軟巖隧道初支拱架S 形變形原因分析及對策

李占先

(中鐵十四局集團有限公司，山東濟南 250014)

0 引言

軟弱圍巖是指用通常的初期支護及簡易的小導管支護不能控制開挖后的圍巖變形，而需要采用“有針對性地控制變形對策”(即所謂的輔助工法)的圍巖［1-3］。軟弱圍巖隧道地質條件復雜，施工中不可預測變形的因素較多。目前，國內外很多學者及研究人員針對錨桿及鋼拱架對圍巖的支護作用效果進行了有益研究［4-6］，盡管很多科研人員和施工人員對其不斷研究總結，形成了治理軟弱圍巖隧道病害的常規技術，但對于軟弱隧道圍巖鋼拱架變形破壞方式及原因仍然認識不清［7-10］。為此，文章結合云桂鐵路軟弱圍巖隧道工程，對硐室初支“S”形變形進行分析和總結，并制定其對策，從而使硐室變形得到有效控制，確保了隧道施工安全。此研究具有重要的現實意義與理論指導意義，可為今后類似軟弱破碎圍巖工程建設提供參考。

1 工程概況

新建云(昆明)桂(南寧)鐵路那達二號隧道為雙線隧道，進口里程為DK172+326，出口里程為DK173+250，全長924 m，隧道最大埋深約為72 m。全隧為Ⅴ級淺埋段，除明洞外其余地段均采用Ⅴ級B型復合襯砌。進口13 m明洞，臺階式洞門，出口15 m斜切延伸段，斜切式洞門。隧道地層巖性:上覆第四系全新統坡殘積層粉質粘土，下覆基巖為三疊系中統百逢組第四段(T2b4)頁巖夾砂巖;地質構造:隧道范圍內左側有右江大斷裂，巖層有扭曲，節理較發育，多呈張開型，節理面充填少量褐黃色粘土。隧道最大埋深45 m，地表無較大的起伏變化，絕大部分埋深約32 m，屬淺埋隧道。

初期支護參數:全環工型鋼鋼架(型號為Ⅰ20)及拱部超前大管棚(型號為φ100)或超前小導管預注漿加強支護，拱墻為C25纖維混凝土，仰拱為C25素混凝土，均為26 cm厚，φ8鋼筋網(網格20 cm×20 cm)，拱墻錨桿長度為4 m，拱部和邊墻分別采用φ25，φ22中空注漿錨桿，邊墻φ22中空注漿錨桿。

2 施工過程中變形情況

根據那達二號出口斷面DK172+955斷面的監測數據分析，其開挖后20 d左右圍巖的位移收斂情況如圖1所示。

由圖1可知:1)DK172+955的拱頂三個點的累計沉降在開挖后3 d出現較大的位移，拱頂1的回彈最大，拱頂2和拱頂3均出現一定程度的回彈，是由于圍巖從三向應力狀態在較短的時間內轉化為平面應力狀態，其首先要在應力缺失的一面發生較大的位移，其次圍巖的變形對其周圍的圍巖會起到一個約束作用，圍巖與圍巖之間會相互制約，從而達到一個新的平衡，這就是圍巖的自穩能力。2)隧道的偏壓會對洞頂三個點的位移產生不同的影響，圍巖應力較高的一側會抵消一部分圍巖的自我約束力繼續下沉變形，而圍巖應力較低的一側會受到圍巖應力較高一側的反推作用，產生較大的回彈位移;初期支護增強了圍巖的整體強度，并能對圍巖提供一定的支護反力，發揮圍巖的自我穩定作用，這種圍巖和支護結構的相互作用，直到支護提供的阻力與圍巖作用力達到平衡為止，是一個空間與時間的變化過程，從而形成一個力學上的隧道圍巖穩定結構體系。

圖1 DK172+955拱頂累計沉降時程曲線圖

客觀上該段隧道埋深較淺僅25 m，地表有一自右至左的溝槽，且洞身位于半山坡位置，屬地勢偏壓。洞內圍巖強風化，圍巖破碎，有地下水滲出，軟化了圍巖，圍巖松動圈增大，自成拱能力降低，初期支護承受了較大的圍巖持續變形壓力。

對于上述工況采用FLAC3D軟件進行數值模擬，本構關系采用摩爾—庫侖模型，選用八節點六面體網格單元，單元數為4 521個。

與此同時，針對那達2號隧道圍巖穩定性開展了相應的數值模擬研究，圖2，圖3分別給出了隧道圍巖開挖后應力和位移分布圖。由圖可知:1)在隧道開挖后，初期支護結構承受應力分布不對稱;2)由于支護結構受力的不對稱性，從而造成隧道圍巖變形的不對稱。以上分析結論與現場監測數據所得到的結果基本一致。

圖2 隧道開挖后豎向、水平應力分布圖

圖3 隧道開挖后豎向、水平位移分布圖

3 應對措施

針對軟弱圍巖隧道施工過程中，基于支護結構變形、圍巖變形及數值分析，揭示了隧道初期支護結構——鋼拱架S形變形原因，以此結合現場施工工藝與隧道地質條件，采用以下施工措施:

1)上臺階掌子面暫停掘進施工，且掛網噴錨封閉。

2)中臺階增設工型鋼臨時仰拱與大拱腳內斜撐，且型鋼間掛網噴射混凝土厚24 cm。

3)加強已施工襯砌到掌子面段之間的圍巖監控量測，及時掌握圍巖變形情況，以便采取應急處理措施。

4)鋼架變形段DK155+326.3～DK155+317.1用斷面儀檢查初期支護斷面，看其是否侵限。若侵限，則做換拱處理。當換拱時，考慮到該段已經變形，在換拱前對該段進行徑向小導管注漿加固，小導管長度4.0 m，間距0.8 m ×0.8 m，梅花形布置，注漿壓力0.5 MPa ～1.0 MPa，1∶1 水泥漿液。注漿完畢后，施工該段仰拱，待仰拱施工完畢后，跳模施工該段襯砌，待前一模襯砌施工完畢后再逐榀拆除侵限段鋼拱架，換拱完成后施工該段二次襯砌。

5)當掌子面恢復掘進施工時，為減少爆破震動對圍巖的影響，采用破碎錘破除圍巖。為增強鋼架承受圍巖壓力的能力，鋼架間距由原設計的0.8 m/榀調整為0.6 m/榀，加強鋼架整體受力能力，在鋼架內側增設縱向φ22螺紋鋼作為連接筋，環向間距1.0 m。

6)控制上、中、下三臺階的長度均在5.0 m以內，初期支護在盡可能短的時間內形成閉合結構，仰拱、襯砌緊跟施工。

7)增加預留變形量，預留量由以前的30 cm，調整至40 cm，允許圍巖有較大的變形，防止因變形過大，預留量不足導致初期支護侵限。

4 結語

文章結合軟弱圍巖隧道實際工程，通過現場監測分析、支護結構變形分析和數值分析等技術手段，揭示了隧道初期支護結構——鋼拱架變形機理，進而針對那達2號隧道施工工藝提出了有效的施工措施和注意事宜，遏制圍巖的進一步變形，防止安全質量事故的發生。由上述分析得出的結論是:

1)由于噴射混凝土撓度變形小，圍巖應力分布不均勻，當圍巖應力過大時，使得噴射混凝土不均勻受力，造成變形開裂。

2)初期支護中，由于噴射混凝土、鋼架、錨桿、鋼板等變形不協調，致使連接鋼板以上50 cm～150 cm范圍內，鋼架剛度不足呈現“S”變形。

3)以上研究成果，對類似工程的施工起到重要的指導和借鑒，具有重要的研究意義和應用價值。

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