高应力区临河硬岩双线隧道围岩脆性破坏的支护方法

摘要

本发明高应力区临河硬岩双线隧道围岩脆性破坏的支护方法。包括：1）确定岩爆高危区域在隧道横截面上的平面位置，确定临河侧围岩和临山体侧围岩；2）前方围岩尚未开挖时，向掌子面前方、岩爆高危区施做超前锚杆支护；3）临河硬岩双线隧道的开挖：4）临河侧围岩采用强支护，喷锚支护，5）隧道临山体侧围岩采用常规支护；6）隧道整体挂设钢筋网，施做二次衬砌；7）隧道底板的施作。本发明方法克服了高应力区硬岩隧道支护材料过多的问题，解决了高应力硬岩隧道脆性破坏、节约支护成本，适用于各种公路、铁路等高应力区临河双线隧道工程。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种高应力区临河硬岩双线隧道围岩脆性破坏的支护方法。

背景技术：

高应力区硬岩隧道脆性破坏常伴随着岩体的高能量快速释放，出现突发性、能量快速释放、难以预测性等特点，对隧道施工人员和设备造成极大危害。至今，国内外对高应力区硬岩隧道的脆性破坏处理多为围岩的支护技术，归纳起来，主要为对围岩进行强支护，防止围岩的能量释放，包括布设短而密的摩擦型锚杆、喷覆具有较强韧性的柔性混凝土等。这些措施在国际上很早就进行了应用，且在国内的锦屏二级引水隧道、二郎山隧道、秦岭隧道、太平驿水电站引水隧洞，加拿大Mine—By、瑞典APSE硬岩隧道等工程中也进行过应用，积累了丰富的经验和技术，但对于洞径较大的双线隧道而言，全断面的强支护方法造成支护成本上升，围岩变形控制不协调。从已有的工程应用效果反馈可知，仅仅依赖单一的强支护无法达到完全控制大断面围岩的脆性破坏，对于具有较强方向性的高应力区临河双线隧道的脆性破坏，全断面整体强支护方法在经济上较为浪费。

当前所有的硬岩隧道脆性破坏控制技术均是针对隧道全断面而提出的，而高应力地区的临河岩体应力场具有强烈的方向性，最大主应力平行于河谷坡面，在临河区修建双线隧道，隧道的围岩力学行为具有强烈的方向性，即围岩脆性破坏的部位与最大主应力方向垂直。传统的全断面强支护系统的控制能力不协调，且过强的支护控制措施意味着大量的支护作业，造成资源浪费和施工时间过长，既不经济也不高效。故当前国内外对于高应力区临河双线硬岩隧道的围岩支护基本处于空白状态。随着公路铁路等交通工程中高应力特长穿山隧道越来越多，高应力区双线硬岩隧道也日益增多，因此，该问题亟待解决。

发明内容：

针对上述存在问题，本发明的目的是为了提供一种克服全断面强支护带来的隧道变形不协调且隧道支护材料过多不经济的问题，充分利用临河隧道围岩变形破坏的方向性，达到既能控制围岩的脆性破坏、保证施工安全，又能控制围岩的协调变形，施工建设效率高，节约成本的高应力区临河硬岩双线隧道围岩脆性破坏的支护方法。

本发明的目的是这样来实现的：

本发明高应力区临河硬岩双线隧道围岩脆性破坏的支护方法，包括以下步骤：

1）通过坡面与隧道位置的关系图，确定脆性破坏高危区域在隧道横截面上的平面位置，确定临河侧围岩和临山体侧围岩；

2）前方围岩尚未开挖时，向掌子面前方、脆性破坏高危区施做超前锚杆支护；

3）临河硬岩双线隧道的开挖：临河侧局部围岩进行超挖施工，临山体侧围岩进行正常开挖；

4）隧道临河侧围岩的支护采用强支护措施，并进行及时喷锚支护；

5）隧道临山体侧围岩采用常规施工和支护作业；

6）隧道整体挂设钢筋网，喷射普通混凝土并施做二次衬砌；

7）隧道底板的施作：先施作临河侧的底板，再施作临山体侧的底板。

上述的临河硬岩双线隧道地处最大主应力大于20MPa的地应力环境。

上述的临河侧围岩为平行于河谷坡面靠临河侧方向的隧道围岩。

上述的超前锚杆为摩擦型锚杆，入射角度β为锚杆与隧道中轴线的夹角，入射角度选取30°～60°。

上述的临河侧围岩超挖位置为：θ=90°～α

其中θ为超挖部位与隧道形心连线与水平线的夹角，α为河谷坡面与水平面的夹角。

上述的临河侧超挖部位进行0.2～0.3m的弧线超挖，超挖轮廓线保持平滑。

上述的临河侧围岩超挖后，对揭露的开挖面进行及时的喷射钢纤维混凝土，喷层厚度为5～10cm，对围岩进行系统锚杆支护，布置摩擦型锚杆，摩擦型锚杆长度为3～5m，间距为1.5m×1.5m，整体挂设钢筋网，复喷5～20cm厚的普通混凝土。

上述的临山体侧围岩开挖后，对围岩进行喷锚支护，布置机械式锚杆，机械式锚杆长度为4～8m，间距为2.5m×2.5m，复喷5～20cm厚的普通混凝土。

上述的隧道底板的施作是隧道仰拱浇筑回填以及路面结构的修建。

本发明采用对隧道临河侧和临山体侧进行不同的支护方法，临河侧围岩的强支护使得平行于河谷坡面的应力和能量得以预调整，可有效控制围岩的脆性破坏程度，同时对临山体侧围岩进行常规支护，二者施工使隧道支护完成后围岩具有相同的协调变形，且隧道支护成本大大降低，大大提高了施工效率。本发明的支护方法解决了高应力区临河双线隧道施工过程中强支护带来的不合理和不经济、同时也提高了双线隧道的施工建设速度，具有强的经济效益和社会效益。适用于各种公路、铁路等高应力区临河双线隧道工程。

附图说明：

图1是本发明临河双线硬岩隧道的强弱支护截面示意图。

图2是本发明的超挖洞段的位置示意图。

图3是本发明的脆性破坏洞段的支护图。

图4是本发明图3中沿隧道中线纵向I—I截面图。

具体实施方式：

本发明针对图1高应力下临河硬岩双线隧道的特殊情况进行研究，临河硬岩双线隧道地处最大主应力大于20MPa的地应力环境。本实施例的双线隧道设计开挖断面直径为10m。高应力状态下大直径的硬岩隧道开挖，使得岩体围岩的聚集的高能量突然释放，诱发围岩发生突发性的脆性破坏，严重威胁施工人员和设备的安全。本发明采取重点部位重点防治，以及与整体支护相结合的支护方法，力求安全经济地解决类似隧道工程的中等以下脆性破坏的支护问题。

本实施例临河硬岩双线隧道围岩脆性破坏的支护方法包括以下步骤： 

（1）隧道围岩的支护分为两部分，隧道围岩临河侧围岩实行强支护，临山体侧围岩实行弱支护。根据地质资料确定山坡坡面与隧道的位置关系如图1，确定临河侧围岩2和临山体侧围岩3，由过隧道截面形心且平行于坡面1的线4划分两区域。

（2）双线隧道临河侧围岩的超前支护和超挖的A、B位置，根据河谷坡面1和隧道形心位置确定。“V”型河谷坡面的地应力场具有一定的规律性，最大主应力场平行于坡面1，而隧道开挖后硬岩的脆性破坏的位置A和B与最大主应力场的方向密切相关，A和B发生在平行于坡面1的隧道洞壁位置。因此，隧道需要进行超前支护和超挖位置也位于A、B。根据图2的关系式：θ=90°—α，其中θ为超挖部位A、B与隧道形心连线与水平线的夹角，α为河谷坡面与水平面的夹角，α角为60°，A、B与隧道形心连线与水平线的θ夹角为30°。点A、B上下范围一定区域为高危脆性破坏区域，高危脆性破坏区域范围由最大主应力和隧道直径决定，取为隧道直径的D的0.5倍，其沿洞壁的长度为5m。

（3）隧道掌子面前方围岩尚未开挖时，向掌子面前方脆性破坏高危区施作超前锚杆支护，如图3和图4中的9，锚杆采用摩擦型锚杆。由于不同支护时机情况下围岩能量释放量有较大差异，超前支护方案能量释放量比无支护方案减少70%，比滞后支护方案减少30%，表明滞后支护导致更多围岩破坏，释放更多能量，围岩脆性破坏更为严重，故对高应力下硬岩的脆性破坏进行超前及时支护。摩擦型锚杆在位移量很大时仍有较大的承载能力，故超前支护锚杆选择摩擦型锚杆。摩擦型锚杆入射角度β为锚杆延长线与隧道中轴线12的夹角，入射角度β选取30°，摩擦型锚杆直径为32mm，锚杆长度为8m，锚杆间距为1.0m，呈梅花放射型布置。

（4）隧道临河侧围岩2开挖后，对图3中的高危脆性破坏区域A或B进行适度超挖。在适度超挖情况下，虽然隧道围岩洞壁会产生有局部应力集中，但高集中应力范围较超挖前会有所下降，传力途径发生变化，高应力区会向深部发展，使得洞壁的环向应力不集中于开挖轮廓线上，而是向较深方向转移，从而降低围岩洞壁发生脆性破坏的危险性。因此，对高危脆性破坏区域A或B进行适度超挖。在本实施例中，对临河侧高危脆性破坏区域A或B进行0.3m的弧线超挖，弧线半径为4m，弧长为5m，超挖轮廓线保持平滑，超挖弧线与隧道洞壁接触处渐进平滑过渡，防止洞壁出现应力集中。

（5）隧道临河侧围岩2开挖后，对图3中的高危脆性破坏区域A或B揭露的开挖面及时喷射钢纤维混凝土5，喷射钢纤维混凝土5厚度为5cm。由于钢纤维混凝土的韧性比普通混凝土强12倍，钢纤维混凝土能允许破坏前岩体发生较大的位移，从而吸收更大的能量，更有利于防止围岩的脆性破坏。对隧道临河侧区域2的围岩进行系统锚杆支护10，布置摩擦型锚杆。摩擦型锚杆长度为5m。间距为1.5m×1.5m，整体挂设钢筋网6，复喷20cm厚的普通混凝土7。以锚杆、喷射混凝土和钢筋网为主的柔性支护系统紧贴周壁岩石布置，有助于喷、锚、网形成浑然一体的整体组合作用，相辅相成，进而起到防止或降低脆性破坏发生风险性的作用。

（6）隧道临山体侧围岩3开挖后，对围岩进行喷锚支护，布置机械式锚杆11。机械式锚杆长度为4m，机械式锚杆间距为2.5m×2.5m。复喷20cm厚的普通混凝土。隧道临河侧围岩2和临山体侧围岩3的系统支护完成后，对隧道全断面进行二次衬砌8。二次衬砌厚度为40cm，采用C40混凝土浇筑。

（7）隧道仰拱浇筑回填以及路面结构的修建，应优先施作临河侧2的隧道仰拱，再施作临山体侧3的仰拱。

上述实施例是对本发明的上述内容作进一步的说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于上述实施例。凡基于上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。