弹性支护技术在大断面高地应力隧道工程中的应用

1、    弹性支护技术在大断面高地应力隧道工程中的应用    刘新文摘要：针对某铁路隧道工程复杂地质条件及大断面高地应力大变形工程实例，现场应用弹性支护技术，实现让压与抗压结合，解决了大断面高地应力软岩大变形的难题。监测表明该技术能有效控制隧道围岩变形，提高隧道初期支护质量，确保了隧道工程施工安全，达到了预期目的，可为后续类似项目提供经验借鉴。abstract： in view of the complex geological conditions of a railway tunnel project and the large deformation

2、 engineering example of large section high ground stress， the elastic support technology is applied on the spot to realize the combination of pressure and compression to solve the difficult problem of large deformation of high stress soft rock in large section. the monitoring shows that the technolo

3、gy can effectively control the deformation of the tunnel surrounding rock， improve the initial support quality of the tunnel， ensure the safety of the tunnel construction， and achieve the desired purpose， which can provide experience for the follow-up similar projects.关键词：隧道工程；高地应力；弹性支护；应用key words：

4、 tunnel engineering；high stress ground；elastic support；application：u45 ：a ：1006-4311（2018）16-0112-040 引言21世纪是世界隧道与地下空间大发展的世纪，必将出现更多的长大隧道工程，铁路、公路隧道等地下工程“长、大、深、群”的特点日趋明显，高地应力隧道工程大量涌现。高地应力软岩隧道工程大变形控制是国内外地下工程公认的难题1，针对高地应力软岩隧道工程，各国都进行了控制隧道大变形及减小高地应力对隧道工程影响的研究，国外如奥地利陶恩隧道采用可缩性钢架和加长锚杆加固进行变形控制，国内乌鞘岭隧道采用加大变形量

5、，短台阶开挖强支护等措施进行变形控制等。由于各隧道地质条件的差异性，一般都是在隧道施工中被动验证变形治理方案的合理性，从而找出相对应的施工方法，难以形成系统广泛的普遍治理方案。某铁路隧道工程建设应用弹性支护技术，在大断面高地应力隧道工程施工中发挥了重要作用，有效地控制了围岩变形，达到预期目的。1 弹性支护技术原理业界对高地应力软岩隧道工程变形灾害治理有抗压与让压两种方法。实践中大多采用抗压即通过强支护或多次支护的手段抵抗变形开裂，而让压能有效改善围岩结构受力状态，充分发挥围岩的自承能力，并将围岩塑性区控制在合理范围内2。弹性支护技术是根据让压与抗压相结合的原理，通过在隧道工程初期支护钢架中安装

6、弹性构件形成整体弹性支护结构，前期释放部分应力，待围岩变形趋于稳定喷射混凝土封闭弹性构件，增加应力释放部位的强度抵抗残余应力，以适应高地应力软岩隧道大变形特征，达到有效控制围岩变形，防治隧道工程围岩变形开裂灾害的目的。2 现场应用2.1 工程概况2.1.1 地质及水文条件某铁路隧道全长11920.1m，最大埋深691.3m，为单洞双线隧道，隧道开挖断面积94m2。隧道地质及水文条件复杂，岩层为三叠系上统砂岩、粉砂岩夹泥岩，其中砂岩为中层厚层层状构造块状结构，泥岩为薄层中层层状构造碎石镶嵌结构，岩层整体水平，节理裂隙发育，岩体破碎，属破碎岩层和高压富水区，其中出口段砂泥岩互层，岩层水平呈层状结构

7、，出口洞顶外露岩石受多组节理、裂隙切割严重。隧道围岩受线路所经沟壑地貌影响，隧道围岩岩质软弱、分布性差，地层挤压严重、岩层产状多变。2.1.2 地压及支护状况该隧道工程地压显现明显，隧道开挖后产生大变形，主要特点是累计变形量大、变形速率快、持续时间长，隧道围岩极易发生变形、塌方、涌水、涌泥等，造成施工安全风险高、施工进度缓慢，隧道前期采用单一格栅钢架支护不能适应围岩大变形特征，隧道拱部出现连续开裂破坏，钢架呈“z”形扭曲，维护成本极高。2.2 地应力测试地应力测试是正确认识岩体的力学性质，分析研究工程围岩变形稳定性及其破坏机制，为岩土工程开挖设计和施工提供科学依据的前提3。为定量分析某铁路隧道

8、工程的地应力状态及其对围岩变形破坏的影响，于2017年6月下旬在现场进行了地应力测试。2.2.1 测试地点测试地点选择隧道某号斜井正洞dk475+874里程，测试钻孔位于隧道正洞内，钻孔附近上覆地层厚约130m，钻孔设计深度50m。根据钻探岩芯完整度，在鉆孔深度48.2m，45.3m，44.0m位置分别进行地应力测定，在钻孔深度45.3m，44.0m位置完成地应力方向测定。2.2.2 测试方法地应力测试采用水压致裂法，见图1。由于受测试地点地质条件限制，为使测试快捷方便、结果可靠，测试使用图1（b）所示的单回路水压致裂应力测量系统。测试时当钻孔到达设计深度，用可膨胀的橡皮封隔器封隔一段钻孔，泵

9、入液体对该段钻孔加压，同时记录液压随时间的变化。当增压到孔壁岩体破裂时，压力随之下降，经稳压一段时间后停止加压，待压力降到某一定值后结束试验。根据测试结果，绘制压力与时间关系曲线，按弹性力学理论计算地应力值，得出测点处的最大和最小水平主应力的量值以及岩石的水压致裂抗拉强度等岩石力学参数。2.2.3 测试结果通过现场对地应力及围岩强度测定结果的综合分析，确定了隧道某号斜井正洞dk475+874里程钻孔围岩的地应力大小、方向、状态及围岩强度等。初始地应力采用钻孔深度44.0m49.0m（埋深174.0m179m）的平均测试结果，最大水平主应力h=7.09mpa，最小水平主应力h=4.59mpa，自

10、重应力v=4.31mpa，最大水平主应力方向n79°e。三向主应力的关系为h>h>v，表明构造应力的值大于自重应力，地应力状态以区域构造应力为主。岩石单轴饱和抗压强度rc平均值为44.23mpa；岩石抗拉强度1.9mpa6.5mpa。2.2.4 初始地应力状态评估根据该隧道某号斜井正洞dk475+874里程钻孔附近隧道测定的围岩强度及地应力测试结果，进行初始地应力状态评估。由最大水平主应力h=7.09mpa，最大水平主应力平均方向n79°e，经坐标转换计算垂直隧洞轴线方向的最大初始地应力max=7.0mpa，rc/max=6.32，属高地应力3。2.3 弹性支护

11、技术针对某铁路隧道工程复杂地质条件及大断面高地应力大变形工程特征，鉴于隧道施工难度大，隧道前期支护发生围岩开裂破坏，钢架扭曲变形损坏的现象，为改善隧道支护状况，确定应用弹性支护技术。弹性支护技术关键是在隧道初期支护钢架中安装弹性构件形成整体弹性支护结构，起到阻尼作用，先讓压后抗压，使围岩应力可控性释放，降低周边围岩应力值，适应高地应力段围岩压力变形大特征，达到有效控制围岩变形，保持隧道初期支护结构基本稳定的目的。弹性构件加工。弹性构件钢板材质采用q235，变形部位限阻钢板厚8mm，连接钢板厚10mm，限阻钢板宽度与初期支护厚度相同。采用工厂化集中加工，焊接成型，连接钢板螺栓孔采用液压冲孔机打孔

12、，冲孔位置根据拱架连接角钢螺栓孔位置严格控制，以便现场连接施工，见图2。2.4 施工工艺2.4.1 施工工艺流程（图3）2.4.2 弹性构件安装弹性构件安装应精确定位以保证受力均匀，避免局部凸出部位出现应力集中无法发挥作用。隧道前期施工变形开裂均发生在拱顶，因此弹性构件安装于拱顶位置，现场安装见图4。构件安装于隧道开裂部位，采用螺栓将其和拱架连接形成整体。安装前使用全站仪对构件放线定位，保证构件位于隧道拱顶且纵向线形良好；采用螺栓将构件与拱架连接形成整体，螺栓应拧紧保证连接良好；采用22mm螺纹钢帮焊钢筋将前后两榀构件焊接在一起，焊接牢固形成整体受力结构，防止受力后构件错位从而引起初期支护开裂

13、。弹性构件安装后钢架重量增大，构件安装时使用螺旋支撑杆进行辅助作业；钢架安装时先将拱脚定位准确，连接拱架与构件，连接完成后用螺旋支撑杆将拱架与构件升顶到位，进行局部微调，保证构件纵向连接一致，定位准确后用2根22mm钢筋帮焊固定。钢架安装完成后焊接纵向连接筋及钢筋网片，安设锁脚锚杆。2.4.3 初期支护弹性构件安装完成后进行喷混凝土施工，构件两侧喷混凝土应平整密实。喷混凝土前，在构件空隙中填塞土工布或上下分别挂设1层防水板遮挡，以防混凝土喷入空隙。喷混凝土后清除封闭材料，若有混凝土进入构件需及时清理，否则影响释放变形的效果。喷混凝土施工时，严格控制喷射混凝土作业顺序，钢架拱脚位置封闭后，进行构

14、件位置喷射混凝土作业，先将构件位置喷射平整后，再进行其他位置喷射混凝土作业，见图4。2.4.4 施工质量控制弹性构件加工焊接应牢固，焊缝饱满，螺栓孔定位准确，验收合格方可投入使用。弹性构件与拱架安装应连接可靠，相邻构件连接牢固，纵向线型良好。喷混凝土前在弹性构件2块连接钢板中间纵向每4m预埋1根注浆管，以便后期注浆充填构件背后空隙。严格控制喷混凝土质量，初喷混凝土时弹性构件后不允许喷浆，两侧应喷浆平整密实，若有喷浆进入构件，喷浆结束需及时清理。除弹性构件背后严禁出现虚空现象外，且靠近构件两侧喷混凝土应一次完成，禁止补喷或出现喷混凝土不密实的现象。否则，初期支护受力后在靠近构件两侧易发生变形开裂

15、。3 监控量测3.1 监测项目及测点布置监测项目主要是隧道收敛变形及拱顶沉降。在隧道h180格栅钢架弹性支护段及h230格栅钢架弹性支护段弹性构件安装后，及时在隧道两帮安设收敛监测点及拱顶沉降监测点，测点间距10m15m，监测频率1次/d。3.2 监测结果根据h180格栅钢架弹性支护段及h230格栅钢架弹性支护段日常监测数据，绘制隧道两帮收敛变形及拱顶下沉曲线见图5。分析图5看出，隧道开挖后两帮收敛变形及拱顶下沉开始发生缓慢变化，经过一定时间由初期缓慢变形逐渐过渡至稳定，表明隧道应用弹性支护技术，充分发挥先让压后抗压作用，允许围岩发生一定变形，释放围岩压力，充分发挥围岩自承能力，达到围岩变形可控目的，隧道保持稳定安全，目测隧道表面喷混凝土层完好无明显开裂，与前期采用单一格栅钢架隧道开裂破坏，钢架变形损坏严重比，隧道支护状况大为改善，支护效果显著。4 结语弹性支护技术是高应力软岩隧道工程围岩控制一种新型技术，施工工艺简单，实现了抗压与让压结合，支护效果明显。将弹性支护技术应用于大断面高地应力隧道工程，提高了隧道初期支护效果及施工质量，确保了施工安全，节约了因变形开裂引起的后期维护成本。隧道弹性支护技术在国外研究应用较早，国内现处于起步阶段，随着弹性支护结构阻尼系数的测定及与高地应力分级匹配研究深入，将扩大弹性支护技术在高地