略论隧道剪刀段的支护实验

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1工程概况

隧道进口里程DK422+816，大跨加宽段最大开挖跨度21．01m，高度15．82m，开挖面积达270m2，至DK423+505里程处变化为左、右线两座隧道直到出口，连拱段长80m，至DK423+585里程处变化为小净距隧道。燕尾段处于F4断层影响带范围之内，F4断层产状165°∠60°，与线路交角约为45°;断层以密集节带的形式表现，局部沿节理面产生水平滑移，地表宽度约为3m，长度为800m;该断层为左旋平移断层，其上盘影响宽度约为20m，下盘影响宽度约为10m，在影响范围之内的岩石节理裂隙相对发育，岩石破碎，地下水为构造裂隙水，较发育，为强富水区。大跨段属煤系地层，局部含软弱夹层，Ⅳ级围岩;连拱段受F4断层影响明显，主要为Ⅳ级围岩，局部Ⅴ级。其中大跨段采用三台阶法开挖，连拱段采用中导洞超前，右洞全断面先行开挖施工。

2现场监测方案设计

燕尾式隧道作为一种典型的隧道结构型式，同时具备多种隧道结构型式的特点。大断面隧道由于形状扁平，开挖后围岩稳定性变差，围岩应力更集中，松弛压力更大;连拱隧道施工工序繁多，施工干扰大，左右两洞相互影响明显。因此，加强对隧道燕尾段的现场监测显得十分必要，是快速安全施工的重要保证手段。现场围岩压力测试，锚杆轴力采用锚杆计量测，初喷混凝土层应力，钢拱架应力采用钢筋计量测。

3现场监测试验研究结果分析

通过接触压力时程曲线可以看到，当上台阶开挖后，围岩与初支接触压力以较大速率增长;当中台阶进行开挖并通过该测量断面过程中，拱顶和拱腰处围岩压力均出现一定程度的回弹，继而又以一定的速率增长;这是由于中台阶开挖后，使上台阶钢拱架拱脚处失去了部分支撑反力造成的，所以应加强上台阶钢拱架与锁脚钢管的牢固焊接，确保上台阶钢拱架在未与中、下台阶钢拱架闭合前有较大的承载能力;下台阶开挖对该测量断面上部围岩压力影响较小。大约40d后，围岩压力进入平缓期。为该断面最终围岩压力分布图。从该断面最终围岩压力分布图可以看出:本断面最大围岩压力发生在拱顶处，围岩压力为0．238MPa，断面围岩压力大小总体上为:拱顶＞拱脚＞拱腰＞墙脚＞仰拱＞边墙，围岩压力已基本趋于稳定;拱顶处围岩压力大于左右拱腰处的围岩压力，说明侧压力系数小于1。一般的经验公式证明，深埋隧道左右两侧拱腰所受压力相同，并且小于拱顶围岩压力，这与实际测量结果基本吻合。连拱段围岩压力监测结果分析隧道连拱段以中导洞超前，右洞全断面先行开挖施工。分别为右、左洞围岩与初支接触压力时程曲线从接触压力时程曲线可以看出:右洞最大围岩压力发生在拱顶位置处，约为0．355MPa，而左洞最大围岩压力则出现在右拱腰处，约为0．244MPa，两洞围岩压力最大值均出现在靠近中隔墙上方岩体处，说明中隔墙上方岩体扰动明显，是连拱段较为薄弱的环节。当左洞进行开挖时，右洞左拱腰处围岩压力急剧增大，当左洞开挖面通过该监测断面一定距离后，右洞左拱腰处围岩压力才趋于稳定。由于连拱段右洞先行开挖施工，使得周围岩体的内部应力得到一定程度的释放，加之后行左洞侧开挖面不断推进产生的空间效应，使先行右洞的围岩压力普遍大于左洞。

4锚杆轴力分析

大跨断面与连拱断面锚杆轴力分布所示，通过锚杆轴力现场测试结果可以看出:大跨段锚杆轴力最大值为55．2kN，发生在左拱腰位置;连拱段锚杆轴力最大值则出现在中隔墙上方，约为52．0kN，说明该区域内岩体稳定性差，为连拱段较为薄弱环节，这与围岩压力监测结果相吻合。纵向来看，大跨段锚杆轴力值普遍大于连拱段，这是因为大跨段开挖跨度大，松动区内的节理裂隙、破裂面更易扩展。单根锚杆轴力最大值多发生在深度为2～3m的位置，表明锚杆设计长度合理，有效穿透围岩松弛带，起到了加固松动区岩体的作用。锚杆为全长粘结砂浆锚杆，其设计最大承载拉力为100kN，压力为50kN，实际监测锚杆轴力值均小于设计值，锚杆锚固力还有充分富余。一般情况下，锚杆多承受拉力作用，只有在极少数情况下，锚杆才承受压力且压力值较小。钢拱架应力分析从钢拱架应力监测结果来看，大跨监测断面钢拱架最大应力出现在左拱脚位置，应力值为95．973MPa，右拱腰处应力值次之，为93．049MPa;右侧应力分布较左侧均匀。连拱段监测断面先行右洞钢拱架最大应力出现在左拱腰处，右拱腰和右边墙处次之，拱顶位置最小;后行左洞左边墙处钢拱架应力最大，左拱腰处最小，应力值分别为66．965MPa，52．673MPa;后行左洞钢拱架应力分布较先行右洞均匀。纵向来看，大跨段钢拱架应力普遍大于连拱段钢拱架应力;钢拱架应力均在其强度容许范围之内，并且有充分的富余，可以保证隧道整体稳定性。初喷混凝土层应力分析燕尾段初喷砼层应力测试结果可以看出，大跨断面初期支护混凝土最大应力发生在拱顶，总体来看右侧大于左侧，与钢拱架受力情况较为吻合。连拱段面右洞初支混凝土应力最大值发生在拱顶处，左洞最大应力出现在左拱腰处。初支混凝土属柔性支护，允许围岩发生一定的变形收敛，普遍受到压力作用，并且应力分布较为均匀，所承受载荷均在混凝土设计强度范围之内。

5结论

连拱断面初支与围岩接触压力较大值均出现在中墙上方岩体附近，后行左洞围岩压力普遍小于先行右洞，大跨断面开挖边界较连拱断面更为平滑，应力集中程度小于连拱断面。大跨断面锚杆轴力普遍大于连拱断面，锚杆多承受拉力作用，并呈现两头小，中间大的轴力分布特点，监测数据显示锚杆支护参数存在进一步优化的空间。初喷砼层属柔性支护，协调围岩变形，钢拱架属刚性支护，阻止围岩过度变形并承受大部分松弛载荷，初喷砼层与钢拱架均承受压力作用，大跨断面支护应力大于连拱断面。根据监控量测数据统计分析反馈，隧道燕尾段支护体系受力均在材料设计强度允许范围之内，燕尾段整体稳定性较好，表明隧道燕尾段施工方法、施工工艺均合理有效。

作者：宋杨娄国充高云娇单位：石家庄铁道大学