高地应力炭质板岩隧道超前洞室应力释放试验研究

武建广

（中铁隧道集团有限公司，河南洛阳471009）

高地应力炭质板岩隧道超前洞室应力释放试验研究

武建广*

（中铁隧道集团有限公司，河南洛阳471009）

结合现场高地应力实际情况，以兰渝铁路木寨岭隧道7#斜井进行超前导洞、超前导坑地应力释放试验，从理论分析和实际施工变形监测2方面与原施工段进行对比，无论是塑性区的发展，还是支护结构的变形发展，超前导洞都达到变形控制的作用，对其存在的问题还需在今后的研究中继续完善。

导洞；导坑；应力释放；变形控制

在高地应力软岩隧道施工过程中产生的大变形导致初期支护混凝土开裂、剥落、掉块，支护钢架扭曲、错断，初支侵限［1-2］，严重影响了隧道施工安全和进度，也加大了施工成本。在高地应力区域修建成的隧道由于变形大导致支护严重破坏，如乌鞘岭隧道施工时最大变形量近1.0m，开挖初期平均变形量在0.4～0.6m，致使初支因大变形而遭破坏，并严重侵入隧道衬砌净空，不得不将初支全部或部分拆除重做［3］；如木寨岭公路隧道施工中由于大变形导致部分地段多次拆换拱［4］。

在修建兰渝铁路木寨岭隧道初期就因高地应力软岩作用，多数斜井出现大变形，最为严重的是木寨岭大坪有轨斜井，大变形导致斜井断面径缩［5］，仅侵限段处理就耗时2.5个月，严重影响了施工进度。为了寻找解决炭质板岩大变形的方法，在木寨岭隧道大战沟斜井进行了超前导洞应力释放试验，通过对高地应力软岩隧道围岩初始地应力的预释放，以期使隧道支护变形减小至安全可控状态。

木寨岭隧道建设者已对超前导洞进行了初步研究［6-8］，本文在前人研究的基础上增加理论计算分析，从理论和实际施工2方面对地应力与隧道轴线成大角度相交的情况下超前导洞试验进行全面分析，并与正常施工对比段进行对比，更全面地了解导洞应力释放效果。

1　工程概况

兰渝铁路木寨岭隧道洞身通过炭质板岩区，板岩及炭质板岩段合计8850m，占隧道全长的46.5%。隧道穿越断层破碎带总计11条，合计4500m，占隧道全长的23.7%。大战沟斜井最大埋深约500m，隧道轴线方向为N80°E，与最大主应力方向成46°大角度相交，穿越岩层为板岩夹炭质板岩夹砂岩及F16断层带压碎岩区。

炭质板岩的力学特性与结构面倾角大小有关，当结构面受力后易发生剪切破坏和顺层理面滑移破坏；板岩浸水后强度降低约50%，在水的作用下板岩力学性质会削弱岩体强度。炭质板岩岩体层理发育，富含裂隙水，遇水易软化，围岩稳定性较差，极易产生大变形且局部易垮塌。现场测得地应力方向为N34°E，最大水平主应力分别为24.95MPa、27.16MPa，属高应力区。炭质板岩地段开挖爆破后应力重新分布，也极易造成隧道围岩大变形和局部坍塌。

2　超前导洞的设计

超前导洞试验段设置在大战沟斜井，导洞设置在隧道斜井上半断面。综合考虑施工安全、方便等因素，小导洞断面尺寸高3.5，宽为3.5m，小导洞超前距离15m，导洞内开挖后设置临时支护，挖完后拆除，应力控制时间为1d。超前导洞示意图如图1所示。

超前导坑试验段也设置在隧道斜井上半断面。综合考虑各因素，小导坑断面4m2（2.0m×2.0m），断面形状为方形，小导坑超前距离3～4m，小导坑内不进行刚性支护，但可以采取适当的柔性支护措施，应力释放时间1d，超前小导坑设置如图2所示。

3　导洞段与对比段支护参数

3.1导洞段支护参数

导洞试验段里程为斜6+90～斜6+75，采用曲墙开挖断面，支护参数以网喷混凝土+锚杆+工字钢组成，锚杆拱墙布置；工字钢采用I16型钢，每榀间距60cm；拱、墙采用∅22mm砂浆锚杆，L=3.0m，环向间距1.0m× 1.0m，按梅花形布置；拱墙满铺∅8mm钢筋网，网格尺寸20cm×20cm；拱部采用∅42mm超前小导管预注浆进行超前支护，L=3.5m；拱架连接处设∅22mm锁脚锚杆，L=3.0m，每榀拱架设8根；喷射早强混凝土23cm；仰拱钢架采用I16型钢加工，浇注C25混凝土封闭成环。

3.2小导坑试验段支护参数

小导坑试验段里程为斜7+80～斜7+76，采用曲墙开挖断面，支护参数以网喷混凝土+锚杆+工字钢组成，锚杆拱墙布置；工字钢采用I16型钢，每榀间距60cm；拱、墙采用∅22m砂浆锚杆，L=3.0m，环向间距1.0m× 1.0m，按梅花形布置；拱墙满铺∅8mm钢筋网，网格尺寸20cm×20cm；拱部采用∅42mm超前小导管预注浆进行超前支护，L=3.5m；拱架连接处设∅22mm锁脚锚杆，L=3.0m，每榀拱架设8根；喷射早强混凝土厚23cm；仰拱钢架采用I16型钢加工，浇注C25混凝土封闭成环。

3.3原施工对比段支护参数

原施工段里程为斜8+00～斜7+90，开挖面为曲墙，支护参数以网喷混凝土+锚杆+工字钢组成。工字钢采用I18型钢，每榀间距60 cm；锚杆拱墙布置，拱、墙采用∅22mm砂浆锚杆，L=3.0m，环向间距为1.0m×1.0m，按梅花形布置；拱墙铺设∅8mm钢筋网，网格尺寸为20cm×20cm；拱部采用∅42mm超前小导管预注浆进行超前支护，L=3.5m；拱架连接处设∅22mm锁脚锚杆，L=3.0m，每榀拱架设8根；喷射早强混凝土23cm；仰拱钢架采用I18型钢加工，浇注C25混凝土封闭成环。

图1　超前导洞布置示意图（单位：cm）

图2　超前小导坑布置示意图（单位：cm）

4　导洞的理论分析

4.1模型的建立

选取的计算模型区域为横向取隧道斜井开挖洞径的8倍左右，即左右各60m；竖向取隧道开挖洞高的10倍左右，即隧道拱顶开挖以上岩体32m，仰拱开挖以下岩体48m，沿隧道纵向取1m进行平面计算，在模型中共生成了5730个节点和3688个单元。

4.2计算分析

用FLAC3D求解出隧道斜井导洞试验段与原施工对比段的不同施工阶段的塑性区分布进行对比，从而可以从理论上来验证各个试验段应力释放措施控制隧道大变形的可行性。

4.2.1塑性区对比

从各施工段半断面支护前围岩塑性区分布图中可以很直观地看出，超前导洞、超前导坑上半断面开挖支护前，围岩塑性区的分布范围都小于原施工段，理论上来验证采用超前导洞、超前导坑应力释放控制变形的可行性。

从隧道斜井上半断面开挖后支护前的围岩塑性区分布云图，还可以直观地看出，在隧道斜井上半断面开挖后支护前，围岩塑性区主要分布在拱顶、拱腰上半部分以及隧道斜井下半断面，且分布范围比较大，表明在隧道斜井上半断面开挖后，应力重分布出现在隧道斜井上半断面及下半断面岩体。因此在上半断面支护时，应加强拱顶及拱腰上半部分的支护。

从各施工段半断面支护后围岩塑性区分布图可以很明显地看出，与没有支护前相比，上半断面支护后，围岩塑性区已经基本得到了控制，从而使得隧道斜井上半断面拱顶拱腰附近围岩的应力状态得到了比较好的调整，使受力也更加均匀了。同时还可看出超前导洞、超前导坑的塑性区范围与原施工段相比也略有减少。

从各施工段半断面支护后围岩塑性区分布图可以看出，在下断面开挖后，导洞试验段的塑性区扩展范围也小于原施工段。塑性区主要分布在墙角和底拱处，尤其底拱处，塑性区向深部扩展范围比较大，同时在原施工段，拱腰45°方向也出现了塑性区，这就需要一方面在上断面支护时，加强拱腰45°方向的支护，以防止支护结构的混凝土开裂掉块，钢架扭曲等现象；另一方面需要及时封底成环，加强支护，以防止底鼓现象的出现。

4.2.2竖向位移对比分析

用FLAC3D数值模拟软件模拟计算出竖向位移云图。从各施工段上半断面支护后竖向位移云图可以很明显看出，上半断面支护后，隧道斜井各段竖向位移都不是很大。导洞和超前导坑试验段拱顶竖向位移都比原施工段小，且上断面开挖对下断面岩体位移的影响，导洞和超前导坑试验段也小于原施工段；同样，下半断面支护后，隧道斜井各段整体竖向位移都得到了控制。隧道斜井导洞和超前导坑试验段上下断面竖向位移也都比原施工段小。

4.2.3水平位移对比分析

从各施工上半断面支护后水平位移云图可以明显看出，上半断面支护后，隧道斜井超前导洞和超前导坑试验段的上半断面水平位移也都比原施工段小，此外，在两侧拱腰处，位移影响向深部的扩展范围，也都小于原施工段。

综合以上，超前导洞和超前导坑试验段比原施工段的最大水平位移值，拱顶下沉都减小，说明应力释放，能够减低地应力对支护的作用，也为现场施工提供了理论基础。

5　导洞的现场施工及控制效果

5.1导洞施工

超前导洞试验历时3d，试验段地质为炭质板岩，黑色，强风化，属软岩，薄层状，局部岩层有扭曲变形现象。该段节理发育，地下水不发育，局部有渗滴水现象。该段岩层受F16断层影响，岩体破碎。超前导洞试验图片如图3所示。

5.2导坑施工

超前导坑试验历时2d，开挖揭示围岩为炭质板岩，黑色，强风化，属软岩，薄层状，局部岩层有扭曲变形现象。该段节理发育，地下水不发育。该段岩层受F16断层影响，岩体破碎，自稳能力差，导坑开挖后成型较差，超前导坑试验图片如图4所示。

5.3导洞的变形控制效果

导洞试验段和施工对比段变形数值如表1所示。

图3　超前导洞试验照片

图4　超前小导坑试验图

表1　导洞试验段和施工对比段变形值

由表1可知，超前导洞试验段在拱顶下沉和水平收敛位移整体上都明显小于原施工段，其中试验段平均沉降减少67.7%；试验段平均水平收敛减少36.7%，超前导洞和超前导坑试验段水平收敛变形终值都小于200mm，初期支护结构没有出现裂缝，说明在地质情况相似条件下，超前洞室应力释放能够有效解决高地应力软岩环境下隧道施工阶段大变形的问题。

6　结论

超前洞室、导坑能够预先释放部分地应力，使应力进行调整，减低了作用在支护结构上的地层压力，减缓了隧道支护结构的变形发展，保证了支护结构的安全。但是，由于超前导洞不能与斜井断面同时开挖施工，在一定程度降低了施工效率；另外，导洞断面较小，导洞围岩破碎，导洞开挖中既要保证作业人员的安全，导洞完成后又要达到应力释放的目的，对导洞的支护参数选择尤为重要。

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U451.5

A

1004-5716（2016）04-0182-04

2015-04-08

2015-04-19

武建广（1977-），男（汉族），河南洛阳人，高级工程师，现从事工程技术与施工管理工作。