超前支护设计实例

5　新奥法隧道支护结构设计

本章导读:

●内容　新奥法隧道支护结构设计的概念、原理、作用和特点;新奥法隧道支护结构的组成部分;新奥法隧道支护结构的一般程序与内容。

●基本要求 了解地下建筑结构的概念、作用、特点和分类;了解新奥法隧道支护结构计算理论的发展过程;掌握新奥法隧道支护结构的一般程序与内容。

●重点　新奥法隧道支护结构的设计原理及主要内容。

●难点　新奥法隧道支护结构设计中不同支护及衬砌形式。

5.1　概述

5.1.1　基本概念

新奥法是19世纪60年代奥地利专家Lv.Rabcewicz总结前人在隧道工程中累积的经验后所提出来的一套隧道设计、施工的新技术。

新奥法摒弃了传统隧道工程中应用厚壁混凝土结构支护松动围岩的理论。把岩体视为连续介质,在粘、弹、塑性理论指导下,根据在岩体中开挖隧道后从变位产生到岩体破坏要有一个时间效应的性质,适时地构筑柔性、薄壁、能与围岩贴紧的支护结构来保护围岩的天然承载力。围岩本身为支护结构的重要成分,使围岩与构筑的支护结构共同形成坚固的支承环,共同形成一个长期稳定的洞室。新奥法所采用的主要支护手段是喷混凝土结构和锚杆。

新奥法构筑隧道的主要特点是通过许多量测手段对开挖后隧道围岩的动态进行监测,以此来指导隧道支护结构的设计和施工。

新奥法的理论是建立在岩石的刚性压缩特性和岩石的三向压缩应力应变特性以及莫尔学说基础上的,并考虑到隧道掘进时的空间效应和时间效应所提出的新理论。这一新理论集中体现在支护结构种类、支护结构构筑时机、围岩压力、围岩变位这四者的关系上,贯穿在不断变更的设计施工过程中。这一新理论提出了与传统方法完全不同的新理念和新观点,它指导着喷锚支护的设计和施工,指导着构筑隧道的全过程。

多年来一直没有给新奥法下过确切的定义,直到1990年,奥地利土木工程学会地下空间利用分会把新奥法定义为:“在岩质、土沙质介质中开挖隧道,以使围岩形成一个小空简状支承环结构为目的的隧道设计施工方法”。

为了使围岩形成中空简状支撑环结构,应遵循下述原则:

①应当考虑岩体的力学特性。

②应当在适当的时机构筑适宜的支护结构。

③为使围岩形成力学上较为稳定的中空筒状支承环结构,必需构筑一个闭合的支护结构。

④由现场量测监控围岩动态,根据容许变形量确定最适宜的支护结构。

新奥法的这个定义扼要地揭示了新奥法最核心的问题——利用围岩支护隧道,使围岩本身形成支承环。

5.1.2　新奥法支护结构设计的基本思路

隧道支护设计可分为建筑设计、结构设计和施工设计。

隧道建筑设计,首先是根据交通线上的作用,根据地形、地质条件及其与线路之间的关系,选择隧道位置,并进行隧道平面、纵断面和横断面设计。隧道在线路上的作用主要有三个方面:穿越分水岭,缩短线路长度;降低线路拔起高度,减缓线路坡度;穿过稳定山体,避开不良地质条件,获得线路稳定。

隧道结构设计是在隧道位置选定,平面、纵断面和横断面设计已经完成的基础上,根据隧道位置所穿越地层的工程地质条件(即围岩的稳定能力的强弱),拟定相应的支护参数,并提出相应的施工方案。其中,隧道横断面设计就是要根据车辆限界确定隧道建筑限界。隧道结构参数包括对大衬砌的内轮廓(即净空)、结构轴线、截面厚度、结构形式、材料种类和施工方法(工艺)等。

新奥法的设计,目前以工程类比法应用最广,并以现场监控量测进行工程实际检验。考虑到地下工程地质条件的复杂性,在某些特殊地形和地质条件(如浅埋、偏压、通过严重湿陷性黄土层、膨胀性地层、原始应力过大的地层等)下,以及大跨度地下洞室等,无相似工程类比或仅凭工程类比尚不足保证设计的合理性时,宜采用解析法加以验算,进行综合分析研究。

目前通常采用的解析法为理论解析法(如收敛约束法)、数值解析法(有限元、边界元等)以及杆系结构分析法等,其中有些方法国内一些单位已编制了各种电算程序,可供选用。

近年来,国内发展起来的利用施工期间位移量测数据反馈来计算围岩力学参数和支护衬砌静力工作状态的位移收敛反馈法,也获得了一定的应用。

新奥法的设计应有的两个阶段:施工前预设计阶段和信息反馈修改设计阶段。

施工前预设计是在认真研究勘测资料的基础上进行的。在该阶段,一般很难完全详细地掌握实际的工程地质和水文地质条件,常常会有一定幅度的变动,故通过施工中的地质调查和现场监控量测,确认和修正预设计是极为重要的。因此,新奥法的设计必然要有信息反馈修正设计阶段,这是最终确定设计参数并据以实施的阶段。

但是,对施工组织和支护结构进行大规模的变更会造成工期和工程费用的变动,应尽量避免。因此要求勘测阶段地质调查的内容和精度必须满足预设计的要求,施工前预设计必须在认真研究勘测资料和地质调查成果的基础上进行。

5.2　新奥法隧道支护结构设计基本程序

新奥法设计应按图5.1所列的程序进行。

图5.1　新奥法设计和施工的基本程序

(1)研究实测资料

设计者根据批准的初步设计文件,在现场进行具体方案的勘测落实,并通过定线、测角、中桩、高程横断面等以及其他勘测资料的测量调查及内业工作,为施工图设计搜集、提供有关资料。

(2)掌握围岩的各种性状和隧道的环境条件

在评勘的基础上要查清隧道所穿过围岩的物理力学性质,对隧道各类围岩的稳定性做出定性评价,详细划分隧道穿过不同岩层的围岩类别,为隧道预设计提供地质依据。

在对自然概况、地质条件、不良地质现象调查的基础上,除了要查清隧道附近有无山体滑坡、泥石流等地质灾害,以便采取措施治理确保隧道的安全;同时要查明隧道所穿过的岩层有无有害气体或矿体存在,如有有害气体存在时,应按劳动保护、环境保护等条例,查明有害气体的含量、预测释放程度,以对人体、环境不发生危害为限,超出现实的允许值时,设计时须采取必要的防护措施;对于矿体的存在,应查明矿体的赋存条件,埋置深度以及隧道所穿过矿体的位置,以便设计时能合理而准确地留设安全矿柱。

(3)施工前预设计

施工前预设计主要包括:隧道断面形状的选择,几何尺寸的拟定;衬砌类型的选择及支护参数的确定;隧道预留变形量;选择施工方法以及现场监控量测设计工作等,其有关内容将在下节详细介绍。

(4)隧道开挖与开挖工作面地质调查、现场监控量测

施工单位根据隧道的地质条件,结合本单位的设备情况、技术力量等因素选择适当的施工方法进行隧道开挖,并及时初期支护,同时对开挖工作面的地质状况进行现场目测与隧道内空收敛的量测。根据工作面地质观察与隧道内空收敛值的大小、判断隧道围岩在初期支护的条件下是否稳定,支护体系是否合理,如果隧道围岩稳定,支护结构参数合理,说明设计满足要求,即可在适当时机进行二次衬砌;否则将有关信息反馈对预设计修正。在软弱破碎围岩地段信息反馈修改设计往往需要进行多次,才能满足要求。

5.3　单层衬砌支护结构设计

隧道单层衬砌技术,它是20世纪70年代发展起来的一种新型隧道支护体系。其实在复合式衬砌出现之前,采用的都是单层衬砌,但当时的单层衬砌由于技术条件的限制,主要是由模筑混凝土衬砌加上背后的压浆构成,这种衬砌我们目前称为整体式衬砌。目前虽然复合式衬砌依然是衬砌技术的主流,但单层衬砌的技术也在发展,与复合式衬砌比较,单层衬砌最显著的特点就是在支护层间取消了防水板,层间可以充分传递剪力,其力学动态是一体的。

5.3.1　单层衬砌结构类型

1)钢纤维混凝土单层衬砌

在普通喷混凝土的组成成分中掺入富于延性的钢纤维,可以改变喷混凝土的物理力学性能,可以使喷混凝土结构的抗裂隙能力、耐冲击能力、抗拉强度、抗挠强度、抗剪强度、耐冻融性、耐磨耗性都得到相应的提高,但是,掺入钢纤维会使喷射机械管路的磨损率增加,并且提高了喷射混凝土造价。目前在隧道工程中,使用钢纤维喷混凝土的实例已逐渐增多。

(1)钢纤维长径比

钢纤维的长度、直径都影响喷混凝土的施工性能和喷混凝土结构的性能。纤维短粗,喷混凝土增强效果下降;纤维细长,在拌和时纤维容易结团,施工性下降。根据实验结果,钢纤维最适宜的长度为25～30 mm,钢纤维的最适宜直径为0.35～0.71 mm。钢纤维的最佳长径比一般约等于50。

(2)钢纤维掺入率

钢纤维掺入率影响喷混凝土的压送性能和回弹率。掺入率高,压送性能不好,回弹率亦增大。一般情况,钢纤维掺入率为喷混凝土体积的1.0%～1.5%,最常用的掺入率为1%。通过钢纤维喷混凝土结构取样检查,由于喷射中回弹的影响,喷层结构中的钢纤维掺入率为喷混凝土体积的0.8%～1.0%。

(3)钢纤维喷混凝土的配合比

采用干式喷射时,钢纤维喷混凝土的配合比一般为:水泥用量为400～520 kg/m3,水灰比50%左右,粗骨料500～600 kg/m3,砂量1 050～1 260 kg/m3,速凝剂用量为水泥用量的5%。钢纤维掺入率为1%,粗骨料最大粒径为10 mm。

2)模筑混凝土单层衬砌

运用传统松弛荷载理论设计,并采用传统矿山法施工的隧道,其支护结构均采用就地模筑混凝土单层衬砌。

就地模筑混凝土单层衬砌结构,是在坑道内设置模板架和模板,然后浇灌混凝土而成。它是作为一种永久性支护结构,从外部支撑着坑道围岩。混凝土的就地模筑工艺对各种不同的地质条件适应性强,易于按需要成形,而且适用于多种施工方法,因此,在我国各类隧道工程中被广泛采用。

由于单层衬砌主要是通过调整断面形状和衬砌厚度来适应不同的围岩级别和围岩压力的分布情况,因而,单层衬砌的形状和厚度变化比较多。就形状而言,单层衬砌常分为“直墙式衬砌”和“曲墙式衬砌”两种形式,曲墙式衬砌下部有时设“仰拱”,有时不设“仰拱”。就其厚度而言,单层衬砌厚度少则40～60 cm,多则可达到100 cm。

(1)直墙式衬砌

在地质条件比较好的Ⅱ和Ⅲ级围岩情况下,岩体坚硬完整,围岩压力一般以竖向压力为主,几乎没有或仅有很小的水平侧向压力,因此可采用直墙式衬砌。直墙式衬砌横断面由上部拱圈、两侧竖直边墙和下底板三部分组成。

上部拱圈以大小不等的半径分别做成3段圆弧线,正中约90°范围内用较小的半径,两边用较大的半径,总体来看其矢跨比较大。前些年为了施工方便,上部拱圈多采用半圆形,但有不少拱圈出现内缘开裂现象,为了改善结构受力状态,后改为尖拱。

拱圈是等厚的,所以外弧是各自增加了一个拱圈厚度。由于它们是同心圆弧,所以内外半径的圆心是重合的。两侧边墙是与拱圈等厚的竖直墙,与拱圈平齐衔接。由于洞内一侧设有排水沟,所以有水沟一侧的边墙要深一些。整个结构下部是敞口的,并不闭合;底部多以素混凝土铺底,称之为底板,以便铺设轨道或路面。

在地质条件好、岩层坚硬完整也没有地下水侵入的情况下,边墙部位围岩水平侧压力很小,可省去两边墙衬砌,只设上部拱圈衬砌,称之为半衬砌。此时,为了洞壁岩体有足够能力支承拱圈衬砌传来的压力,在洞壁顶上应保留15～20 cm的平台。如不设边墙则应把两侧岩壁表面喷浆敷面。以保护岩面不受风化作用的剥蚀,同时也可以阻止少量地下水的渗透。在地质条件尚好,侧压力不大,但又不宜采用半衬砌时,为了节省边墙圬工,可以简化边墙。简化的方法有两种:一种是降低边墙建筑材料的等级,如将混凝土边墙改为石砌边墙;另一种是采用柱式边墙或连拱式边墙,统称为花边墙。柱式边墙是做成一排均匀间隔的立柱,其间是孔洞,立柱的高度一般不宜小于3 m,柱间间隔不宜大于3 m。连拱墙做成带支墩的连拱形式,支墩的纵向尺寸不小于2 m,墙上拱形孔洞的纵向跨度不宜大于5 m,墙拱顶至拱圈起拱线的高度距离不宜小于100 cm。

(2)曲墙式衬砌

在地质条件比较差的Ⅲ～Ⅴ级围岩情况下,岩体松散破碎,围岩压力比较大,又有地下水,此时可采用曲墙式衬砌。

曲墙式衬砌由上部拱圈、两侧曲边和底部仰拱组合而成。上部拱圈的内轮廓与直墙式衬砌一样,但拱圈截面厚度是变化的,拱顶处薄而拱角处厚,因而不但拱部的外弧与内弧的半径不同而且它们各自的圆心位置也不是互相重合的。侧墙内轮廓也是一段圆弧,半径较大;侧墙外轮廓上段也是一个圆弧,但半径更大,其下段变为直线形,并稍稍向内偏斜。

在Ⅲ～Ⅳ级围岩、无地下水、基础不产生沉陷的情况下,可以不设仰拱,只设底板。对于Ⅳ～Ⅴ级围岩、有地下水、可能产生下沉的情况,则必须设置仰拱,且曲墙地面应予以加宽(厚度),以抵抗上鼓力,防止结构整体下沉。仰拱是用一个半径作出的弧段。在Ⅴ～Ⅵ级围岩,且有地下水时,竖向压力和水平压力都很大,则衬砌宜设成近圆形(蛋形)或圆形断面。

5.3.2　单层衬砌的支护对象

隧道支护的对象是什么?不同的支护理论对此有着不同的认识和理解。较早的支护理论(普氏、泰沙基等)将坍落拱内的岩石重量作为支护荷载,并据此进行支护设计,即支护对象是坍落拱内岩石重力;现代岩石力学中的弹塑性支护理论认为:开挖后围岩中塑性区的形成和变形是产生地压的原因,主张通过支护手段限制塑性区的发展,阻止围岩的松动破坏,支护对象显然是围岩的弹塑性变形和处于弹塑性状态的围岩。然而这种支护理论以介质连续体各向同性为条件,假设支护结构体一开始就与围岩接触良好,不考虑围岩破碎后体积变化,这些都与地下工程的实际情况很不相符。

试验和实践证明,围岩破裂过程中的岩石碎胀变形或碎胀力是单层衬砌支护的主要对象,支护的作用有:一方面是维护破裂的岩石在原位不垮落,另一方面是限制隧道围岩松动圈形成过程中的有害变形。隧道在开挖之前,围岩处于三向原岩应力压缩状态,围岩内积累大量的“膨胀势能”,开挖隧道后,对围岩来说意味着卸载,卸载则使大量积蓄在围岩内部的“膨胀势能”释放出来,促使岩块向洞内移动而导致岩石破裂。尽管从理论上讲,可以采用“硬支”的方式阻止其释放出来,但在实际上却是行不通的,有效的方法只有等到能量释放到一定程度之后才能进行永久支护。这种膨胀势能在岩块刚刚破坏时为最大,变形一段时间之后逐渐变小;若是自由膨胀,膨胀势能将下降为零。岩石的膨胀势能是破裂岩块运动变形的力源,在它的作用下,破裂岩块变形运动,深部围岩的膨胀势能推动浅部破裂岩块向洞内移动,从而产生较大的碎胀变形量。

在破裂岩体的碎胀变形过程中,如岩块周围无任何约束,碎胀变形可以自由释放,当其受到外界的约束时则会产生碎胀变形力。由于岩石碎胀变形对周围介质(支护)产生的变形压力称之为碎胀力,碎胀力的大小并不独立,它不同于岩体应力,岩体应力可视为一种主动力,而碎胀力则是一种被动力,它不仅与破碎岩体碎胀变形有关,而且还与周围介质力学性质及约束状况有关,如图5.2所示。若试件破裂后没有外界约束,允许破裂块体自由滑移,则试件只有碎胀变形而没有碎胀力[图5.2(a)];若对试件施以刚性约束,则会产生很大的碎胀力,其数值与膨胀势能相当而不会有碎胀变形[图5.2(b)];若外界有约束而有非刚性约束(围岩与支护相互作用,共同变形)时,才会既产生碎胀变形,又有碎胀力[图5.2(c)],其数值与支护阻力及刚度有关。

图5.2　破裂试件碎胀力与碎胀变形

5.3.3　隧道单层衬砌的力学传递

在单层衬砌系统中,应力的内部传递机理是比较好的,但被约束的应力、流变及温度变化产生的应力等在第二层中非常早的时期就发生了,因此,就不能充分传递避免因开裂而造成损伤的必要的压力。首先,结合面完全附着的场合,能够最好地控制因被约束的应变而发生的应力,是从围岩传递到第一层及全体衬砌,同时从第一层向第二层传递的最佳条件;其次,由于各个工程的地质及地下水等条件的不同,在修筑第二层衬砌时,必须追加合理的施设时间。

单层衬砌在支护过程中经历不同的荷载状况,隧道开挖后产生的围岩松弛及碎胀形变压力是荷载的主要来源。图5.3表示隧道单层衬砌的荷载经历过程,在荷载经历过程中能够分出两种不同的力学传递机理。

(1)围岩压力的传递

这种压力的传递形态是洞室开挖后二次应力状态的调整过程。支护施工前围岩内形成一定的变形和松弛范围,隧道开挖后,逐渐形成的形变压力(包括弹塑性变形、围岩松弛和碎胀变形等)作用在第一层衬砌上。如图5.3所示,在第一层衬砌的施工到第二层衬砌施工完成的最短时间,是图5.4中所示的t4(第二层)和t1(第一层)闭合的时间差。如果围岩变形还在增大的过程中,就修筑第二层衬砌,两层衬砌将与围岩产生共同变形以达到新的平衡状态,此时需要第二层衬砌有足够的承载力,而今,钢纤维喷混凝土可以满足这个要求;如果围岩变形基本稳定后,再施工第二层衬砌,第二层衬砌将起到防水或耐久的作用,很少甚至不承担围岩压力,这也体现了荷载按支护时间分配的原则,即先支护先受力。

图5.3　不同阶段的荷载状态

(2)应力的内部传递

应力内部传递特征如下:

第一层的变形传递;

第二层的水化热冷却时产生温差的传递;

第二层的收缩传递。

根据这样的传递机理,整个衬砌中因被约束应变而产生的应力是上升的,这样的应力在第二层完成后,在非常早的时期有一定效果,能够避免开裂的发生。因此,为满足单层衬砌的力学传递特性,单层衬砌构造必须满足两个条件:一是喷混凝土要有一定的早期强度;二是必须尽可能地形成紧密咬合的一体化断面,也就是要求喷混凝土与围岩之间、喷混凝土层与喷混凝土层有足够的粘结强度,包括沿着接触面切线方向产生“错位”的抗剪粘聚力和沿着接触面法线方向的“因拉拔引起的剥落”的抗拉粘结力。

5.3.4　单层衬砌构造条件

从上述的力学传递机理可知,采用结合的单层衬砌构造的必要条件是:喷混凝土除了要满足一定的初期强度外,还必须尽可能地形成紧密咬合的一体化断面,如图5.5所示。各层间的附着因接触咬合是可以确保的,两层间剪切动态的试验结果表明:在第一层未加工的喷射面,几乎与人为做成的具有三角形表面的情况相同,这说明设置补强材料的必要性是不大的;如果第二层修建过迟,就需要洗净表面,同时通过在喷混凝土配比设计中,降低水热化以减少干缩和早期收缩,以保证一定的粘聚力,一旦达到粘结强度,第一层与第二层便可呈现整体性态。

图5.4　荷载的时间历程

图5.5　单层衬砌结合面的剪力传递

5.3.5　单层衬砌设计中应注意的问题

目前,单层衬砌设计中应注意以下问题:

①在单层衬砌设计中,一个重要的问题是结合面抗剪强度是否能满足共同工作的要求。因此,结合面必须粗糙、清洁,且要满足容许的剪应力。

②喷混凝土材料需满足必要的均质性和耐久性。当衬砌未开裂时,钢纤维不锈蚀;若开裂,则应检验裂口宽度的安全性。

③水密性的要求。在使用荷载条件下所有情况都发生开裂极限以下的强度内,此时的拉应力可用下式计算:σ=(0.8-α) f tm,其中α为压缩时取0,没有拉伸轴力和轴力作用时取0.25; f tm为拉弯强度标准值。不发生开裂的极限厚度,至少在15 cm以上。此外拉伸区域的计算应变＜15%,多数情况下采用极限状态方法设计。

④衬砌表面粗糙对隧道通风的影响。这在很多情况下限制了内层衬砌使用喷射混凝土或钢纤维喷射混凝土,常常要使用模筑混凝土或钢纤维混凝土的内衬。

5.3.6　单层衬砌结构设计实例

(1)工程背景

摩天岭隧道为一座上、下行分离的四车道高速公路特长隧道,隧道东起重庆市巫山县龙井乡詹家湾村,西至奉节县双潭乡桂兴村,隧道最大埋深约880 m。隧道左线长7 280 m,右线长7 353 m。根据隧道需风量及地形地质条件等因素综合考虑,摩天岭隧道左右线均采用分段送排式纵向通风方案,左右线各设置斜井一座,分别对左右线进行送排风,其中左线一号斜井位于左线隧道之上,底部位于左线隧道ZK45+689左侧44.95 m(洞室中心距离),斜井出口位于左线隧道ZK46+899.4左侧222 m(洞室中心距离)。斜井斜坡长度长1 367.31 m,平面投影长度1 250 m,倾角24°21′48″,最大埋深822 m。

斜井地表为第四季崩坡积层、坡残积层,厚度一般不大,在沟谷中冲洪积堆积物零星分布。隧址区穿过的地层由新到老有第四季冲洪积、坡残积,三叠系中统巴东组、下统嘉陵江组(T1j)和大冶组(T1d),据区调资料推测隐伏有大冶组;址区跨越新华夏系第三隆起带和第三沉降带之结合部,四川沉降褶皱带之川东褶皱带的一部分,区内山势走向受构造线和地层岩性控制,山体两侧坡势陡峭自然坡度为45°～60°。

隧址处于三峡库区,地表水系较发育,多为山区溪流性沟谷;区内地表水属长江水系。区内溪流型沟谷具有暴涨暴落的特点,枯水季节水量一般较小,在雨季易形成山洪,并夹带大量泥沙和漂砾,旱季河水干涸,裸露大量河床卵石;隧址区地下水类型及富水性较复杂,各类型地下水的埋藏条件、分布、富水性受地质构造、地形地貌及裂隙发育程度控制。根据地下水水介质及赋存条件的不同,地下水划分为第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水和碳酸盐岩岩溶水三大类,地下水类型为HC03-Ca·Mg型,孔隙水、岩溶水对混凝土无腐蚀性,对钢结构有弱腐蚀性;碎屑岩裂隙水对混凝土及钢结构有弱腐蚀性。斜井地质纵剖面及现场图分别见图5.6和5.7。

(2)单层衬砌支护设计

根据摩天岭隧道地质勘查资料,斜井试验段XJ1K0+731.02～XJ1K0+ 822.11的围岩属下统嘉陵江组(T1 J)和大冶组(T1 D),RQD平均值为60;节理数为一组完整节理加随机节理,对应的J n为4;节理面粗糙、不规则并且有波浪状起伏,对应J r为3;节理面有轻微改变,存在砂状颗粒,对应J a为2;隧道较干燥无水,或雨季仅有小量渗漏水,对应J w为0.9;地应力测试结果表明该地层水平向地应力小于或等于自重应力,隧道围岩属灰岩,饱和抗压强度σc= 82.3 MPa,根据斜井埋深,最大主应力σ1平均为12～20 MPa,对应σc/σ1= 4.11～6.85,相应的SRF为0.5 ～10,灰岩的初始应力为中应力,取SRF= 5,由公式计算可得Q= 4.5,围岩类别属一般。

斜井跨度11.84 m,开挖支护比ESR=1.3,两者之比D e= 9.11,该隧道拟采用钢纤维喷混凝土+系统锚杆+喷混凝土支护。综合考虑摩天岭隧道一号斜井的工程地质水文地质条件、喷射混凝土强度差异、围岩变化以及永久支护等因素,对Ⅱ级围岩段采用10 cm厚钢纤维喷射混凝土单层永久衬砌支护,钢纤维掺量45 kg/m3;对Ⅲ级围岩段采用15 cm厚钢纤维喷射混凝土单层永久衬砌支护,钢纤维掺量45 kg/m3;对已进行钢筋网喷混凝土初期支护的围岩段则设计采用10 cm厚钢纤维喷射混凝土。斜井不同围岩段预设计具体单层衬砌支护参数见表5.1。

图5.6　摩天岭隧道一号斜井地质纵剖面图

图5.7　斜井隧道现场图

表5.1　斜井单层永久衬砌结构设计参数

5.4　复合式衬砌支护结构设计

5.4.1　复合式衬砌的构造及优缺点

(1)复合式衬砌的构造

应用现代围岩承载理论设计并采用新奥法施工的隧道,其支护结构多采用复合式衬砌。

复合式衬砌指的是分内外两层先后施作的隧道衬砌。在隧道开挖后,先及时施作与围岩密贴的外层柔性支护(一般为喷锚支护),也称初期支护,容许围岩产生一定的变形,而又不致于造成松动压力的过度变形。待围岩变形基本稳定以后再施作内层衬砌(一般是模筑的),也称二次衬砌。两层衬砌之间,根据需要设置防水层,也可灌筑防水混凝土内层衬砌而不做防水层。

初期支护也可以帮助围岩获得初步稳定,并保证隧道施工期间的安全,以便挖除坑道内岩体的一系列支护结构和工程措施。锚喷支护是初期支护结构最基本的几个形式,也是隧道工程中使用最多的工程措施。锚喷支护就是锚杆(主要指系统锚杆)加喷射混凝土(素喷、网喷或钢纤维喷射混凝土),有时加设钢拱架(型钢拱架或格栅拱架)的组合。因此,也常将“锚喷支护”称为“常规支护”。

初期支护也可以泛指包括“锚喷支护”(锚杆、喷混凝土、钢拱架)等“常规”的支护,以“超前支护”(超前锚杆、超前管棚)、“注浆加固”(超前小导管预注浆及超前深孔帷幕注浆)等“特殊”的支护的一系列支护结构和工程措施。这些支护形式和工程措施可以单独使用,也可以组合使用。组合使用时,各部分的比例也可以根据实际需要选择和调整。

二次衬砌主要是承受后期围岩压力并提供安全储备,保证隧道的长期稳定和行车安全。二次衬砌一般多采用就地模筑混泥土或钢筋混泥土,也可以采用喷射混泥土或喷射钢纤维混凝土,还可以采用拼装衬砌。其结构形状和尺寸可根据界限要求、成拱作用和结构受力要求予以调整。

(2)复合式衬砌的优缺点

根据铁道科学研究和隧道工程局共同进行的模型试验和有限元分析,以及多年研究结果表明,复合式衬砌是比较合理的结构型式。具体表现在:

①复合式衬砌是将整个人工支护结构分解为“初期支护”和“二次衬砌”两大部分,各部分分别起到不同的作用,两部分分别参与并与围岩共同工作,但其直接目的又各有侧重。

②复合式衬砌结构形式既能充分调动并利用围岩自我承载自我稳定的能力,又可充分发挥支护结构的承载能力和支护材料的力学性能。

③复合式衬砌比较符合隧道-地下工程结构体系的力学变化过程,尤其是能接受力和变形的规律,调整各项参数。

④复合式衬砌的极限承载能力比同等程度的单层衬砌的极限承载能力可以提高20%～30%。而且,如果调整好内层衬砌的施作时间,还可以改善结构的受力条件。

⑤有研究资料显示,在Ⅳ～Ⅴ级围岩的隧道中,采用锚喷作为“初期支护”加上模筑混泥土“二次衬砌”构成“复合式衬砌”,与传统的模筑混凝土单层衬砌相比,能节约工程投资5%～10%。

⑥复合式衬砌(尤其是初期支护)的施工工艺特别复杂,要从概念上理解其作用比较困难,从技术上掌握其设置则也比较困难,不像单层衬砌那样简单直观、容易理解。

5.4.2　围岩与支护特征曲线法原理

围岩与支护特征曲线法是伴随着喷锚等柔性支护的应用和新奥法的发展,将弹塑性理论和岩石力学应用到地下工程中,进一步解释围岩和支护相互动态作用过程的一种理论和方法。特征曲线法可用图5.8中的几条曲线来说明支护与围岩作用原理,图中横坐标是隧道毛洞内壁(也是支护外缘)的径向位移u r;图中上半部分的纵坐标是洞室内壁在围岩原始应力作用下的径向应力σr,或支护施加于洞壁的反力P i;图中下半部的纵坐标为时间t。

从图5.8中可以看出,隧道围岩变形可分成三部分:弹塑性变形区、碎胀变形区和松散压力区。曲线①代表隧道侧壁径向位移u r与侧壁径向压力σr的关系曲线,在隧道开挖前,围岩在初始地应力σ0的作用下处于平衡状态,无变形,对应于曲线①上的A点;隧道开挖后,隧道周边应力变为零,围岩首先产生弹性变形,但由于隧道掌子面对其变形有一定的约束作用,实际上隧道周边应力没有真正达到零,此时对应与曲线①上的某一点(B点)。此时,如果原岩应力值不足以产生塑性变形区,围岩不产生碎胀,但随着掌子面的继续前进,掌子面的约束作用也将消失,此时隧道周边应力才真正为零,围岩最终弹塑性变形到达C点稳定下来。

如果原岩应力大到足以产生松动塑性区,围岩将产生碎胀变形,围岩压力突然增大,如曲线②所示,位移也持续增大,此时必须进行支护才能确保洞室的稳定,图中CF段为碎胀变形阶段。但是碎胀变形后,由于松动区的岩体性质、碎胀率以及塑性区的大小等因素的影响,所以碎胀后曲线②出现了不同的峰值。在洞室变形到达D点时开始支护,经过一段时间后,围岩与支护达到平衡,曲线③、④为支护特征曲线,但由于支护的刚度不同,所以分别平衡于E、F点,曲线DE虽然支护偏早,刚性偏高,支护结构要承受高承载力,但还不至于破坏。当洞周位移到达F点时,此时碎胀变形基本结束,荷载主要来源于塑性区范围内岩体的自重,此时支护最好;由于塑性区域不断扩大,在塑性区范围内出现松弛压力,叠加结果使曲线向上翘曲。如果围岩的强度高,不产生塑性变形,或塑性区范围小,不发生松弛压力,则不会出现曲线翘曲,出现了如图中水平的HI段,从理论上讲,此时所需的支护阻力最小,如曲线⑤所示,此处支护承受的压力最小,但已经发生了有害变形,支护不及时,围岩将出现垮塌冒落。图中下半部分曲线⑥、⑦则是位移时态曲线。

综上所述,如果围岩不产生松动塑性区,理论上不存在支护问题,或支护不起作用,但实际上,为防止风化或局部危岩,仍会有喷混凝土等支护形式。有塑性变形时,岩体释放的松弛压力使支护受力,围岩与支护共同作用,支护刚度对支护的受力与变形影响很大:一方面要具有一定的强度,以对围岩的变形有足够的约束作用,有效控制围岩的变形,防止因岩体破坏和坍塌而形成的松散压力积聚;另一方面,必须使结构物具有一定的柔度,以充分利用岩体的卸载作用,改善支护结构的静力工作条件。因此,为达到支护与围岩共同作用的最佳点,使支护充分发挥其支护效果,应根据工程的实际情况选择支护形式,或从施工工艺上解决支护刚度大小问题;同时通过对围岩变形的监测,及时掌握隧道周边位移、岩体和支护变形情况,以达到支护衬砌结构合理、经济、安全的目的。

图5.8　围岩与支护特征曲线法原理图

5.4.3　初期支护及其作用机理

(1)喷射混凝土的作用机理

喷射混凝土可以作为隧道工程中的临时性或永久性支护,也可以与各种形式的锚杆、钢纤维、钢拱架、钢筋网等构成复合式支护结构。它的灵活性也很大,可以根据需要分次追加厚度,因此广泛应用于地下工程中。喷射混凝土的主要优点如下:

①采用速度较快,支护及时,施工安全。喷射混凝土支护可在隧洞开挖后几小时内施作,具有立即提供连续的支护抗力的特性。隧洞开挖后立即施作喷射混凝土支护,就可以避免围岩处于单轴或双轴受力状态,有效地限制围岩变形的发展,保持围岩的稳定。喷射混凝土支护的及时性,也表现于它能紧跟掌子面施作,这样就能充分利用空间效应(即端部支承效应),以限制支护前变形的发展,阻止围岩发生过大变形,防止围岩进入松弛状态和岩体松散。因此,锚喷支护的及时性对于迅速控制围岩的扰动、发挥围岩的自承能力具有明显的影响。

②支护质量较好、强度高、密实度好。这主要反应在喷射混凝土的粘结性上。喷射混凝土能与围岩紧密粘结,粘结效应使喷射混凝土在围岩结合面上产生抗力,传递剪应力、拉应力和压应力,改变了围岩表面的受力状态,使围岩处于三向受力的有利状态,防止围岩强度恶化,而且喷层本身的抗冲切能力也能阻止不稳定块体的滑落。喷射混凝土可充填围岩表层节理裂隙,填充围岩表面凹穴,使被裂隙分割的岩块联合起来,保持岩块间的咬合镶嵌作用,提高其粘聚力、摩阻力,防止围岩松动,避免或缓和围岩应力集中,使不稳定危岩的荷载得到转移,提高围岩的自支承能力;粘结性对于防止裂隙水渗流,减小地下水对支护结构强度的破坏也起到一定的作用。

③施工灵活性大,可以根据需要分次喷射混凝土追加厚度,满足工程设计与使用要求。

④由于喷射混凝土一些工艺特征决定了可以将其设计成既有一定支撑能力又有良好柔性的支护结构:

a.可以沿围岩表面施做成薄层。

b.较厚的喷射混凝土可以分期完成。

c.喷射混凝土能同锚杆结合使用,必要时喷层可设置纵向变形缝。喷射混凝土的良好柔性对于控制塑性流变围岩的初始变形显得特别重要,它容许围岩塑性区有一定发展,避开应力峰值,能充分发挥围岩的自支承能力和有效地利用支护结构支撑能力。

⑤与普通浇注混凝土相比,喷射混凝土具有高水泥含量、低水灰比和封闭的毛细孔,使得它有高度的密封性和良好的不透水性。喷射混凝土支护覆盖在围岩表面,阻止或限制了水流从地层中流出,反之亦然,这样就大大降低了地下水或潮湿空气对岩体的侵蚀,阻止了节理间充填物和断层泥的流失,保持了岩块间的摩擦力,有利于保持岩体的固有强度,也提高了岩体的抗冻性,有助于岩层的稳定。

(2)喷射混凝土的支护作用

喷射混凝土的支护作用主要有两个方面:

①加固围岩,提高围岩的强度。隧道开挖后,立即喷射一定厚度的混凝土层,及时封闭围岩表面,由于喷层与围岩密贴,故能有效地隔绝水和空气对岩体的侵蚀,防止围岩风化脱落,对围岩的松胀变形起到一定的抑制作用,防止围岩强度的丧失。同时,混凝土料在高压下可充填于张开的裂隙中,起到胶结加固作用,从而可提高围岩的强度。

②改善围岩的应力状态。含有速凝剂的混凝土搅拌料在喷射后数分钟即可凝固,在围岩表面形成一层硬壳,及时向围岩提供径向支护力,使围岩表面岩体由未支护时的二向受力状态(在平面问题中为单向受力状态)转变为三向受力状态(在平面问题中为双向受力状态),如图5.9所示,提高了围岩的强度和稳定性。

图5.9　混凝土支护前后的洞周的应力状态

无喷层时,假设原岩应力σ0为静水压力状态,围岩中距隧道中心为r的任一点的径向应力σr和切向应力σθ分别为:

在隧道洞壁上,则有

喷射混凝土后,喷层对围岩提供支撑力p a,按照围岩附加应力理论,围岩中距隧道中心为r的任一点的径向应力σr和切向应力σθ又分别为:

在洞壁上(r= a)则有

(3)径向锚杆的作用机理

锚杆或锚索是用金属或其他高抗拉性能的材料制作的一种杆状构件,并使用某些机械装置或黏土介质,通过一定的施工操作,将其安置在隧道及地下工程的围岩体中或其他工程结构中,利用杆端锚头的膨胀作用(或利用灌浆粘结),增加岩体的强度和抗变形能力,从而提高围岩的自稳能力,实现对围岩体或工程结构体的加固。

按其对围岩加固的区域来分,可分为系统锚杆、局部锚杆和超前锚杆三种。

①系统锚杆是指在一个掘进进尺范围内的岩体被挖除后,沿隧道横断面的径向安装于围岩内的锚杆以形成对已暴露围岩的锚固,并在已加固且稳定的坑道中进行下一个循环的开挖等作业。

②局部锚杆是指为维护围岩的局部稳定或对初期支护的局部加强,只在一定的区域和要求的方向安装局部锚杆。

③超前锚杆是指沿开挖轮廓线,以稍大的外插角,向开挖面前方围岩内安装的锚杆,形成对前方围岩的预锚固,在提前形成的围岩锚固圈的保护下进行开挖等作业。超前锚杆属超前支护,详见超前支护部分。

锚杆参数请见锚喷支护参数表。锚杆间距一般不宜大于其长度的1/2,Ⅳ～Ⅴ类围岩中的锚杆间距宜为1.0 m左右,且不得大于规范规定的最大的间距。另外,对于大跨度隧道,为节省钢材,可以采用长短相间的锚杆形成支护。

锚杆的作用效果归纳起来有如下几个方面:

①加固围岩作用。围岩多数处于受剪破坏状态,由于锚杆的抗剪能力,从而提高了围岩锚固区的c、φ值,尤其是在节理发育的岩体中,加固作用更为显著。

②加固不稳定岩体。局部锚杆一般是用于加固不稳定块体的,如利用锚杆的悬吊作用阻止拱顶不稳定块体的塌落,利用锚杆的抗剪作用阻止变强不稳定块体的滑落。显然,锚杆加固软弱结构面的作用是极为卓越的。

③形成沿开挖面的受力环区,将开挖面处的高应力延伸到岩体深处。

④改善“岩石-混凝土结构体系”的承重效果,起到锁定岩石共同受力的作用。

⑤限制围岩位移,部分减少开挖过程中引起的松动。

⑥梁作用。在层状岩体中,其作用如叠合梁一样,由于锚杆使用使层间紧密,使之能传递剪力,具有组合梁的效果。

(4)钢支撑的作用机理

钢拱架因其整体刚度和强度均较大,对围岩松弛变形的限制作用更强,可及时阻止有害松动,也可以承受已产生的松弛荷载,保证坑道稳定与安全,还可以作为超前支护的反支点。钢拱架有花钢拱架和型钢拱架两种结构形式。

花钢拱架(或称为格栅钢架)是采用螺纹钢筋焊接而成的拱形钢桁架。花钢拱架一般在工地加工现场拼装。由于花钢拱架与混凝土及其他材料有更好的相融性,所以现代隧道工程中广泛用作初期支护。

型拱钢架是采用型钢(工字钢、钢管、U型钢)弯制而成的拱形钢架。型钢拱架一般是在工厂加工现场拼装的。由于型钢拱架的表面积较小,与混凝土及其他材料的相融性较差,所以现代隧道工程中一般只在工程抢险和坍方处理时作为临时支撑用。

钢拱架的截面高度一般为100～200 mm。当隧道断面较大或围岩压力很大时,则钢拱架的截面高度可取200～250 mm,当隧道断面很大、围岩压力也很大时,钢拱架的截面高度可取250 ～300 mm。

在软弱围岩隧道中,隧道开挖后围岩的自稳时间很短,而喷射混凝土、锚杆不能及时提供足够的支护抗力,为了维持围岩的稳定和保证隧道的设计断面,这时往往需采用钢支撑进行支护,以保证在开挖后的短时间内就给围岩强有力的支护。钢支撑的作用机理有:

①在围岩强度低和在松散、颗粒状的地层条件下,或在外界压力较大时,可在隧道开挖面的拱部或沿隧道的全截面上安装钢拱架,它与喷射混凝土、锚杆、钢筋网一起,构成钢筋混凝土支护结构——初次支护,以提高支护结构的强度和刚度,稳定围岩,防止位移的效果。

②作为顶部保护。

③作为喷射混凝土的环形构造钢筋,提高喷射混凝土的承载力。

④作为保证横截面几何形状的模板。

(5)钢筋网的作用机理

钢筋网支护一般同喷射混凝土一起工作,其作用机理有:

①防止收缩裂缝出现或减小裂缝数量和限制裂缝宽度。

②使喷射混凝土应力得到比较均匀的分布,增强锚喷支护的整体性,防止围岩局部破坏。

③提高喷射混凝土的承载能力,主要表现在提高喷射混凝土的抗剪和抗拉能力。

④增强喷射混凝土的柔性,改变其变形性能。

⑤提高支护的抗动载能力。

5.4.4 初期支护与软弱围岩相互作用关系

(1)开挖后围岩应力重分布和洞壁变形的发展

图5.10所示为双向等压受力状态下单孔圆形隧道,按莫尔-库仑强度破坏准则导出的塑性区径向应力及切向应力为

图5.10　塑性区应力、半径和位移计算图

塑性区半径及洞壁周边径向变形为

上述洞周的应力、塑性区半径及洞壁周边径向变形公式(5.7)～(5.10)中均包含了粘聚力c,如果用岩石的单轴抗压强度q n来替换以上各公式中的c,便可得出更加明显的规律。现利用莫尔-库伦强度破坏准则,如图5.11所示,求得q n与c的关系。

由△AOB∶△ADE的关系,可得

或

图5.11　q n与σ、τ关系图

令

将式(5.13)～式(5.16)中的c及ξ、代入式(4.7)～式(4.10),可得塑性区内的应力、塑性半径及洞周边变形的表达式为:

塑性区半径及洞壁周边径向变形为

式(5.20)为支护抗力p i与围岩变形u的关系式,也被称为地层收敛线方程或地层特征方程。

(2)在不同围岩参数及支护抗力的影响下围岩塑性区的变化

①隧道掌子面开挖过后,在围岩还没有进行初期支护时,即p i= 0时,由公式(5.19)可以得到围岩单轴抗压强度q n、内摩擦角φ与塑性区半径r p的关系式为

按φ= 5°,10°,20°,30°,40°,以为横坐标,以为纵坐标,绘出及φ的关系曲线图,如图5.12所示。

图5.12　塑性区半径与围岩单轴抗压强度比、内摩擦角关系曲线图

由图5.12的曲线关系可以看出:

a较小时(如小于2),内摩擦角φ对塑性区的影响较小。当逐渐增大(如大于2) 后,内摩擦角φ对塑性区的影响也逐渐增大。

b.根据图5.12中不同内摩擦角大小所得出的曲线可以看出,随着内摩擦角的减小,塑性区的范围急剧增大,所以在软弱围岩地质条件下,岩体内摩擦角较小,隧道开挖后形成较大范围的塑性区,同时围岩的自稳能力较差,在这种地质条件下进行隧道施工,应尽可能减小对围岩的破坏,使围岩留有一定的自承能力,同时降低施工对围岩强度的干扰破坏。

c.内摩擦角越大,即围岩强度越高,p0/q n对r p/r0的影响越小。

②由公式(5.20),若令q n/E=0.005,μ=0.35,p i=0,变换后可得围岩强度比q n/p0、内摩擦角φ与洞内相对位移的关系式为

按φ=5°,10°,20°,30°,40°,以q n/p0为横坐标,u/r0为纵坐标,绘出u/r0与q n/P0及φ的关系曲线图,如图5.13所示。

图5.13　洞内边相对位移与围岩单轴抗压强度比、内摩擦角关系曲线图

从图5.13的曲线关系可以看出:

a.q n/P0越大,u/r0的变化越不明显。

b.内摩擦角φ越小,曲线越陡,对应的u/r0越大。

图5.13说明,围岩的初始应力、内摩擦角以及岩石的单轴抗压强度对隧道的收敛变形都有直接的影响。

③再由公式(5.20),若令q n/E= 0.005,μ= 0.35,φ= 30°,变换后可得支护抗力比p i/p0、围岩强度比q n/p0与洞内相对位移u/r0关系式为

从图5.14的曲线关系可以看出:

a越小,曲线的变化越明显,即围岩越软弱支护抗力在控制隧道周边变形中所起的作用越大。当时,曲线几乎与x轴平行,即支护抗力对围岩变形的影响已经很小。b.从图中可以看出,随着曲线呈下降趋势,以为例,上部较陡的曲线部分表示发

图5.14　洞内边相对位移与支护抗力比、围岩单轴抗压强度比关系曲线图

生塑性状态后的变形情况,下部较平缓的直线部分表示开挖后在弹性状态下应力释放后造成的变形情况。

(3)初期支护提供的支护抗力

前面讨论了围岩参数及支护抗力对隧道收敛变形的影响,通过曲线的形式得出了各种参数间的关系,现在研究一下在隧道开挖后初期支护所提供的支护抗力,或者说是围岩对初期支护所施加的力。

图5.15　等厚圆环隧道受力示意图

假设支护为最简单的等厚圆环形喷射混凝土,设该支护层上受到均匀的径向压力P ic,如图5.15所示。由弹性力学可知,圆环中应力和变形为

式中 E c,μc——分别为喷射混凝土的弹性模量和泊松比。

公式(5.27)可改写为

或

p i= K c u　(5.29)

其中,K c为喷射混凝土层支护刚度,其值取决于支护材料的性质、类型及尺寸等,有

同理,可得钢拱架的支护刚度为

径向锚杆的支护刚度为

式中 E b,d b, l b,S t,S l,Q——分别为锚杆的弹性模量、直径、长度、环向间距、纵向间距和锚头的变形常量。

上式锚杆的支护刚度一般仅适用于点状锚杆(仅在锚杆深入围岩内部的杆端进行锚固的锚杆),对于全粘结式锚杆支护,可通过提高围岩的粘聚力c和内摩擦角φ来近似处理。有人认为,如果锚杆与围岩的粘结质量良好,一般可将c、φ值提高20%左右。

考虑喷-锚-架联合支护与围岩的相互作用,其联合支护刚度K可认为是喷射混凝土支护刚度K c、锚杆支护刚度K s和钢拱架支护刚度K b之和

K= K c+ K s+ K b 　(5.33)

若喷-锚-架联合支护是同时施作在同一断面上的,并假设支护前洞壁周边变形量为u in,则联合支护上的径向压力为

p i= K(u- u in)　　　　(5.34)

式中 p i——(径向)支护力;

　　　K——支护结构刚度

　　　u——洞壁周边变形;

　　　u in——支护前洞壁周边变形。

(4)隧道围岩与初期支护的相互作用机理

从新奥法的设计理念来说,围岩和支护结构共同组成了承载的支护体系。其中围岩是主要的承载结构,而支护结构是辅助性的,但也是不可缺少的,在软弱围岩中,它还是一个主要的承载结构。对于一个支护结构来说,它的作用在于保持坑道端面的使用净空,防止岩体质量的进一步恶化承受可能出现的各种荷载使隧道支护体系有足够的安全度。任何一种支护结构,如钢拱支撑锚杆喷混凝土层等,只要有一定的刚度,并和围岩紧密接触,总能对围岩变形提供一定的约束力,即支护阻力。现以圆形隧道为研究对象,并假定围岩给支护结构的反力也是径向均匀分布的。因此,在一般情况下,支护结构的力学特性可以表达为

p= f(K)　　　　(5.35)

式中 K——支护阻力p与其位移u的比值,称之为支护结构的刚度,即

基于上述概念,可把各种支护结构力学特性用所谓的支护结构特征曲线来表示。在不考虑支护结构与围岩的接触状态对支护结构刚度的影响时,可以认为作用在支护结构上的径向压力只和它的径向位移成正比,由下式决定

式中 r0——开挖隧道的半径。

通常,支护结构都是在隧道围岩已经出现一定量值的收敛变形后才施设的,若用u0来表示这个初始径向位移,则

根据公式(5.38)绘制支护结构的径向压力与径向位移图,如图5.16所示。

图5.16　支护结构的径向压力与径向位移图

当提供多种支护时,可以假定组合支护体系的刚度等于每个组成部分刚度的总和。在已知支护结构的刚度后,可画出支护结构提供的支护阻力和它的径向位移的关系曲线,即支护特征曲线,如图5.17所示。

图5.17中,支护特征曲线与围岩支护需求曲线交点处的横坐标为形成平衡体系时洞周发生的位移,交点纵坐标以下的部分为支护结构上承受的荷载,以上部分由围岩来承担。从图中可以分析隧道围岩和支护结构如何在相互作用的过程中达到平衡状态的。初期(图5.17中的A点),围岩所需的支护约束力大,而一般支护结构所能供给的小。因此,围岩继续变形,并在变形过程中与支护结构的支护特征曲线相交于一点,从而达到平衡。从图5.17中可以归纳出:

①不同刚度的支护结构与围岩达成平衡的p a和u r0是不同的。刚度大的支护结构承受的围岩压力较大,反之,柔性较好的支护结构所承受的围岩压力要小得多,如支护曲线②和③。

图5.17　围岩与支护结构的相互作用

②同样刚度的支护结构,架设的时间不同,最后达成平衡的状态也不同。支护架设越早,它所承受的围岩压力就越大,如支护曲线①。但并不等于说支护结构参与相互作用的时间越迟越好,因为初始变形不加控制会导致围岩迅速松弛,出现松动压力如支护曲线④,从而隧道坍塌。因此,支护安设时间、支护本身的刚度及其与围岩接触的好坏均将影响到围岩的稳定性和支护所受围岩压力的大小。

5.4.5　二次衬砌

新奥法构筑隧道有三个主要作业环节:掘进、初期支护和二次衬砌。一般来说,二次衬砌是在初期支护发挥支护作用的前提下,待围岩变形稳定后所构筑的模筑混凝土衬砌结构,它除了起装修作用外,还对隧道的耐久性、防水性、安全性都有不可忽视的作用。目前,二次衬砌还存在着许多需要进一步研究的问题。

在新奥法的发展中,对二次衬砌的作用有两种观点:

①认为二次衬砌主要起装修作用。这种观点认为,在初期支护内空变位达到稳定后才构筑的二次衬砌,除自重荷载外是处于无外荷载作用的状态,因此主要起装修作用。对于交通隧道,其目的是为了增加通行安全感,改善通风和照明条件,固定通风、照明、通信、防火等管线设备,改善隧道防水条件,防止漏水。对于水工隧道,它可以减少糙率,降低能量损失,可以防止岩块剥落损坏水轮机。但是,初期支护到底是起暂时的还是起永久的支护作用,目前还没有统一认识。假如它主要支护结构喷混凝土和锚杆,则经过一个相当长的时期以后会发生腐蚀而失去支护作用,这时二次衬砌就可承受一定的荷载,防止隧道发生突然的破坏。因此,以起装修作用为目的按构造设计的二次衬砌亦可以起到提高隧道安全度的作用。

②认为二次衬砌主要起承载作用。其一是认为二次衬砌承受隧道完工后产生的荷载。对于长时间达不到变位稳定的隧道,由于工期的要求,在内空变位接近稳定的时候就构筑了二次衬砌;尤其是在膨胀性地层中,由于内空变位达到完全稳定所需要的时间很长,常常在变位未稳定前就构筑二次衬砌。这样二次衬砌应当承受围岩变位引起的荷载;在地下水位变动的地层中构筑隧道时,或在地下水丰富的地层中采用降低地下水位的办法构筑隧道时,当地下水位升高或恢复时,二次衬砌要承受地下水压荷载;浅埋隧道建成后,当地表有新荷载作用时,二次衬砌要承受从地面传来的荷载。其二是认为二次衬砌承担了全部或大部分的外荷载,而不考虑或很少考虑初期支护的作用。如联邦德国地下铁隧道设计中,就完全不考虑初期支护的作用。所设计的单线断面二次衬砌厚度为30～35 cm,双线断面二次衬砌厚度为40～50 cm。联邦德国公路隧道是按照二次衬砌承担75%外荷载进行设计的。这些做法虽然可以增加隧道的安全度,却也增加成本,增加了材料消耗,没能更好地体现新奥法的原理和优越性。

二次衬砌一般是在施作初期支护并使围岩变形基本稳定后施作的。二次衬砌的构造形式、材料和施作方法与单层衬砌基本相同。为了防止地下水渗流进入隧道内,常在外村与内衬之间敷设一层防水层,如塑料防水板等。

二次衬砌厚度不仅与围岩变形速度和变形量有关,更与其施作时机和建筑材料有关。二次衬砌材料主要采用就地模筑混凝土或钢筋混凝土,也有采用预制钢筋混凝土衬砌块拼装二次衬砌的。二次衬砌一般均为等厚截面,只将两侧边墙下部稍作加厚,以降低基地应力。铁路单线隧道二次衬砌厚度一般为25 cm,双线隧道内层衬砌厚度一般为30 cm。双线高速铁路隧道和公路隧道断面尺寸较大时,二次衬砌厚度稍厚。

修建隧道衬砌的材料应具有足够的强度和耐久性,在某些环境中,还必须具有抗冻、抗渗和抗侵害性,此外,还应满足就地、降低造价、施工方便及易于机械化施工等要求。

隧道工程常用的衬砌建筑材料有:

①混凝土与钢筋混凝土。隧道衬砌所用的混凝土强度等级,对于直墙式衬砌不低于C15,曲墙式衬砌及Ⅲ类围岩直墙式衬砌不低于C20。钢筋混凝土材料主要用在明洞衬砌及地震区、偏压、通过断层破碎带或淤泥、流沙等不良地质地段的隧道衬砌中,其强度等级不低于C20。在特殊情况下可采用旧钢轨或焊接钢筋骨架进行加强。

②片石混凝土。为了节省水泥,对岩层较好地段的边墙衬砌,可采用片石混凝土(片石的掺量不应超过总体积的20%)。此外,当起拱线以上1 m以外部位有超挖时,其超挖部分也可用片石混凝土进行回填。选用的石料要坚硬,其抗压强度不应低于30 MPa,严禁使用风化片石,以保证质量。

③料石或混凝土块。料石或混凝土预制块应用强度等级不低于M10的水泥砂浆衬砌。其优点是:就地取材,大量节约水泥和模板,可保证衬砌厚度并能较早地承受荷载;但缺点是:整体性和防水性差,施工速度慢,砌筑技术要求高,在现代隧道工程中已经很少使用。

④喷射混凝土。在普通铁路隧道工程中,喷射混凝土材料可用作中内层衬砌,但其强度等级不低于C20,使用水泥标号不低于125号,并优先选用普通硅酸盐水泥。细骨料采用坚硬耐久的中砂或粗砂,细度模数宜大于15,砂的含水率宜控制为5%～7%;粗骨料采用坚硬耐久的卵石或砾石,粒径不应大于15 mm。隧道中衬砌建筑材料的强度等级不应低于表5.2的规定。

表5.2　衬砌建筑材料强度特性

注:①砌体包括石砌体和混凝土块砌体;
②严寒地区洞门用混凝土整体灌注时,其强度等级不应低于C20;
③片石砌体的胶结材料采用小石子混凝土灌注时,其最低强度等级相应的适用范围与水泥砂浆相同。

5.4.6　复合式衬砌结构设计实例

(1)工程概况

某隧道位于重庆市巫山县龙井乡金鸡村至六水村之间,为一座上、下行分离的四车道高速公路长隧道,呈近东西向展布,进口位于龙井乡金鸡村,出口位于龙井乡六水村。隧道起讫桩号左线ZK37+285～ZK38+552,长1 267 m;右线YK37+ 350～YK38+ 552,长1 202 m,隧道最大埋深约183 m,属于长隧道,隧道全景如图5.18所示。

图5.18　隧道洞口全景图

隧道左线巫山端洞口位于平曲线上,曲线半径为R= 4 000 m。奉节端左线洞口位于直线上。隧道右线巫山端洞口位于平曲线上,曲线半径为R= 4 000 m。奉节端右线洞口位于直线上。隧道左线纵坡为2.413%的单向坡,右线纵坡为2.333%的单向坡。

①地形地貌。隧址区位于中低山台地及中低山深切谷地斜坡地貌区,隧道穿越中低山山脊下部。区内最高标高位于ZK38+ 060,高687 m;最低标高位于进洞口,高448 m,相对高差239 m,隧道设计标高为477.274～507.919 m,最大埋深约183 m。隧道走向与山脊走向近于垂直相交。区内坡陡沟深,地形复杂,山坡坡度较陡,一般为32°～46°,植被较少,水土保持较差。

②地质构造。隧道区大地构造部位处于新华夏系第三隆起带和第三沉降带之结合部位,属四川沉降褶皱带之川东褶皱带的一部分,主要构造形迹展布方向为北东东—北东向。线路测区内主要褶皱为齐跃山背斜,巫山向斜,隧道区处在齐跃山背斜南翼。出露地层为三叠系中统巴东组及第四系残坡积碎石土。地层产状陡,基岩倾向南,倾角40°～60°,在隧道区构成单斜岩层,隧道走向与岩层走向基本平行或小角度斜交。区内断裂构造不发育,未见明显断裂构造痕迹。浅部岩石风化裂隙发育,岩体完整性较差,深部节理裂隙稍发育,地表节理主要有四组,岩体较破碎,多呈裂隙块状结构。节理裂隙降低了围岩级别和围岩稳定性。

③地层岩性。根据野外调查及钻探、物探资料,隧道区出露地层为三叠系上统巴东组第二段粉砂质泥岩、泥质粉砂岩夹泥灰岩,其上零星覆盖第四系残坡积碎石土。岩土工程地质特征如下:

残坡积碎石土:根据钻孔揭露,层厚0～4.50 m,褐红色,由强风化粉砂质泥岩、泥质粉砂岩碎石混黏性土组成,松散～稍密状,碎石粒径2～10 cm,含量50%～60%。该层在山体表层零星分布,纵波速度V p=300～500 m/s。

强风化粉砂质泥岩夹泥质粉砂岩紫红色,泥质粉砂质结构,中厚层状构造,岩体破碎,风化强烈成半岩半土状,结构较松散,钻孔揭露厚度2.0～6.50 m,纵波速度V p=1 100～1 300 m/s,该层为隧道进口和出口围岩。

弱风化粉砂质泥岩夹泥质粉砂岩紫红色,泥质粉砂质结构,中厚层状构造,节理裂隙发育,岩体较破碎～较完整,呈碎石～碎块状。该层揭露厚度12.80～42.18 m,纵波速度V p= 2 500～3 000 m/s,该层为隧道进出口及洞身围岩。

强风化泥质粉砂岩夹粉砂岩紫红色,粉砂质结构,钙质胶结,中厚层状构造,风化强烈,成半岩半土状,钻孔揭露厚度17.50 m,纵波速度V p=1 300 m/s,该层为隧道进口围岩。

弱风化泥质粉砂岩夹粉砂岩紫红色,局部夹泥灰岩为灰绿色,中厚层状构造,节理裂隙稍发育,多被方解石脉充填,局部见溶蚀现象,岩质中硬,岩体较完整。钻孔揭露厚度83.42 m,纵波速度V p= 3 100～3 700 m/s,该层为洞身围岩。

④水文地质:

a.地表水。本隧道为越岭隧道,区内地表水系不发育,无常年性地表水体,也不见明显的冲沟,但在隧道进出口下部均有常年性水沟,其中进口处为黑王沟,常年平均流量约5 L/m,出口处冲沟常年平均流量约0.5 L/m。地表水主要为大气降水形成的地表面流,水量受季节性影响变化较大,其自然排泄畅通;隧道进、出口位于山体斜坡位置,应注意暴雨期间地表面流对洞口的冲刷破坏作用,宜采取截流、疏排措施。

b.地下水类型主要有:

●松散层类孔隙水:隧道区残坡积物为碎石土,较松散,空隙率高,透水性强,但多分布在较高位置,径排条件好,且零星分布,厚度较小。

●风化和节理裂隙水:隧道全段为T2 b2紫红色泥质粉砂岩和粉砂质泥岩。属于相对隔水层,水文地质条件较简单,但浅部岩石破碎,节理裂隙发育风化强烈,透水性强,但多分布在较高(水位以上)位置,且厚度较小。

c.地下水的补给、排泄。区内地下水主要接受大气降水垂直入渗补给;基岩风化裂隙水径流主要受地形地貌控制,总体顺坡向径流。由于隧道区标高较高,径流条件较好,总体上地下水位变幅不大,但暴雨期间也需做好地表水疏导措施。

(2)隧道支护结构设计

本隧道为上下线分离的四车道高速公路隧道,建筑限界净宽10.25 m,净高5.0 m。采用拱部单心半圆,侧墙为大半径圆弧的单曲墙式衬砌。在隧道内侧(左侧)检修道下设置一个尺寸为70 cm×60 cm的电缆沟,外侧(右侧)设置一个尺寸为50 cm×50 cm的电缆沟(或消防沟)以及φ20 cm的圆形路面排水边沟。隧道路面下纵向设置φ500 mm的中心水沟。隧道洞身布置及开挖尺寸如图5.19所示。

图5.19　断面结构布置

本路段隧道衬砌结构按照施工方式和作用在支护上荷载的不同,分为明洞衬砌、浅埋段(包括浅埋偏压)复合式衬砌和深埋段复合式衬砌。

①明洞衬砌。隧道明洞根据各隧道洞口的实际情况布置,明洞结构采用C25钢筋混凝土结构,其边坡防护采用喷锚防护,回填坡面应尽量与原地形顺接,明洞顶一般采用方格网植草防护。本隧道明洞为偏压结构。

②复合式衬砌。复合式衬砌按照新奥法原理进行设计,以锚杆、喷混凝土或钢筋网喷混凝土、钢拱架为初期支护,模筑混凝土或钢筋混凝土为二次支护,共同组成永久性承载结构。衬砌设计支护参数通过工程类比和结构分析计算综合确定。

根据隧道埋深及围岩级别的不同,本隧道共设计了7种复合式衬砌形式,见表5.3。

表5.3　复合式衬砌各类支护参数表

5.5　超前支护结构设计

由于初期锚喷支护强度的增长速度不能满足洞体稳定的要求,可能导致洞体失稳,或由于大面积淋水、涌水地段,难以保证洞体稳定时,可采用超前锚杆、超前小钢管、管棚、地表预加固地层和围岩预注浆等辅助施工措施,对地层进行预加固,超前支护或止水。

因此隧道超前支护主要有:

①超前锚杆、超前小钢管。

②管棚。

③地面砂浆锚杆。

④超前小导管注浆、深孔预注浆。

5.5.1　超前锚杆和超前小钢管

超前锚杆和超前小钢管设计宜符合下列要求:

①设计参数可按表5.4选用。

②超前锚杆,超前小钢管的设置应充分考虑岩体结构面特性,一般可仅在拱顶部设置,必要时也可在边墙局部设置,如图5.20所示。

③超前锚杆,超前小钢管纵向两排的水平投影应有不小于100 cm的搭接长度。

④超前锚杆宜采用早强砂浆锚杆。

表5.4　超前锚杆超前小钢管设计参数

注:①外插角为锚杆(小钢管)与隧道纵向开挖轮廓线间的夹角。
②超前锚杆,超前小钢管的长度与掘进循环一起考虑并应根据实际施工能力适当选择。

⑤超前锚杆、超前小钢管尾端一般应置于钢架腹部或焊接于系统锚杆尾部的环向钢筋,以增强其共同支护作用。

图5.20　超前锚杆、超前小钢管布置示意图

⑥超前锚杆可根据围岩情况,采用双层或三层超前支护。

超前锚杆、超前小钢管是一种起超前预支护作用措施,表5.4所列参数是根据近几十年铁路隧道使用超前锚杆、超前小钢管的经验得出的,设计时,应根据围岩的具体情况、实际施工能力、工序进度安排等因素选择。

使用超前锚杆、超前小钢管隧道,一般岩体很破碎,开挖工作面有可能坍滑,因此,纵向两排锚杆或小钢管应采用不小于100 cm的水平搭接长度,如图5.20所示。由于施工进展的要求,超前锚杆设置后,一般随即进行下一次掘进循环,当采用一般砂浆作胶结物时,则爆破能影响其强度,为此要求采用早强砂浆作为超前锚杆与岩层孔壁间胶结物,以及早发挥超前支护作用。

5.5.2　管棚加强支护

(1)应用条件

管棚由钢架和钢管组成,它应用于特殊困难地质,如极破碎岩体,塌方段,岩堆等地段,可起加强支护的作用,上述地质条件下在钢管内辅以灌浆效果会更好,当遇流塑状岩体或岩溶严重流泥地段,采用管棚与围岩内预注浆相结合的手段也是行之有效的方法。

(2)管棚与钢架的设计规定

①钢架可选用I型(或钢轨)、H型钢、U型钢、钢筋格棚等轻型钢材制造。

②格棚钢架的主筋直径不宜小于22 mm,材料宜采用20MnSi或A3钢筋,联系钢筋可按具体情况选用。

③钢架的设计强度,应保证能单独承受2～4 m高的松动岩柱质量。

④钢架的纵向间距,一般不宜大于1.2 m,两榀钢架之间应设置直径20～22 mm的钢拉杆。

⑤钢架如与钢筋网喷射混凝土联合使用,应保证钢架(或格栅钢架主筋)与围岩之间的混凝土厚度不小于40 mm。

⑥钢架立柱埋入底板深度不应小于15 mm,当有水沟时并不应高于水沟底面。

⑦钢管钢架应在钢管上设置注浆孔,架设后注满水泥砂浆。

(3)钢架的选择

钢架的选用考虑隧道断面尺寸、安装机械、材料来源及其特点等因素。

①钢架、加工简易、使用方便,由于截面纵横方向不是等刚度和等强度,而易失稳在较大跨度中使用有困难,适用于单线隧道。

②H型、U型钢架,虽克服了I型钢架的缺点,但自重大,又费钢材,并带来安装困难,使用不广。另外,和I型钢架一样,其与混凝土粘结不良,且与围岩间的空隙难于用喷射混凝土充填密质。

③钢管钢架,比H型钢架轻便,必要时可在管内压注砂浆或混凝土,以增强钢管钢架支护力,但与喷射混凝土粘结不好,造价也高,使用也不广。

④格栅钢架是用钢筋焊接而成有格栅构架,受力性能好,安装方便,并和喷射混凝土结合较好,节省钢材,优点较多,目前已用于双线和单线隧道。

(4)钢管参数的确定

钢管设计宜根据地质情况及施工条件参照下列要求进行:

①钢管直径宜选用80～180 mm,钢管中心间距30～50 cm。

②钢管长度一般为10～45 m,当采用分段连接时,可采用长4～6 m钢管,并用丝扣连接。

③钢管宜采取沿隧道开挖轮廓纵向近水平方向设置。

④根据需要,钢管内可灌注水泥砂浆,混凝土或放置钢筋笼并灌注水泥砂浆。

⑤纵向两组管棚之间应有不小于1.5 m的水平搭接长度。

文内所列参数是根据当前国内采用管棚的实践经验得出有待进一步完善。

5.5.3　注浆加固

注浆加固是为了改良松散地层的工程力学性能而将适宜的胶结材料按一定的注浆工艺注入到松散地层中的工程措施,也称为“地层改良”。

胶结材料在松散地层中凝结后,一定区域内的松散岩体就变得完整而坚硬起来,其力学性能将得到改善。以这部分经过改良的岩体作为隧道围岩,其稳定能力就能得以增强。就结构和构造而言,改良后的岩体很容易转化为隧道承载结构,相应地,不需要采取过多的其他工程措施就可以获得洞室的稳定。

隧道工程中常用的注浆加固措施按工艺的不同,分为“超前小导管注浆”和“超前深孔帷幕注浆”两种。此外,还有一种特殊的暂时性的注浆加固措施,即冻结法。冻结法是利用含水地层在冻结状态下的结构稳定能力,获得围岩的暂时稳定,继而完成坑道开挖和衬砌,以获得永久稳定的隧道的施工方法。

5.5.4　地面砂浆锚杆

(1)使用条件

地面锚杆是一种地表预加固地层的措施,适用于浅埋、洞口地段和某些偏压地段,该项技术曾在我国一些铁路隧道中应用,效果良好。为保证预加固的效果,锚固砂浆达到设计强度70%以上后才进行下方洞体开挖。由于岩层松软破碎,锚杆应力超过屈服强度的可能性不大。

(2)使用时应注意事项

①锚杆宜采用20锰硅螺纹钢,直径为16～22 mm。

②地面砂浆锚杆的长度可根据洞室覆盖层厚度和实际施工能力确定。

③地面横向加固范围可根据地形和推测的破裂面确定。

④地面锚杆一般为垂直设置,根据地形及岩层层面具体情况也可倾斜设置,锚杆间距一般为1.0～1.5 m,并按矩形或梅花形布置。

⑤安置地面锚杆的钻孔直径一般不小于5 mm。

⑥地面锚杆宜采用全长粘结型普通水泥砂浆锚杆。

5.5.5　超前支护设计实例

(1)工程概况

某隧道是国家重点公路杭州至兰州线重庆奉节至巫山段的一个重点和难点项目之一,该隧道为一座上、下行分离的四车道高速公路长隧道。隧道位于重庆市巫山县龙井乡白水村至金鸡村之间,呈近东西向展布,巫山端洞口位于龙井乡白水村,奉节端洞口位于龙井乡金鸡村。隧道最大埋深约305 m。隧道起讫桩号左线ZK33+ 959～ZK36+ 423,长2 464 m;右线YK33+ 990 ～YK36+555,长2 565 m。

①地形地貌。隧址区位于中低山台地及中低山深切谷地斜坡地貌区,隧道穿越中低山山脊下部。区内最高标高在ZK35+ 360,高754.0 m,最低标高在隧道进口,365.0 m,相对高差389 m,隧道设计标高398.93～460.66,隧道最大埋深约305 m。隧道走向与山脊走向近于垂直相交。除隧道进出口较陡外,区内山坡坡度较缓,一般为15°～30°,植被不发育,水土保持较差。

②地层岩性。根据野外调查及钻探、物探资料,隧道区出露地层主要有三叠系上统巴东组(T2 b)泥岩、粉砂岩、泥灰岩、含膏泥岩、钙质泥岩及第四系残坡积碎石土(Qel+dl)。除隧道左线进出口端及隧道右线进口端为巴东组第二段地层外,其余均为巴东组第一段地层。

③地质构造。隧道区大地构造部位处于新华夏系第三隆起带和第三沉降带之结合部位,属四川沉降褶皱带之川东褶皱带的一部分,主要构造形迹展布方向为北东东～北东向。隧道区内主要褶皱为齐跃山背斜,巫山向斜,隧道区处在齐跃山背斜南翼。出露地层为三叠系中统巴车组(T2 b)及第四系残坡积碎石土(Qel+dl)。岩层产状陡、变化大,基岩倾向南西～北东,倾角28°～78°,在隧道进出口形成背斜,在隧道洞身形成向斜。隧道走向与岩层走向小角度斜交平行。隧道区内断裂构造不发育,未见明显断裂构造痕迹。浅部岩石风化裂隙发育,岩体完整性较差,深部节理裂隙不发育～较发育,地表主要三组(裂隙)节理,节理裂隙对隧道围岩稳定性产生不利影响。

④水文地质

a.地表水。本隧道为越岭隧道,区内地表水系不发育,无常年性地表水体,有5条季节性冲沟斜穿线路,地表径流条件较好。地表水主要为大气降水形成的地表面流,水量受季节性影响变化较大,其自然排泄畅通;隧道进、出口位于山体斜坡位置,分布标高较高,地表水对隧道施工影响较小;但应注意暴雨期间地表面流对洞口的冲刷破坏作用,宜采取截流、疏排措施。

b.地下水类型:

●松散层类孔隙水:隧道区残坡积物为碎石土,较松散,空隙率高,透水性强,但多分布在较高位置,径排条件好,且零星分布,厚度较小,水量贫乏。

●风化和节理裂隙水:隧道洞身出露地层有T2 b2紫红色泥质粉砂岩、T2 b1钙质泥岩、泥灰岩,其中泥质粉砂岩、钙质泥岩属于相对隔水层,具弱透水性,但浅部岩石破碎,节理裂隙发育风化强烈,透水性强,但多分布在较高(水位以上)位置,且厚度较小,水量贫乏。

●岩溶水:隧身段处于T2 b1地层中,岩性为可溶性碳酸盐岩石,普遍具弱、中等溶蚀现象。据钻孔揭露,岩溶影响较深,该层为含水岩层,透水性较强,含水较丰富。

c.地下水的补给、排泄。区内地下水主要接受大气降水垂直入渗补给;基岩风化裂隙水径流主要受地形地貌控制,总体顺坡向径流。由于隧道区标高较高,地表径流排泄条件好。其天然排泄主要为呈线状、散点状排泄于地形切割较深的冲沟、地貌突变处。地下水位变幅不大。

d.地下水影响。隧道区基岩绝大部分为碳酸盐类岩石,裂隙岩溶水较丰富,除右线出口外,其余进出口为泥质粉砂岩,含风化裂隙水,地下水接受大气降水入渗补给;隧道水文地质条件属较复杂类型;隧道洞室具渗流现象,地下水对隧道施工影响较大。地下水对隧道围岩的影响主要有两个方面:

●T2 b2泥质粉砂岩中的风化裂隙水易使岩石软化,降低围岩稳定性。

●T2 b1裂隙岩溶水及T2 b1与T2 b2层间裂隙水的活动易造成岩石泥化,并可能导致围岩突水、冒顶垮塌事故。

(2)超前支护设计

本隧道为分离式两车道隧道,隧道采用的辅助施工措施主要有:超前长管棚和超前小导管、超前锚杆。

①超前长管棚:设置于隧道洞口,管棚入土深度是结合地形、地质情况确定。管棚钢管均采用φ108×6mm热轧无缝钢管,环向间距50 cm,接头用长15 cm的丝扣直接对口连接。当长管棚钢管已深入微风化岩层时可以适当缩短长管棚长度。钢管设置于衬砌拱部,管心与衬砌设计外轮廓线间距大于30 cm,平行路面中线布置。要求钢管偏离设计位置的施工误差不大于20 cm,沿隧道纵向同一横断面内接头数不大于50%,相邻钢管接头数至少需错开1.0 m。为增强钢管的刚度,注浆完成后管内应以30号水泥砂浆填充。为了保证钻孔方向,在明洞衬砌外设60 cm厚C25钢架混凝土套拱,套拱纵向长1～2.0 m。考虑钻进中的下垂,钻孔方向应较钢管设计方向上偏1度。钻孔位置、方向均应采用测量仪器测定,在钻进过程中也必须用测斜仪测定钢管偏斜度,发现偏斜有可能超限,应及时纠正,以免影响开挖和支护。

②超前小导管:设置在隧道洞内无长管棚支护的Ⅴ级围岩地段,采用外径42 mm,壁厚3.5 mm,长350 cm的热扎无缝钢管,在钢管距尾端1m范围外钻φ6mm压浆孔。钢管环向间距约40 cm,外插角控制在10°～15°,尾端支撑于钢架上,也可焊接于系统锚杆的尾端,每排小导管纵向至少需搭接1.0 m。

③超前锚杆:设置在隧道洞身Ⅳ级围岩地段。锚杆采用直径22 mm,长350 cm的20MnSiφ22钢筋,环向间距约40 cm。实际施作时锚杆方向应根据岩体结构面产状确定,以尽量使锚杆穿透更多的结构面为原则,外插角可采用5°～15°不等。采用早强砂浆作为粘结材料,每排锚杆的纵向搭接长度也要求不小于1.0 m。

④加固注浆:分长管棚注浆和周边加固注浆,主要用在Ⅴ～Ⅳ级围岩地段,以通过注浆提高围岩自身承载能力,提高岩体对结构的弹性抗力,改善结构受力条件。长管棚注浆利用洞口长管棚先行敷设的钢花管进行;周边加固注浆利用φ25系统注浆锚杆进行。注浆宜采用单液注浆,不仅可简化工艺,降低造价,而且固结强度高,因此注浆前均应进行单液注浆实验,单液注浆以水泥为主,添加5%的水玻璃(质量百分比),如单液注浆效果好,能达到固结围岩的目的,全隧道均可用单液注浆方案,如可灌性差,再进行水泥-水玻璃双液注浆实验。双液注浆参数应在本设计的基础上通过现场实验按实际情况调整。注浆一般按单管达到设计注浆量作为注浆结束的标准。当注浆压力达到设计终压10min后,进浆量仍达不到设计注浆量时,也可结束注浆。注浆作业中应认真作好记录,随时分析和改进作业,并注意观察初期支护和工作面状态,保证安全。

本章小结

(1)新奥法把岩体视为连续介质,在粘、弹、塑性理论指导下,根据在岩体中开挖隧道后从变位产生到岩体破坏要有一个时间效应的性质,适时地构筑柔性、薄壁、能与围岩贴紧的支护结构来保护围岩的天然承载力。变围岩本身为支护结构的重要成分,使围岩与构筑的支护结构共同形成坚固的支承环,共同形成一个长期稳定的洞室。

(2)隧道超前支护主要包括超前锚杆、超前小钢管、管棚和地面砂浆锚杆。

(3)在普通喷混凝土的组成成分中掺入富于延性的钢纤维,可以改变喷混凝土的物理力学性能,使喷混凝土结构的抗裂隙能力、耐冲击能力、抗拉强度、抗挠强度、抗剪强度、耐冻融性、耐磨耗性都得到相应的提高。目前,在隧道工程中使用钢纤维喷混凝土的实例已逐渐增多。

(4)复合衬砌是将支护结构分成多层,在不同的时间先后施作的。由于复合衬砌主要是通过调整断面形状和初期支护参数来适应地质条件变化(即适应不同的围岩级别以及围岩松弛的范围和松弛程度变化),因此,复合衬砌中的初期支护参数变化幅度较大,而内层衬砌厚度变化不大。

思考题

5.1　简述新奥法结构设计的概念和特点。

5.2　简述超前支护的分类。

5.3　简述单层衬砌的构造原理。

5.4　单层衬砌的类型有哪些?

5.5　单层衬砌和复合衬砌的本质区别是什么?

5.6　复合衬砌的优缺点有哪些?

5.7　初期支护中径向锚杆的作用机理是什么?