臺階法施工軟弱圍巖隧道時拱腳穩定性處理措施研究

王小鳳

摘 要：通過對隧道軟弱圍巖地段變形規律的歸納，概括當前控制軟弱圍巖變形的對策，結合都貴德勒隧道施工實踐，就臺階法施工軟弱圍巖隧道時如何保證拱腳穩定性提出幾點思考建議，以期能為類似工程提供參考。

關鍵詞：隧道；軟弱圍巖；拱腳變形

都貴德勒隧道位于西烏珠穆沁旗白音郭勒鎮境內，總長4800m，屬淺埋隧道，穿越底層復雜，主要施工難點包括：大面積富水區、大量涌水段、大量滲水段、斷層破碎帶以及膨脹土圍巖地段。該隧道大部分區域地處軟弱圍巖地段，且在DK9+400～DK9+970；DK10+110～DK10+330；DK13+690～DK14+100等地段圍巖具有中強膨脹性，在施工過程中出現不同程度的開裂、內擠、坍塌、沉降、底鼓等破壞，嚴重影響了施工進度和質量，本文闡述該隧道在特殊地質地段采取的變形控制手段，結合監控量測資料從提高拱腳穩定性的角度，提出幾點自己的思考。

1 圍巖變形基本規律

1.1 掌子面前方先行位移 掌子面先行位移，是指在開挖掌子面前方大約1.5倍跨徑范圍開始發生的位移，先行位移隨掌子面推進而發展，在掌子面處產生最大值。通常情況下，先行位移可占隧道總變形量的20%～30%左右，其值隨圍巖性質變差而增加，當其值大于全位移的30%～50%范圍時，若不加以控制，則會誘發更大變形，這也是軟弱圍巖要實施超前支護的原因。

1.2 掌子面擠出位移 施工過程中，掌子面擠出現象較為常見，擠出位移超過極限值，掌子面很有可能會面臨崩塌，這是施作掌子面錨桿、開挖過程留核心土的主要原因。

1.3 掌子面后方位移 掌子面后方位移，通常通過施作初期支護來遏制，從后方位移的動態發展曲線看，其特點在于初始階段變形量及發展速度很大，因此控制后方位移的關鍵在于控制其初期速度。對于掌子面后方位移，通常通過初始位移速率、拱頂下沉等來描述。

1.4 全位移 圍巖開挖后的變形指的是全位移，包括掌子面到達前的先行位移、掌子面開挖后到監控量測開始前的初始位移，以及掌子面通過后實際的量測位移，因此全位移=先行位移+初始位移+量測位移，而開挖所允許的最大位移=全位移值/安全系數，即在初始位移和先行位移固定的前提下，可以由量測位移的變化間接反映圍巖全位移。

1.5 變形控制策略 針對先行位移的超前支護、針對掌子面擠出位移的掌子面補強策略以及針對掌子面后方位移的拱腳補強技術，各類位移控制策略匯總如下：

2 都貴德勒隧道變形控制

2.1 膨脹巖地段變形控制策略 ①超前注漿及徑向注漿，提高洞身整體強度，抵抗先行位移發展，降低圍巖自身壓力。②設置柔性承力層，允許圍巖在一定范圍內發生變形，加大預留變形量，在仰拱底部加大碎石粉煤灰墊層厚度，以提高其吸水及抗變形能力，防止圍巖水或施工用水在仰拱匯聚，造成仰拱開裂底鼓。③加強洞內防排水管理，及時抽排洞內積水，嚴控施工用水量，采用無水鉆孔技術，嚴禁高壓水沖孔，必要地點設置排水溝。④提高初期支護強度，盡早封閉成環。⑤加強監控量測，及時對監測信息加以分析，確定襯砌施作時機，修正初支參數。

主要的監測項目：日常觀測、地表下沉、拱頂下沉、凈空收斂、仰拱隆起等，在膨脹性圍巖地段，增加拱腳下沉和拱腰收斂。

2.2 監控量測分析 在施工工程中，發現在VI級圍巖膨脹土地段，拱腳和拱腰位置變形嚴重，為保證該部位支護結構強度，在該段圍巖處增加拱腳沉降及收斂項目，監測發現部分斷面拱腳下沉及收斂明顯，同時該部位開挖后掌子面擠出現象突出，分析其變形原因在于：①拱腳位置變形明顯，與下臺階掌子面的縱向擠出變形有關；②臺階法施工中，上半斷面開挖后及時施作支護，此時壓力通過上半斷面拱腳傳遞至下臺階，隨著開挖的持續進行，圍巖壓力逐漸增大，當上臺階地基承載力或支護結構剛度不足時，則出現拱腳下沉現象。③隨著下臺階的開挖，造成上臺階支護結構暫時懸空，此時初支結構隨圍巖變形整體下沉，另外即使在初支封閉之后，受軟弱圍巖流變影響，該下沉趨勢依然會持續一段時間。

3 軟弱圍巖隧道拱腳穩定性處理

3.1 拱腳穩定性處理技術 目前通常采用的拱腳穩定性控制措施有鎖腳錨桿或錨管、拱腳圍巖補強注漿、增設臨時仰拱以及設置擴大拱腳支護、噴射砼加固拱腳等，日本也有利用鉆機設置拱腳彎曲鋼管樁或采用高承載力拱腳支撐鋼管，控制拱腳下沉的形式。

3.2 臨時仰拱支護 通過對有未設置臨時仰拱的拱腳下沉和收斂量測試，發現隨著開挖步距的增大，設置臨時仰拱地段，拱腳下沉量與未設置臨時仰拱地段相比差異不大，而拱腳的水平收斂量較未設置地段顯著減小。

3.3 擴大拱腳支護 通過對V、VI級圍巖地段擴大拱腳地段和標準臺階地段拱腳、拱腰收斂、拱頂及拱腳下沉監測數據的分析，發現在設置擴大拱腳地段，拱頂下沉現象明顯改善，而洞身水平收斂值也有所減少，V級圍巖測試段，拱頂沉降減少了54%，而水平收斂減少了約20%，VI級圍巖測試段，減少的幅度較V級圍巖略少，沉降量減少47%，而水平收斂減少11%。

4 總結

①從軟弱圍巖特性出發，分析臺階法施工隧道開挖后圍巖的基本變形規律，針對不同位移的產生機理，整理變形控制策略。②通過都貴德勒隧道施工監控量測資料分析，發現拱腳失穩對隧道結構整體穩定性影響重大，結合施工概況，分析拱腳失穩的機理。③分析現有拱腳穩定性控制技術，結合試驗段監測資料，認為采用臨時仰拱技術，對改善洞身收斂效果明顯，而采用擴大拱腳支護形式對抑制拱頂及拱腳沉降作用顯著。