风积沙地层隧道合理支护形式及参数研究.docx

风积沙地层隧道合理支护形式及参数研究【摘要】通过对骆驼场隧道风积段隧道合理支护形式及参数的研究，及时有效 地指导隧道施工，确保了隧道施工平安顺利地进行，也为风积沙地质条件下的 隧道施工提供了可借鉴的珍贵经验关键词】风积沙、支护参数、1、工程概况骆驼场隧道进口里程为DK3+064,出口里程为DK4+618,全长1554 m,为单线铁路隧 道，最大埋深约75 m隧道位于陕北黄土高原梁郎区与毛乌素沙漠的接触地带，地表植被不 发育，第四系黄土及沙覆盖层较薄，厚度5〜20 m隧道出口端大约有160m位于风积沙中, 风积沙段开挖高度为9.86m,最大开挖宽度为7.26m骆驼场隧道风积沙段，其风积沙不均匀 系数很小，说明级配差，粒径介于之间颗粒含量占94.5%,.沙中小于0.074mm的 颗粒含量仅为1.5%以下，粘聚力低、自稳能力差，属VI级围岩支护参数：1)拱部157°范围内设①42双层超前导管：L=4m,外插角45°的导管环向间距40cm,外 插角10°的导管环向间距40cm墙部环向间距30cm,外插角为10°超前导管搭接长度不 小于1m纵向间距1环/1m2) R25中空径向锚杆：L=3.5m,间距0.8mX0. 8m梅花形布置。

3) H6钢架:间距0.5m/幅4)中22锁脚锚杆：每根钢架设置4根L=4m锚杆2型钢与格栅的适应性分析喷锚支护是当前隧道建设中采用最为广泛的形式之一当隧道的围岩条件较差时，初期 支护内一般增设钢拱架或钢格栅以加强支护强度《铁路隧道设计规范》中并未对二者进行 区分，并统称为钢架但二者有着显著的差异困此，二者对风积沙隧道的适应性研究具有 一定的实用价值和参考意义由于初始释放荷载(20h内)对二者的选取具有重要影响为此，本课题结合骆驼场隧 道施工过程中的实测数据进行了分析；并以此结果对二者的选择依据进行了比照和验证以便选择风积沙隧道合理的支护形式本文以骆驼场隧道风积沙段DK4+560断面的监测数据为基础进行分析；分析内容包括 钢拱架内力、初衬与围岩压力、初衬收敛及拱顶下沉量测量测数据开始于2007年1月20 日(拱腰)，6月8日(拱脚)；截止到2007年10月16日2.1初始释放荷载分析一、钢拱架内力实测数据(1)初期支护承受相当局部的压力荷载，上导洞开挖后下导洞开挖前，最大内力值约为 6.38KN;其中拱腰处承受的荷载比拱脚处大.(2)作用在初期支护上的初始荷载不容忽视;拱腰处分担比例较大，占总量22.41%;拱脚相 对较小，约占总量11.23%。

如表1所示表1初始钢拱架内力占总内力的比例位置初始值/KN终测值/KN所占比例％拱腰1.436.3822.41拱脚0.211.8711.23二、初衬与围岩间压力实测值(1)拱腰附近的初始荷载较大，而且荷载释放较快占总压力的17.62%.⑵拱脚荷载释放比拟缓慢,其初始荷载仅占总量的9.44%表2初始围岩间压力占总内力的比例位置初始值/Kpa终测值/Kpa所占比例％拱腰43.7247.917.62拱脚15.9168.49.44三、拱顶下沉和收敛数据分析(1)收敛测值比拱顶下沉测值对初期变形更加敏感,前者是后者的两倍；⑵初始荷载作用在初期支护而产生的初始收敛变形占累计变形的15.3%;⑶初始拱顶下沉占累计变形的7.8%.⑷隧道总拱顶下沉及收敛值偏大，说明设计采用的116型钢架刚度缺乏 表3拱顶下沉和收敛的初始变形比例位置初始值/mm终测值/mm所占比例％拱顶下沉-1.98-25.47.8拱脚收敛-3.5623.415.32. 2初始释放荷载规律综合以上两组数据分析结果，得到以下规律：(1)初期支护承当较大的初始释放荷载，它能够有效约束围岩早期的快速变形.(2)两组数据反映出类似的规律;即不同的元件测出的初始荷载分担比例基本相同，拱腰 处为20%左右,拱脚处10%.(3)拱腰的初始荷载分担比例大于拱脚.(4)拱腰处围岩压力初值略小，但拱脚处正常;这是由点到面拱腰处不易施工和元件埋设, 介质相对松散，发生较大的变形后才有明显测值;监测中这种现象较为普遍.2. 3钢拱架和钢格栅支护分析一、钢拱架与钢格栅作用钢拱架支撑的截面大、刚度大、承受隧道开挖后的初期受力的能力强，即能有效控制隧 道开挖后的初期变形。

但是，由点到面其与混凝土的热膨胀系数不同，温度变化时，经常沿 着钢拱架产生环向收缩裂缝而且，钢拱架背后的喷射混凝土很难充填密实，这将影响支护 效果钢格栅与混凝土接触面积大，粘结效果好，能够共同变形，共同受力，不会出现收缩裂 缝由于其拱架空隙大，其后面不容易出现较大的空洞现象而且其工程造价低，经济性好 制作简单运输方便但是，抵抗初始变形能力弱，整体刚度低二、两种支护形式承载力分析采用等效作用模拟两种支护形式的承载力并对衬砌结构做如下简化：不考虑锚杆作用；计算模型为半衬砌结构；荷载全部作用在简化结构上；应力计算不考虑弯矩，只考虑轴力；考虑到围岩条件较差以及计算方便，假设图中侧压力均布且为0.5q.隧道计算基本结构如 图所示，X2图1根据《结构设计原理》平面假设、弹性体假设、换算截面原理，计算两种钢架和喷射混 凝土组合结构有极限轴力Nmax计算公式如下：Nmax= 6 i • (Ah+Eg/Eh • Ag)(1)式中：8 i为喷射税在不同时间的极限应力；Ah为喷射混凝土结构的截面积；Ag为钢 拱架或钢格栅的截面积；Eg为钢的弹性模量；Eh为喷射混凝土弹性模量找到衬砌内最危险截面(轴力最大)，结合公式(1)计算相应的极限承载力。

简化图 形中的拱形为半圆形、半径等于导坑上台阶拱架半径纵向长度1m通过计算并考虑到n=2的平安系数后，两种支护情况下的上覆容许荷载，在20h后钢 拱架的极限荷载为0.115Mpa,钢格栅为O.lOOMpa而对骆驼场隧道拱架的实测值为 o结论：结合以上分析和骆驼场隧道拱顶下沉、收敛较大的情况，并考虑一定的平安系数，得出 如下结论：(1)钢拱架支撑的截面大、刚度大、承受隧道开挖后的初期受力的能力强，即能有效控制隧道开挖后的初期变形因此，钢拱架比钢格栅较为适应对风积沙隧道的支护2)原设计采用的116型钢钢架刚度缺乏，施工中将钢架变更为120型钢3、超前锚杆支护效果分析及对策原设计超前支护参数：拱部157°范围内设①42双层超前导管：L=4m,外插角45°的导管环向间距40cm,外 插角10°的导管环向间距40cm墙部环向间距30cm,外插角为10°超前导管搭接长度不 小于1m纵向间距1环/1m注单液浆3.1 超前锚杆支护效果分析当上导坑掌子面越过大管棚支护范围(DK4+611- DK4+581)进入一般断面缺乏2米时 (DK4+579.5)拱部左侧突然涌沙,整个过程持续2分钟，同里程地表塌陷形成了一个深1.5m, 横向5m,纵向4m的一个坑。

对掌子面进行封闭注浆加固后按原设计的超前支护参数继续进行 开挖后，在DK4+575和DK4+573处又连续发生两次较大的涌沙，地面陷坑也随之加深并扩 大同时在进行中导坑施工时也出现拱背流沙现象见图2、图3、图4)3.3原因分析3.3原因分析1)超前导管注单液浆对土体固结的效果不明显，达不到在拱顶形成一个承载圈的目的2）由于注浆效果不明显，拱部1570范围内外插角45°的①42超前导管在施做时反而 对沙层起到了切割和扰动的作用有时甚至直接导致流沙的发生见图2）3）拱部外插角10°的导管环向间距过大，是造成少量流沙的主要原因当有少量流沙产生 时如不及时封堵易诱发大量涌沙产生4）边墙部位超前导管施作时对沙层的扰动和切割作用不会引起流沙的产生反而对提高注浆效 果很有利对防止拱背流沙可以起到很好的作用3.4 支护参数变更通过对流沙产生的原因进行分析，可以看出，对于风积沙隧道施工来说， 超前导管很难通过注浆而在拱部形成一个环状体从而使导管和土体共同发挥作 用以承受围岩压力因此，在对超前导管支护参数进行调整时应加强超前导管 的棚架作用，改变导管与土体共同作用的设计理念为突出导管主动防预的棚架 作用，即拱部双层超前导管改为密排单层小导管，边墙单层超前导管改为双层 小导管。

变更后的具体参数为：变更后超前支护参数：超前导管住单液水泥浆改注水泥-水玻璃双液浆，以 此来挺高浆液固结强度及缩短固结时间，从而来抑制流沙现象的发生；拱部超 前支护全部采用外插角为5〜10°、@42 mm小导管，长度为3.5 m,环向间距 中到中20 cm,纵向间距1环/0.5m,搭接长度不小于2 m,边墙超前支护采用6 42 mm双层小导管（45°、5〜10° ） 1环/1m,环向间距不变在随后的上导坑开挖实践证明，从DK4+573处开始采用变更后超前支护参 数进行上导坑开挖时再没有发生拱顶流沙、涌沙现象，拱背流沙的现象也明显 减少确保了风积段隧道施工平安为隧道施工的顺利进行发挥了很好的作用4风积沙地层的锚杆作用效果分析20世纪初，美国创造了矿山巷道的错杆支护方法这种方法经过十几年的开展，到1940 年前后，在世界各地的隧道施工开始流行并在实践中不断开展，像锚网、锚网喷、锚带网、 锚注等，较为先进的支护技术已被广泛采用4.1 锚杆支护作用原理一、挤压加固作用如将锚杆沿隧道拱部周边按一定间距径向排列，在预应力作用下，每根锚杆都形成以锚头 和紧固局部为顶点的锥形体压缩区，每根锚杆周围形成的锥形体压缩区，彼此重叠联接,便在围 岩中形成一个均匀连续压缩带，.这就是挤压加固拱或称为次承载区.压缩带厚度随着锚杆长 度、环向间距缩小、锚杆端部约束加强以及岩体强度的提高而变厚，同时承载力提高。

它不 仅能保持自身的稳定，而且能够承受地压，防止上部围岩的松动和变形为了在围岩中形成 一定厚度的挤压加固拱，一般情况下，锚杆长度应大于两倍锚杆间距，预应力作用在于，一 方面增大了岩体的粘结力，提高了岩体强度另一方面，通过锚头和垫板对围岩产生的压应 力，改善了围岩的应力状态，从而使岩体强度提高二、组合作用隧道拱部以上围岩的层状顶板在荷载的作用下,将发生较大的弯曲变形和层间错动.假设用 锚杆穿过并把它们紧固,各层之间便相互挤压，层间摩擦阻力增加，在外荷载作用下，层间不再发 生离层错动，抗弯抗剪强度增强，这样大大提高了围岩的承载能力.锚杆本身还起到抗剪销钉的 作用，能更加有效地阻止岩层的层间错动三、悬吊作用锚杆支护的悬作用表现在用锚杆将软弱岩层或危岩悬吊于完整坚固的岩体上，由锚杆承 担软岩或危岩的重量，以到达稳定拱部的作用.锚杆支护作用并非各个独立，一般是同时并存综合作用，只是在不同地质条件下某种作用 占主导地位.4.2 锚杆在风积沙隧道中的作用与支护效果分析锚杆支护和以锚杆支护为主的组合或联合支护,设计理论尚不成熟，由于风积沙颗粒不 均匀系数小、粘力小、自稳能力差，在进行锚杆参数确定时通常采用的钢筋抗拉能力与水泥 浆粘结力相等的等强原那么对于风积地层并不适用。

锚杆的紧固力很小无法形成以锚头和紧固 局部为顶点的锥形体压缩区或者作用非常有限这样在拱部120度范围内将无法形成次承载 区由于风积沙结构松散、自稳能力差锚杆的组合作用及悬吊作用也将无法发挥实际在进行风积沙径向锚杆施工时，由于钻孔作业对拱部沙层的扰动，还经常诱发拱部出现流沙或漏沙.严重时甚至造成拱部出现大量涌沙，造成隧道拱部以上出现局部空洞，在随后的 施工中不得不进行注浆处理.综合以上分析说明：(1)锚杆在风积沙地层中对围岩的挤压加固作用有限，不能在围岩中行成次。