中铁一局集团有限公司陕西省西安市710054
摘要：如意隧道地处黄龙山中低山区，地势总体自东向西倾斜，洞身主要为水平砂、泥岩互层，施工中受高地应力影响，初期支护结构发生严重破坏、变形。现场通过围岩变形、应力值监测设，设计新型初期支护结构、调整施工工法，达到初期支护结构一次成型且不受变形破坏。
关键词：高地应力、水平岩层、施工工法、变形监测、应力监测、新型初期支护结构
0引言
如意隧道隧址区地形复杂，地层以水平状砂岩、泥岩互层为主，处于铜川～韩城隆起，为一北倾的复单斜构造。隧区构造发育、构造活动相对较弱，隧道处于边坡山体内，局部有应力集中现象。隧道穿越高地应力区过程中，出现初支结构破坏，即使采取加固措施后依然发生破坏，破坏形态呈初期变形速度快、后期缓、持续时间长，总变形量大、破坏范围广等特点。为控制高地应力造成的病害，现场通过围岩变形、应力值监测设，设计新型初期支护结构、调整施工工法，达到初期支护结构一次成型，简单、高效完成了高地应力软岩大变形段施工。
1工程概况
如意隧道位于陕西延安市宜川县境内，隧道起讫里程为DK466+579.92.7～DK478+500，全长11920.08m。隧道通过区最大埋深691.3m，隧址区构造较发育，构造活动相对较弱，隧道处在边坡山体内，局部应力集中现象。
施工开挖揭示掌子面上部为泥岩、红褐色、水平层状构造，节理裂隙较发育，岩体较破碎，掌子面下部为砂岩、青灰色、水平层状构造，节理裂隙发育，岩体破碎，呈大块状镶嵌结构，开挖后掌子面易发生掉块。
2高地应力发育情况
2.1高地应力表观现象
2017年6月2日现场发现DK476+720～DK476+698段（22m）初支出现起皮现象。2017年6月7日19：00左右值班人员听到隧道内发生异响（声音犹如隧道放炮），并伴随有掌子面岩石掉块，发现DK476+698～DK476+577（121m）段拱部出现开裂、掉块且暴露格栅钢架明显变形。其中DK476+600～DK476+577（23m）段拱部初支混凝土开裂、掉块且暴露的格栅钢架扭曲。排查过程中又听到岩层断裂声音，间隔时间20秒～3分钟不等。2017年6月8日初支开裂由DK476+577向掌子面方向延伸至DK476+554（23m）并伴随有起皮、掉块，同时开裂部位DK476+560、DK476+603、DK476+626、DK476+630出现渗水现象。后续施工过程中仍伴随有岩层断裂及掌子面围岩挤出掉块现象。
2.2高地应力测试结果
为定量分析隧道的地应力状况，中国地震局地壳应力研究所在如意隧道出口正洞DK476+588里程钻孔采用“水压致裂法”测量获得5段地应力量值数据及2段地应力方向数据。
2.2.1地应力测试及结果
如意隧道出口DK476+588里程钻孔，根据钻探进度于2017年6月下旬进行了地应力现场测试。该钻孔位于隧道正洞内，钻孔附近上覆地层厚大约110m，钻孔设计孔深50m，实际孔深50.3m，静水位0m。根据钻探岩芯完整度，在该钻孔的下部完成水压致裂法原始地应力测量4段，分别在孔深46.1m、43.3m、39.8m、34.1m位置进行了测量；完成应力方向测量2段，分别在孔深46.1mm、34.1m位置进行了测量。测试曲线见图1，测试结果见表2.2-1，印模见图2.2-2。
表2.2-1如意隧道DK476+588里程钻孔水压致裂原地应力测量结果
[注：]-岩石破裂压力，-裂缝重张压力，-瞬时闭合压力，-岩石孔隙压力，T-岩石抗张强度，-最大水平主应力，-最小水平主应力。计算垂直应力时，所用岩石容重为2.45g/cm3。表中计算结果已考虑281.2m的钻孔位置隧道埋深。
图2.2-1如意隧道DK476+588里程钻孔水压致裂压力时间记录曲线
2.2.2由测试结果初步分析，如意隧道出口DK476+588里程钻孔的地应力基本特征为：
钻孔孔位于埋深110m的隧道内，在钻孔深度34.0m~47.0m测量范围内，钻孔内最大水平主应力分布在7.66MPa~11.04MPa之间，最小水平主应力分布在4.76MPa~6.94MPa之间，用上覆岩层容重（约为2.65g/cm3）估算的垂直主应力约为3.53MPa~3.82MPa。三向主应力值的关系总体为>>。地应力状态以区域构造应力为主，且构造应力的值大于重力。
该孔洞身附近的最大水平主应力优势方向为N67oE～N76oE。选取孔深34.0m~47.0m的平均测试数据作为该钻孔的原岩应力（初始地应力：最大水平主应力均值9.01MPa，最小水平主应力均值5.46MPa，垂直应力均值3.70MPa，最大水平主应力平均方向N71.5oE。
46.1m~46.7m（最大主应力N67oE）43.3m~43.9m（最大主应力N76oE）
图2.2-2如意隧道DK476+588里程钻孔印模结果示意图
2.2.3地应力测试结论
初始地应力均值为：最大水平主应力均值9.01MPa，最小水平主应力均值5.46MPa，垂直应力均值3.7MPa，最大水平主应力平均方向N71.5oE。如意隧道出口DK476+588里程钻孔附近隧道围岩处于高地应力状态，平均强度应力比为5.82，隧道高地应力的来源可能是隧道左侧山体和右侧山谷共同形成的谷坡应力场，高谷坡应力场易对隧道产生偏压破坏。
3、高地应力状态对隧道的影响
初始应力条件设置：由应力测试报告“初始地应力均值为：最大水平主应力均值9.01MPa，最小水平主应力均值5.46MPa，垂直应力均值3.7MPa”。在程序中通过设置初始侧压力系数大于1来模拟这种高应力土的计算。K=σ水平/σ竖直=9.01/3.7=2.43。
边界约束：因顶部斜线为地面，为自由约束；底部为固定约束，左右两面为横向约束。
3.1仅考虑高地应力状态下隧道结构受力情况
根据圣维南原理，隧道开挖后的应力和应变仅在隧道周围距离洞室中心点3-5倍隧道开挖宽度的范围内存在影响。因此土体模型宽度取117.8米，竖直方向取135.78m~172.7m。围岩土体采用平面应变单元，总单元数约3300个，二维网格模型见下图1。
图3.1-3最大压应力分布情况图3.1-4最大剪应力分布情况
在典型高地应力状态下隧道拱顶、隧底是隧道支护的薄弱部位，在施工过程中需要在拱顶及隧底采取加强措施。
3.2高地应力+沟谷应力场状态下隧道结构受力情况
在隧道最不利断面位置剖取横断面，分析受高地应力沟谷应力场状态下，隧道开挖后的应力和应变。土体模型宽度取800米，竖直方向取113m~382m，最大高差269m。围岩土体采用平面应变单元，总单元数约24487个，二维网格模型见下图1。
边界约束：因顶部斜线为地面，为自由约束；底部为固定约束，左右两面为横向约束。
图3.3-1隧道初期支护变形及破坏形态
4施工工法调整对围岩变形的影响情况
为控制隧道高地应力变形，隧道采用台阶法进行施工，上台阶开挖高度6.25m、最大宽度11.36m，下台阶开挖高度3.72m、最大开挖宽度10.12m，隧底开挖高度1.27m。上下台阶同步施工、仰拱初支及时封闭成环。上下台阶长度不大于15m。
图4-1台阶法工序示意图
数值分析结果显示，台阶法初支结构受力明显小于全断面法，围岩应力大于全断面法，证明台阶法能够更充分的利用围岩自承能力，减少初支结构的受力。从受力情况判断，高地应力边坡应力场影响下，台阶法施工比全断面更安全。
表4-1台阶法与全断面受力分析对比表
数值分析结果显示，仰拱矢跨比1：6调整后，开挖断面增加，围岩应力释放较大，初支结构承载的应力较大，仰拱矢跨比调整后，需在初支结构中设置应力释放装置。
5.2H230格栅钢架+限阻器
如意隧道DK476+534.4～DK476+482（52.4m）采用H230格栅钢架，间距为0.75m/榀，喷射混凝土为30cm，采用纵向Φ6×环向Φ8钢筋网片，间距25cm×25cm；隧道拱顶加设纵向钢板型限阻器，拱部120°设置3.5m长φ42超前小导管。
图5.2-3限阻器封闭照片
5.3工程实际应用效果
如意隧道DK476+534.4～DK476+482（52.4m）采用H230格栅钢架，间距为0.75m/榀，喷射混凝土为30cm，采用纵向Φ6×环向Φ8钢筋网片，间距25cm×25cm；隧道拱顶加设纵向钢板型限阻器，拱部120°设置3.5m长φ42超前小导管。每5m设置一组监控量测断面含拱顶沉降点一个，周边收敛点一组；在DK476+520、DK476+510处设置应力监测断面，监测围岩压力，钢筋轴力，混凝土应力；台阶法施工
5.3.1限阻器封闭期围岩变形监测情况
DK476+519断面变形值最大，最大拱顶沉降值为162.7mm，最大水平收敛值为174.3mm，DK476+534.4～DK476+494段共计39.6m限阻器已喷射混凝土封闭。
5.3.3内力监测情况：
如意隧道出口和3#斜井大里程DK476+516、DK476+505、DK475+940设置内力监测断面，围岩压力为0.001～0.098MPa，钢筋轴力为-7.1～46.3KN，初期支护混凝土为-16.12～16.57MPa。具体监测情况见下图：
备注：负号代表受压，正号代表受拉
限阻器安装完成后，工作期间，初支变形速率较大，喷砼封闭后，水平收敛变形速率由3.11mm/d降至0.26mm/d，拱顶沉降变形速率由4.275mm/d降至1.39mm/d。限阻器在工作期间已释放了围岩应力，达到工作限值封闭后，使初支结构形成整体，抵抗残余应力，通过变形及应力监测数据显示，限阻器用于控制围岩高地应力引起的初支结构破坏作用明显。
8、结论
⑴高地应力边坡由于构造应力场的存在，使得边坡应力集中水平明显提高。隧道高地应力受边坡应力场的影响，最不利荷载位置发生偏移，隧道初支结构破坏位置移至拱腰处，隧道沟谷影响场对隧道结构的影响以隧道处于应力场的位置决定，沟谷应力升高位置对隧道初支结构的受力及变形影响较大，施工、设计时应考虑沟谷影响场对隧道施工的影响。
⑵台阶法施工初支结构受力小于全断面法，在高地应力段落采用台阶法施工可以充分利用围岩自稳能力，从而减小初支结构的受力。从安全方面分析，台阶法施工安全性高于全断面施工。
⑶仰拱矢跨比调整1：6提高了初支结构的整体承载力，拱部设置限阻器充分释放了围岩应力。经过对比分析，初支开裂段经长时间的释放变形已趋于稳定；围岩应力经过限阻器变形释放，喷砼封闭后初支形成闭合整体，提高了初支结构整理抗变形能力，通过现阶段试验情况，矢跨比1：6限阻器对地应力释放以及提高初支结构的稳定性起到了明显的作用。通过施工情况、应力、变形监测结果分析，仰拱矢跨比调整1：6+拱部钢板型限阻器在释放围岩应力、变形起到了积极的作用。
⑷通过工法调整、结构优化，高地应力地质灾害得到了有效的控制，因此高地应力段调整工法、仰拱矢跨比调整1：6、初支拱部设置限阻器等技术在高地应力隧道施工中发挥重要作用，是高地应力大变形施工控制的关键技术。
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