隧道軟弱圍巖變形控制技術研究

李正文

(中鐵四局集團第五工程有限公司，江西 九江 332000)

0 引 言

在鐵路隧道工程施工時，以隧道施工的質量以及安全角度出發，軟弱圍巖對其有較大的影響[1]。目前，隧道在軟弱圍巖情況下施工常伴隨有大變形，易坍塌的安全事故發生。而在隧道的設計以及施工中對于軟弱圍巖產生大變形的機理以及控制措施并不完善，因此，如何解決在軟弱圍巖的環境下控制隧道的變形問題迫在眉睫。

1 工程概況

該鐵路隧道圍巖多以強、弱風化千枚巖板巖為主。隧道工程實際的支護結構與原設計具有較大偏弱，原有的初期支護已有較大的變形并有侵限現象出現。總體而巖該隧道兩大問題，即圍巖具有較大的變形以及結構變形較為嚴重。以現場測試數據可知，圍巖有高達60cm以上的變形量。分析該圍巖的變形原因可知其為“擠壓型大變形”，對于該種變形的控制思想為：采取擴挖的方式預留與圍巖變形量相應的預留變形量以控制隧道的變形。如：采取擴挖的方式預留相應的變形量，即通過擴挖的方式使隧道內部變形量足以提供應力卸荷時所需的變形，隧道在經過擴挖之后其拱頂的沉降量并不會因擴挖而有所加大，即其變形量與擴挖前的變形量一致，且將支護結構控制在安全受力范圍內的話，對于圍巖的壓力即可通過擴挖相應圍巖量的方式進行釋放，從而起到控制圍巖變形的目的。

2 隧道圍巖擴大變形控制技術研究

隧道圍巖受到支護結構的約束，當圍巖變形量不斷上升時，由支護結構所提供的抗力表現為逐漸下降的趨勢，即圍巖的變形與支護的抗力是成反比的。若以傳統的強支硬撐的方式采取支護措施，對于圍巖的變形控制而言往往無法得到較好的效果[2]。因此，結合該隧道現場條件以及變形量較大的特點，該隧道的變形控制考慮本文采用擴挖圍巖的方式。

2.1 FLAC3D計算模擬

本文采用軟件FLAC3D模擬四種擴挖量(即0.6m、0.65m、0.70m、0.75m)下隧道圍巖變形的變形規律，以研究采取擴挖的方式對圍巖的變形控制是否可行。模擬計算時，各個控制點的布置如圖1所示，各控制點偏號見表1。

圖1 隧道控制點布設示意圖

表1 控制點編號名稱

在開挖隧道時，若移除部分圍巖將會破壞其原有的平衡狀態，隧道周圍圍巖將會因此而釋放應力，進而出現土體的應力重分布。在重力作用下對隧道上部圍巖進行開挖將會使其因卸荷作用而有位移出現，不利于隧道圍巖及其支護結構，若控制不當將會使其在施工或運營時出現安全事故[3,4]。下面本文將針對擴挖時隧道圍巖位移情況進行分析研究。由于拱腰和拱腳具有對稱性，因此試驗過程中它們基本具有同樣的位移沉降量。因此，本文僅描繪左邊的拱腰以及拱腳的位移變化圖，鑒于篇幅有限，本文僅列出部分數據。

2.2 擴挖輪廓線上隧道各部位豎向位移分析

4種擴挖量下，拱頂輪廓上豎直位移變化如圖2所示。

圖2 四種擴挖量下拱頂輪廓線上豎直位移曲線圖

從圖2可知，在擴挖圍巖時，拱頂，拱腰以及拱腳具有較大的變形，但在其達到最大值后趨于有所降低，并在后續施工逐漸趨于穩定。圍巖沉降雖然在后續施工時有所上升，但其僅具有較平緩的上升曲線，在完成擴挖之后，沉降的變形并不能被初期支護完全抑制，其在阻止圍巖沉降的角度上僅以柔性支護結構的形式體現。在完成初期支護之后，圍巖沉降變形基本不再發生，但隨著不斷開挖的下臺階，其沉降不斷上升，有2～4cm的增加量，并在下臺階完成支護之后逐漸穩定，下臺階相比于圍巖擴挖時所產生的沉降，其開挖卸荷作用導致的沉降較小。隨著擴挖量的不斷增加，圍巖的沉降量均有所增加，當從0.6m增加到0.75m的擴挖量時，拱頂有從-67.01cm到-69.40cm的最終沉降量變化，拱腰則表現為從-62.76cm上升到-64.92cm，拱腳表現為從-30.12cm上升到-33.20cm，分析可知，三個部位的沉降變化幅度均在2～3cm。

2.3 初期支護外側輪廓線上各控制點豎向位移分析

不同擴挖量下初支外側輪廓線處拱頂豎向位移變化如圖3所示。

圖3 不同擴挖量下拱頂初期支護輪廓線上豎向位移曲線圖

由圖3可知，在施加擴挖支護之前，沒有沉降值出現在拱腰以及拱頂的初期支護外側輪廓線上，而拱腳處則有正值的沉降變形，具體為拱腳上鼓[5]。在圍巖施加擴挖之后之前拱頂以及拱腰具有較大的沉降，其值約為2.8cm，但在下臺階完成初期支護并開始開挖的前期表現得較為穩定，基本沒有再次出現沉降，并且拱頂還有逐漸變小的沉降值出現。在開始開挖下臺階的第2天之后，拱頂以及拱腰具有較大的沉降變形量，具體表現為從2.8cm的沉降量上升為6cm。拱頂和拱腰的沉降在數值方面體現為-7～-6cm，拱頂處有-7.861cm的最大沉降量，拱腰處有-8.033cm的最大沉降量。在四種擴挖量中，拱腰和拱頂處在0.6m擴挖量下具有最大的沉降值，且其沉降隨著擴挖量的增加而有所減小。拱腳處的沉降量不同于拱腰和拱頂，其隨著不斷增加的擴挖量表現出不斷上升的沉降量，拱頂以及拱腰主要在開挖下臺階階段出現沉降，拱腳則是在圍巖擴挖階段均有發生。

2.4 初期支護內側輪廓線上隧道各部位豎向沉降分析

不同擴挖量下初支內側輪廓線處拱頂豎向位移變化如圖4所示。

圖4 不同擴挖量下初期支護內側輪廓線的豎向位移圖

初期支護內側輪廓線上拱頂以及拱腰的沉降變化與外側輪廓線的沉降變形一致，可參考上述分析結果。在完成初期支護并開始開挖下臺階時，拱頂以及拱腰具有更大的沉降變化曲率，即在該階段中，拱頂以及拱腰具有更大的增長速率。初期支護內側的拱頂以及拱腰具有較小的最終沉降值，在擴挖0.6m時拱頂有-5.130cm的最大位移值，拱腰具有-5.334cm的最大位移值，特別是在開挖下臺階之前，拱頂以及拱腰更小的沉降值，分別為拱頂-0.7911cm，拱腰-0.7764cm。因此，在下臺階開挖之前，必須要采取一定的支護措施，以防止突然增加的變形。

2.5 四種擴挖量下圍巖相對于初期支護外側輪廓線的沉降對比圖

本文將對四種擴挖量下隧道圍巖各個部位的沉降值與其因擴挖所增加的沉降量的差值進行對比。如拱頂在擴挖量為0.6m時具有-67.01cm的沉降量，將基準定為初支時外側的輪廓線并進行換算之后拱頂的沉降量即為-7.01cm。初期支護輪廓線下即代表沉降方向向下。所得結果如圖5所示。

圖5 相對于初期支護外側輪廓線四種擴挖量下圍巖的沉降量示意圖

拱頂處在0.6m的擴挖量時具有7.01cm的沉降值，拱頂以及拱腰在0.7以及0.75m的擴挖量時尚未達到擴挖量，可知，適當的擴挖圍巖可對較大的沉降位移進行有效的控制。鑒于只對上臺階進行了擴挖而未擴挖下臺階，因此上臺階各部位具有較為理想的沉降控制，下臺階處則具有鼓起現象，因此可知，擴挖圍巖可以對其沉降進行有效的控制。

3 結束語

圍巖在四種擴挖量下的沉降主要在其擴挖外側發生，初期支護內側僅具有較小的沉降變形，并且在四種擴挖量下圍巖豎向位移值的差距較小，在0.6m以及0.65m擴挖量的前提下，圍巖的擴挖量小于沉降位移，在0.7m以及0.75m擴挖量的前提下，圍巖的擴挖量大于沉降位移，若以沉降位移的角度考慮通過擴挖圍巖的方式進行隧道變形的控制時，本文建議采取0.65m的擴挖量。