軟弱圍巖隧道掌子面穩定性模擬分析與加固處治措施

■林榮光

（福州中咨工程咨詢有限公司，閩侯　350108）

軟弱圍巖隧道掌子面穩定性模擬分析與加固處治措施

■林榮光

（福州中咨工程咨詢有限公司，閩侯350108）

本文以省道304線尤溪西城至八字橋公路改建工程吊公嶺隧道、湆頭嶺隧道為工程背景，采用有限元分析軟件對掌子面穩定性進行模擬分析，在對掌子面加固、提高初支強度等措施效果分析的基礎上，依托工程采用管棚法對掌子面進行加固，效果良好，可為同類工程施工提供一定的參考。

軟弱圍巖隧道施工掌子面穩定支護加固

0　前言

隧道軟弱圍巖的安全施工不僅要滿足工程工期要求，也是避免人員傷亡和經濟損失的有效保障。如何解決軟弱圍巖中隧道施工安全問題，提高圍巖的自穩能力，保證開挖及后續作業的正常進行，是隧道施工成敗的關鍵。

1　工程概況

吊公嶺隧道、湆頭嶺隧道兩座隧道長分別為900m和560m，隧道建筑限界為：凈寬7.5m，凈高5.0m。其中吊公嶺隧道進口落于R=610m圓曲線內，出口落于R=650m圓曲線內，圍巖分級：Ⅴ級209m、Ⅳ級級203m、Ⅲ級480m；湆頭嶺隧道進口位于直線段，出口落于R=800m圓曲線內，圍巖分級：Ⅴ級160m、Ⅳ級190m、Ⅲ級200m。隧址區洞口段隧洞圍巖以強風化花崗巖和殘積土為主，自穩能力差，當日或數日可發生松動變形，進而發生坍塌；隧洞洞身段圍巖以中風化花崗巖為主，屬較硬巖，裂隙發育一般，圍巖以巨塊狀結構或大塊狀結構為主，部分節理發育較密集，跨度5m，一般有自穩能力，數日或數月內可發生松動變形、會產生局部坍塌；局部圍巖為花崗巖和粉砂巖斷層接觸帶，裂隙發育、圍巖破碎，結構為碎鑲嵌結構為主，并有斷層泥，無自穩能力，易發生大塌方。總體圍巖級別偏低以Ⅳ、Ⅴ類圍巖為主。

以上隧道施工過程中，V級圍巖段落局部掌子面由于存在地質斷層及局部涌水量過大等原因發生過中小規模的崩塌，由于發現及時、預判準確，采取合理有效的加固措施，使掌子面崩塌問題得到及時有效的解決，確保了施工安全與工程質量。

2　軟弱圍巖對掌子面穩定性模擬分析

為研究吊公嶺隧道、湆頭嶺隧道施工圍巖穩定性問題，采用數值分析手段，建立三維模型模擬分析隧道相同條件下相向和單向施工引起的圍巖應力與位移場特征。

2.1模型建立

采用FLAC3D對隧道臨近貫通段進行模擬分析，建立如圖1所示模型（60m×60m×70m），隧道拱頂至地表取2倍隧道開挖高度（10m）。模型邊界條件：底部為固定邊界，四側面為法向約束邊界，上部邊界到地表的巖體以自重荷載的形式作用在上部邊界。為消除邊界影響，沿隧道縱向兩端各開挖 6m，初始時兩個掌子面相距58m。

圍巖采用實體單元模擬，選用彈塑性本構關系，服從莫爾庫倫屈服準則；殼單元模擬初支結構，采用彈性本構關系。超前小導管及系統錨桿均按簡化處理，圍巖參數適當提高。

相向施工的模擬步驟為：進出口同時開挖，上臺階進尺為1m，核心土、中下臺階及仰拱進尺均為2m，初期支護落后開挖面1個循環。上臺完成2個進尺后，核心土、中下臺階及仰拱依次開挖1個進尺，如此循環開挖。同時進行相同條件下，單向開挖模擬。

2.2模型計算分析

分析圍巖穩定性時，以計算所得塑性區或位移擾動區等多方面指標進行綜合分析和判斷的方式為主。從塑性區發展、圍巖變形及應力重分布等方面，分析相向施工隧道圍巖穩定性。

2.2.1圍巖塑性區

圖2為隧道縱剖面塑性區隨著兩個掌子面距離減小的變化，圖中L表示兩個掌子面之間的距離。

當兩個掌子面距離較遠時，圍巖塑性區擴展至掌子面前方5m處，此時相向施工無相互影響。隨著掌子面之間距離減小，圍巖塑性區擴展范圍逐漸增大。當L=18m時，塑性區延伸至掌子面前方 6m處；L=16m時，塑性區延伸至掌子面前方7m處；L=14m時，塑性區縱向貫通。

當塑性區縱向貫通后，若仍相向開挖，塑性區將繼續在橫向擴展。隨著兩個掌子面之間的距離繼續減小，塑性區沿著拱腰斜向外擴展，然后沿著邊墻墻角處向斜下方延伸，呈X形分布。

2.2.2圍巖位移分析

隧道超前核心土體變形是圍巖變形的真正誘因，包括擠壓突出變形、預收斂變形和收斂變形，隧道塌方多發生在核心土體滑動之后。下文對相向施工隧道臨近貫通時圍巖變形規律進行分析。

（1）拱頂沉降

兩個掌子面中間里程斷面拱頂沉降隨掌子面距離的變化，以及相同條件下單向施工時該斷面的拱頂沉降變化曲線列于圖3。相向開挖，當掌子面距該斷面為8m時，該斷面的拱頂沉降量增長顯著；當距離為5m時，拱頂沉降量陡增，圍巖存在失穩的征兆。而單向開挖時，該斷面拱頂沉降量增長平緩。

（2）掌子面擠出變形

圖4為兩個掌子面不同間距時掌子面的擠出變形（水平位移），同時列出單向開挖時掌子面擠出變形曲線，圖中k為兩個掌子面之間距離與開挖跨度之比。相向施工時，兩個掌子面可能發生影響，其規律為：隨兩個掌子面的臨近，擠出變形將增大，且距離越近，擠出變形增長越明顯；當掌子面距離為12m時，掌子面擠出變形最大值劇增至3.2cm。

雙向施工時，掌子面間圍巖變形受兩開挖面的共同影響，其變形大于兩個掌子面各自影響效果的線性疊加。當兩個掌子面距離小于16m時，圍巖變形將會劇增，發生大變形。

3　掌子面穩定性的預判

3.1影響掌子面穩定性預判的因素

（1）地下水對掌子面影響

地下水對掌子面影響很大，一般說掌子面涌水量100L/min時，可作為穩定和坍塌臨界的判斷基準，在500L/min以上幾乎都是坍塌。

（2）隧道埋深對掌子面影響

隧道埋深對掌子面的自穩性也有重大的影響。與深埋段相比，隧道淺埋段圍巖多為軟弱堆積物，巖土風化層，圍巖難以形成承載壓力拱，自穩定性差。施工不當易出現地表位移增大、表層開裂，并可能導致掌子面失穩。

3.2掌子面穩定性的預判

預判掌子面的穩定性，需知道在不同圍巖類別掌子面可能產生崩塌原因及規模。主要造成掌子面圍巖崩塌有類別有：在強風化的圍巖中，會產生比較大的崩塌，有涌水會使崩塌的規模更大；在斷層圍巖中，根據斷層的破碎程度可能產生小規模的崩塌，也可能出現大規模的崩塌，崩塌可能出現一次，也可能出現多次；在有層理的容易崩塌的圍巖中，會產生大規模的崩塌，根據層理的強度、融水狀況，在幾小時內會產生多次崩塌，也可能瞬時發生大規模崩塌；在互層圍巖中，崩塌一般是小規模的，可能由于少量的涌水使固結度低的砂性土層流出，殘留的泥巖也會成塊狀剝落，崩塌的程度因巖石的固結度、層里的間隔、層理面的固結度、巖層的滯水水量、水壓等不同而不同，崩塌的時間多在狀況急劇變化的時期發生。

4　掌子面穩定的管棚加固方法

掌子面穩定是施工開展的前提條件，掌子面穩定性與開挖斷面的大小、開挖工法、輔助措施密切相關。在掌子面無法自穩的情況下，施工中應要采用減小開挖斷面、縮短開挖進尺，輔以超前預支護措施，必要時對掌子面增設正向超前錨桿或小導管，網噴混凝土等加強措施。

根據本隧道實際地質情況，洞口段采用管棚法作為超前預支護措施，管棚法是沿隧道開挖斷面外輪廓，預先以一定間隔與隧道鉆孔，插入鋼花管并壓注水泥漿或水泥砂漿，加固土體，使管棚和圍巖構成形成一個拱殼狀的棚架體系結構，用于穩定圍巖，使其加固開挖面前方的地層，從時間、空間上能有效地抑制掌子面前方圍巖產生過大變形。其支護原理可歸納以下幾個方面。

（1）梁效應

在掘進時，先行設置的管棚鋼管在掌子面前方圍巖與后方已施作初期支護的支撐下，形成梁式結構，有效地抑制掌子面前方圍巖產生過大變形，控制圍巖松弛。

（2）土體改良效應

通過鋼管內壓注水泥漿，可改善圍巖自身強度，提高圍巖自身的穩定性。洞口管棚法施工示意圖如圖5所示。

管棚法一般采用直徑108mm、壁厚6mm、節長4m、 6m的熱軋無縫鋼管作為管棚，鋼管環向間距50cm，傾角1～3°，入土長度20m，采用C25砼套拱作為的導向墻。施工時，鉆機立軸方向必須準確控制，每鉆完一孔便頂進一根長鋼管，施工順序為自下而上，拱部管棚施工前架設拱部管棚施工平臺。管棚施作時應先鉆設鋼花管，注漿凝固后再鉆設無孔鋼管。在無孔鋼管的鉆孔過程中應檢查鋼花管的注漿質量，當注漿質量達到要求時，再安裝無孔鋼管，并注漿使管周漿液飽滿；當注漿質量達不到要求時，則安裝鋼花管并進行補充注漿。管棚注漿加固一般應做現場試驗確定注漿參數，注漿參數采用注漿量、注漿壓力雙標準控制，確保加固圈相互咬合搭接，能形成拱形結構。

本次加固內容主要分為初期支護和超前支護兩個方面，具體施工方法如下。

4.1初期支護及時封閉成環

在軟弱圍巖中，初期支護及時施作并封閉成環，可有效形成支護整體強度，控制圍巖變形，避免施工過程中局部支護強度不足導致的圍巖失穩。

（1）修筑臨時仰拱

臺階法開挖時，修筑臨時仰拱就是使上臺階單元及時封閉成環，形成環向受力，有效發揮初期支護整體受力效果，阻止支護變形，在本隧道Ⅳ、Ⅴ類圍巖施工中，通過上臺階修筑臨時仰拱的方法，收效比較好，如圖6所示。

（2）拱腳加固

上斷面拱腳位置是軟弱圍巖施工的重點，拱腳穩固，可避免拱腳位移過大而導致拱腳內縮，拱頂下沉，為確保拱腳穩固，施工中應在上臺階拱腳位置設置鎖腳錨桿、注漿小導管或托梁或鋼管樁等相應加固措施。

4.2洞身超前支護

洞身段落超前支護一般采用沿隧道外輪廓施作超前錨桿、超前注漿小導管等，用以加固掌子面前方圍巖的方法，必要時可增設鋼插板等。

（1）掌子面正向加固錨桿

在掌子面軟弱，存在明顯滑塌可能的情況下，應在掌子面上施工平行于隧道軸線的正向錨桿，錨桿長度視滑塌情況施設，通常應不小于一倍開挖洞高，為便于掌子面機械化施工可采用玻璃纖維錨桿進行加固。

（2）注漿小導管

注漿小導管是向掌子面附近的圍巖注漿，以改善圍巖，保證掌子面穩定的方法，實踐證明，掌子面斜上方對隧道的穩定具有很大的影響，因此，開挖前改善此部分的狀況，對增強隧道的穩定性是極為重要的，小導管注漿不僅是掌子面穩定的對策，也是改善隧道穩定性的對策，是隧道軟弱圍巖開挖支護的重要手段。

（3）鋼插板

鋼插板是在崩塌性顯著的圍巖中，以較大面積支護拱頂的手段，鋼插板的寬度一般采用15cm，長度為1.2～1.6m，間隔3cm打入，一般都在拱頂120°范圍內施設。

（4）超前錨桿

斜錨桿是作為支護結構的一部分軸力構件而發揮作用，用以改善拱頂斜上方的圍巖，在已坍塌的圍巖中，作為支護拱頂的輔助方法。

斜錨桿通常與系統錨桿同時施工，向掌子面的斜上方以50～80cm的間距，打入異型鋼筋，錨固材料采用砂漿，錨桿長度3～4m，仰角30～60°。

（5）單管

用于沒有凝聚力的圍巖，以防止拱頂松弛、崩落。一般采用34～48mm的鋼管，以30～60cm的間距和5～30°的仰角打入，打入長度一般為掘進進尺的2～3倍。

此方法的主要問題是在有礫石（孤石）或固結好的圍巖中應用困難，其次是鋼管下方的圍巖容易崩落，超挖過大，為了減少超挖，可減小打入角度，使鋼管從支護構件中通過。

5　加固措施及效果分析

5.1加固措施

弱圍巖隧道相向施工，掌子面距離達極限距離時，圍巖可能發生大變形甚至失穩。當吊公嶺隧道、湆頭嶺隧道兩個掌子面距離達極限距離時，為保證隧道施工安全，結合對掌子面數值模擬分析和掌子面管棚加固方法，主要加固措施有：（1）封閉其中一個掌子面，單向開挖直至貫通，同時盡早封閉初期支護；（2）提高初期支護強度，如加密鋼支撐，加大噴射混凝土厚度；（3）對掌子面采用管棚加固，提高掌子面圍巖強度，對掌子面一定范圍內進行注漿。

5.2效果分析

為分析不同措施對提高圍巖穩定性效果，采用上文建立的模型，按照單向開挖計算，4種工況為：工況1，支護參數不變，不進行掌子面加固；工況2，提高支護強度，鋼支撐間距加密為0.5m，噴射混凝土厚度增為30cm；工況3，注漿加固掌子面，掌子面圍巖參數提高一定程度；工況4，支護參數按工況2調整，掌子面按工況3進行加固。其中，加固范圍為兩個掌子面間巖柱，加固后圍巖參數為假定值。

（1）塑性區分布

選取兩個掌子面中間里程處斷面進行塑性區分析。計算結果表明，若不采取加固措施，掌子面前方塑性區貫通，并將持續擴展（工況1）；若提高初支強度，可一定程度上控制塑性區的擴展范圍及速度，但效果不明顯（工況2）；若對掌子面進行注漿加固，塑性區得到很好的控制，塑性區的擴展范圍和速度明顯減小，擴展范圍減小比例達95%（工況3）；在對掌子面注漿加固的基礎上同時提高初支強度，對進一步控制圍巖塑性區發展無效（工況4）。

提高初支強度，對控制塑性區效果不明顯，而加固掌子面可有效減小塑性區的發展范圍及速度。

（2）圍巖變形

4種工況下，兩個掌子面中間里程斷面拱頂沉降分別為6.5、5.5、5.4、5.0cm，可知2種應對措施對減小拱頂沉降效果相當，拱頂沉降減小15%～17%，2種措施同時采取可進一步控制圍巖拱頂沉降，沉降減小比例達23%。圖7為兩個掌子面相距8m時，各工況下掌子面擠出變形。若不采取加固措施，掌子面擠出變形最大值達4.4cm；若提高支護強度，擠出變形明顯減小，最大值減小為3.5cm，減小約20%；若對掌子面進行加固，掌子面擠出變形減小更明顯，最大值減小為3.2cm，減小約27%。

因此，僅提高初支強度，對提高貫通段圍巖穩定性效果不顯著；對掌子面進行注漿加固，能較好地提高圍巖穩定性；同時采取2種措施，效果更好。

6　結語

在吊公嶺隧道、湆頭嶺隧道施工中，通過對掌子面的穩定模擬和加固措施的對比分析，結合“良圍巖、愛護圍巖”的原則及借鑒以往隧道施工寶貴的經驗，提高了隧道施工安全，保證了隧道工程質量。掌子面穩定加固方法是以支護手段為中心，在隧道施工循環范圍內實施的施工方法。在同一條隧道，同一地質的情況下，其自穩性也是有差異的，因此，在選擇輔助法施工時，必須研究現場的實際情況，選擇適當的方法，“因材施教、有的放矢”。希望文中的一些經驗能為軟弱圍巖段的施工提供參考價值。

［1］朱永金，李文江，趙勇.軟弱圍巖隧道穩定性變形控制技術［M］.北京：人民交通出版社，2012.

［2］關寶樹，趙勇.軟弱圍巖隧道施工技術［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［3］中華人民共和國行業推薦性標準.JTG/T F60-2009，隧道施工技術細則［S］.北京：人民交通出版社，2009.