摘要:蘭渝鐵路隆家門隧道為膨脹性圍巖隧道，初支變形起伏較大，經(jīng)過現(xiàn)場施工總結(jié)出一套科學(xué)的辦法，合理加強初期支護強度提高施工質(zhì)量，穩(wěn)定初支變形，同時根據(jù)圍巖監(jiān)測結(jié)果、地質(zhì)情況及時調(diào)整預(yù)留變形量，減少二襯混凝土超方量。
　　關(guān)鍵詞：膨脹性圍巖，隧道，初支變形，控制，監(jiān)控量測，預(yù)留變形量
　　1工程概況
　　隆家門隧道全長2565m（DK133+635～DK136+200），隧道范圍內(nèi)地層主要為第四系全新統(tǒng)滑坡堆積砂質(zhì)黃土、塊石土，洪積細砂，上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土，下第三系砂巖夾礫巖，白堊系下統(tǒng)泥巖夾砂巖；隧道范圍內(nèi)地下水主要為基巖裂隙水，賦存于基巖風(fēng)化節(jié)理和裂隙中；其中砂巖夾礫巖具弱膨脹性，泥巖夾砂巖具強膨脹性。
　　2施工狀態(tài)
　　由于圍巖膨脹性，DK133+750～780段圍巖變形較為嚴重，初期支護表面出現(xiàn)大量環(huán)向裂縫，局部鋼架扭曲變形，拱腳及邊墻處變形較為明顯，且有混凝土掉塊現(xiàn)象。圍巖監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計表1。
　　表1圍巖監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計表
　　　　根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出實際變形量遠遠大于設(shè)計圖紙預(yù)留變形量，且水平收斂值大于拱頂下沉值。
　　如何控制及合理預(yù)留初期支護變形量是當前的重要任務(wù)。
　　3原因分析
　　3.1圍巖變形
　　對圍巖泥巖進行膨脹性試驗，試驗結(jié)果：膨脹力為13.7kPa，自由膨脹率為41%，由此造成在完成初期支護后，局部初支變形嚴重。
　　3.2初期支護不能有效抑制圍巖變形
　　3.2.1鋼架強度及剛度不足
　　隆家門隧道Ⅳ級圍巖設(shè)計采用格柵鋼架，間距1.2m，實際施工中發(fā)現(xiàn)部分有水地段格柵縱向扭曲、外側(cè)鋼筋外鼓變形嚴重，從而導(dǎo)致初期支護變形不穩(wěn)定。
　　3.2.2鎖腳錨桿抗拉力不能滿足設(shè)計要求
　　隆家門隧道設(shè)計采用兩根Φ22水泥砂漿錨桿與鋼架連接，單根長度3.5m，單根抗拉力不小于150KN。
　　現(xiàn)場檢查中發(fā)現(xiàn)在錨桿長度、錨固質(zhì)量合格的前提下，大部分錨桿抗拉力仍然不能滿足設(shè)計要求，不能有效抑制水平收斂。
　　3.3初期支護預(yù)留變形量不合理
　　現(xiàn)場統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)初期支護預(yù)留變形量均在設(shè)計基礎(chǔ)上加大了15cm，未根據(jù)圍巖情況及監(jiān)控量測結(jié)果進行調(diào)整，導(dǎo)致二襯混凝土超方嚴重。
　　4處理方法
　　針對該種圍巖施工中，主要做了以下幾種改進措施：
　　4.1改變鋼架類型，增強初支強度
　　通過經(jīng)濟比選及受力變形計算，采用工18型鋼鋼架代替格柵鋼架，主要理由如下：
　　4.1.1經(jīng)濟比選
　　型鋼鋼架較格柵鋼架每榀增加費用128.68元（具體計算如下）；但是如果能夠抑制初期支護有效變形，合理預(yù)留初期支護變形量，每延米減少二襯混凝土超方1m3，就可以節(jié)省450元，綜合計算后，施工成本不升反降。
　　4.1.1.1一榀格柵鋼架費用
　　Ф22:0.415噸*3820元/噸=1585.3元；Ф12：0.189噸*4046元/噸=764.69元；角鋼：0.065噸*4150元/噸=269.75元；鋼板：0.015噸*4100元/噸=61.5元，材料費共：2681.24元 ；加工費：0.684噸*570元=389.88元；一榀格柵鋼架共計3071.12元。
　　4.1.1.2一榀型鋼鋼架費用
　　I18：0.664噸*4130元/噸=2742.32元；鋼板：0.062噸*4100元/噸=254.2元；材料費共：2996.52元；加工費：0.726噸*280元=203.28元；一榀型鋼鋼架共計3199.8元。
　　兩種鋼架對比后相差128.68元。
　　同時鋼架受力與加工質(zhì)量有密切聯(lián)系，格柵鋼架加工質(zhì)量不易保證，整體受力效果不穩(wěn)定，相比之下型鋼鋼架加工簡單，加工質(zhì)量較易保證，受力效果穩(wěn)定。
　　4.1.2受力變形計算
　　采用大型有限元軟件ANSYS建立三維護模型分析，按照拱架實際受載情況，取上拱120度范圍內(nèi)受力較大部分進行三維模擬仿真分析。然后分別提起格柵拱架和型鋼拱架數(shù)據(jù)進行分析對比。
　　4.1.2.1建模如下：工字鋼采用45單元，鋼架采用link8單元。
　　                       
　　圖118工字鋼拱架分網(wǎng)模型                                                                                           圖2格柵拱架分網(wǎng)模型
　　
　　建模分網(wǎng)立完成后，對模型施加載荷,在隧道開挖中，由于地質(zhì)情況、輪廓平順度及其它方面的的影響，現(xiàn)對施加集中力和壓力這兩種形式的載荷，（如圖3、圖4所示）然后進行對比。
　　                
　　圖3集中力載荷模型                                                                                         圖4壓力載荷模型
　　施加載荷大小相等，位置相同，集中力載荷分別為：20000N,5000N,40000N；壓力載荷分別為
　　524525，1049050，5245257pa。結(jié)果圖形如下：
　　           
　　圖5型鋼分析結(jié)果模型圖                                                                         圖6拱架分析結(jié)果模型圖
　　經(jīng)過計算，分別提起最大變形量數(shù)據(jù)見表2。
　　表2格柵與型鋼受力情況對比表
　　　　同時根據(jù)調(diào)整后的預(yù)留變形量重新進行鋼架尺寸設(shè)計，確保鋼架與開挖斷面相匹配，鋼架設(shè)計圖見圖1：
　　改用工18型鋼鋼架進行支護，效果明顯，鋼架未出現(xiàn)明顯變形，監(jiān)測結(jié)果顯示，改用型鋼鋼架后初期支護變形量小于采用格柵鋼架時的變形量。具體數(shù)據(jù)見表2。

　　4.2改變鎖腳錨桿類型，增強初支水平抵抗力
　　采用兩根Φ42鋼花管注漿錨桿代替Φ22水泥砂漿錨桿，單根長度4.5m，透漿孔直徑6mm，孔間距15cm。
　　鋼花管與水平成15~30°布設(shè)，焊接注漿嘴，壓力注漿，注漿完畢后采用Φ22螺紋鋼筋將鋼花管安裝完畢后與鋼架可靠連接，具體布設(shè)見圖2，使用檢查，鋼花管注漿錨桿抗拉力均能滿足設(shè)計要求。
　　監(jiān)控量測統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：拱腳及墻腳位置收斂值明顯好與前段施工，效果明顯，較好的控制了收斂變形，達到預(yù)期效果。初期支護變形具體數(shù)據(jù)見表1。
　　表2初期支護變形統(tǒng)計表
　　　　4.3加強監(jiān)控量測及分析處理
　　監(jiān)測項目包括：洞內(nèi)觀察、凈空收斂、拱頂下沉，監(jiān)控量測程序見下圖
　　洞內(nèi)觀察分為開挖工作面觀察和已施工地段觀察兩部分。其內(nèi)容如下：
　　開挖工作面觀察在開挖后進行，及時繪制地質(zhì)素描圖、圍巖級別判定卡，與勘察資料進行對比。對已施工地段進行觀察，記錄噴射混凝土、錨桿和鋼架的的變形狀況。
　　及時對原始觀測數(shù)據(jù)進行分析和處理，及時調(diào)整支護參數(shù)、預(yù)留變形量、施工工藝、施工方法，確保初期支護變形穩(wěn)定，減少二襯混凝土超方量。
　　4.4合理預(yù)留初期支護變形量
　　由于地質(zhì)復(fù)雜，圍巖遇水膨脹等因素影響，變形量起伏較大，規(guī)律性較差，預(yù)留變形量較難合理預(yù)留。經(jīng)過綜合分析，按照下列步驟進行處理：
　　1、加大測量頻次，對有水地段、無水地段、不同類別圍巖地段初期支護變形量分類統(tǒng)計；
　　2、根據(jù)分類統(tǒng)計結(jié)果，初步確定預(yù)留變形量；
　　3、對預(yù)留變形量及初期支護變形量進行再分析，校正預(yù)留變形量；
　　4、根據(jù)前期試驗結(jié)果，對預(yù)留變形量進行再調(diào)整。
　　經(jīng)過不斷試驗和調(diào)整，歸納和總結(jié)出針對膨脹性黃土隧道的預(yù)留沉降值，拱頂預(yù)留18cm，拱腳及邊墻預(yù)留26cm。
　　通過以上措施，有效的控制了膨脹性圍巖地段初期支護的變形，同時總結(jié)出不同部位預(yù)留變形量，減少了二襯混凝土超方量。
　　5、結(jié)語
　　膨脹巖隧道施工過程中，必須加強監(jiān)控量測工作，對量測數(shù)據(jù)進行分析處理，以此作為指導(dǎo)，對施工方案參數(shù)、支護形式相關(guān)參數(shù)、襯砌形式相關(guān)參數(shù)進行修正。對于設(shè)計支護形式比較薄弱地段，及時采用加強措施，保證初支變形穩(wěn)定，確保后續(xù)施工安全順利進行。
　　在遇到膨脹性圍巖時，在施工過程中主要注意以下幾點：
　　1、“短進尺，弱爆破，強支護”。
　　2、及時的施作支護、仰拱、二襯。
　　及時支護能夠有效的限制開挖部位的圍巖的松脫變形，從而確保該部位的暫時穩(wěn)定；
　　及時封閉仰拱，可以使初支整體穩(wěn)定受力，有效抑制初支變形。
　　初期支護只能保證圍巖暫時穩(wěn)定，及時施作二襯才能從根本上保證施工安全，二襯跟的越緊，就越安全。
　　3、膨脹土在遇水的情況下才會膨脹，所以加強施工現(xiàn)場排水工作是關(guān)鍵。
　　4、人是施工的主體，加強現(xiàn)場施工人員和管理人員的質(zhì)量意識、安全意識才是根本。
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