层衬砌在控制围岩大变形上,由于其刚度很大,具有很好的效果,但是由于在双层衬砌施作过程中,对环境和工艺的要求都较高,与软岩隧道快速封闭的理念存在一定矛盾,从安全、成本、工效、工期等各方面不宜在两水隧道推行。

5)双层衬砌由于其施工的复杂性,限制了其在两水隧道的应用,但是由于其刚度大的特性可以很好地抑制围岩大变形,通过改进其施工工艺,该方法在软岩隧道施工中具有较大的应用空间。