高速公路隧道軟巖變形控制與分析

郜安安

（山西路橋第六工程有限公司一分公司，山西 晉中 030600）

隧道施工受到地質情況和周邊環境的影響，造成現場施工情況多變。軟弱圍巖自穩能力差，自身強度低，在受到隧道施工擾動后變形量大，容易造成隧道結構出現大變形[1]。由于隧道地質情況復雜，施工現場可能出現由于圍巖變形量大、速度快等問題，造成支護結構開裂，侵入建筑限界，甚至出現塌方事故。新奧法施工采用動態施工管理，根據施工現場圍巖的基本情況實時調整施工參數，保證隧道支護結構的穩定性。基于207國道左權至黎城界公路工程橋上隧道現場施工實踐，在施工中由于軟弱圍巖產生了較大變形，導致圍巖結構開裂。通過對隧道內地質情況進行詳細調查，對支護參數進行了優化設計，并選取有代表性的測點進行監控量測，分析拱頂下沉、周邊位移和圍巖壓力的變化情況，為確定隧道支護結構的穩定性提供參考。

1 軟巖隧道支護原理

隧道開挖后，改變了軟弱圍巖的受力狀態，圍巖應力快速釋放出來。當圍巖應力超過巖體強度后，圍巖結構產生塑性化，進而產生較大的變形。為了抵抗圍巖塑性變形，必須采取有效的支護結構進行加固，減少圍巖應力的影響。將軟弱圍巖的重力、膨脹力等向隧道內部運動的力的合力記作，其表達式[2]為：

2 依托項目簡介

207國道左權至黎城界公路工程橋上隧道位于山西省左權縣橋上村，隧道軸線走向約200°。洞體左線全長2 247 m，進口段里程樁號為LK33+710，洞口底板設計高程為1 036.744 m，出口段里程樁號為LK35+957，洞口底板設計高程為986.819 m，洞體最大埋深113.44 m，位于LK34+800；洞體右線全長1 893 m，進口段里程樁號為RK33+732，洞口底板設計高程為1 035.178 m，出口段里程樁號為RK35+625，洞口底板設計高程為998.236 m；洞體最大埋深115.51 m，位于RK34+800。

橋上隧道所處地段地質構造形跡以褶皺為主，伴生有北東向和北西向的斷裂構造。隧址區構造簡單，屬單斜山，巖層產狀300°∠14°。該隧道圍巖等級主要為Ⅳ級和V級圍巖，以V級圍巖為主。巖性為第四系覆蓋層、震旦系串嶺溝組強風化砂巖，巖體較破碎、圍巖自穩能力差，易坍塌，側壁不穩定，不能裸露時間過長，否則會有掉塊或塌方。隧道圍巖為軟弱圍巖，圍巖壓力持續增加，增長速度最高可達到0.10～0.2 MPa/d，圍巖壓力較大且不斷增加。隧道洞身也產生了較大的變形，造成隧道初期襯砌開裂。施工中對隧道支護參數進行優化，并對優化后的初期支護結構進行監控量測，分析監測數據、變形控制效果。V級圍巖地段隧道支護參數如表1所示。

表1 V級圍巖地段隧道初期襯砌主要支護參數

3 隧道初期支護參數優化

3.1 鎖腳錨桿設計優化

本項目施工采用三臺階開挖法，多次開挖對圍巖產生擾動會導致初期支護結構整體下沉、側移和收斂。在隧道支護結構中設置鎖腳錨桿，可有效減少變形。本項目隧道軟弱圍巖地段鎖腳錨桿設計長度為3.5 m，施工中發現支護結構出現了明顯的下沉、側移和收斂變形。由于邊墻處的圍巖位移和周邊位移變形最大，優化后中臺階鎖腳錨桿長度為6 m，上下臺階鎖腳錨桿長度為5 m。

3.2 鋼支撐參數優化

鋼支撐可有效提高隧道初期襯砌的剛度，抵抗軟弱圍巖變形應力。本項目淺埋洞口段采用Ⅰ20a工字鋼，布置間距60 cm。施工監控量測數據顯示，支護結構拱頂下沉、周邊位移變形量均較大。優化后采用Ⅰ22b代替Ⅰ20a工字鋼，布置間距為60 cm不變。

3.3 超前小導管優化

超前小導管可有效加固掌子面前方軟弱圍巖，減少超挖，降低圍巖變形，提高施工安全。本項目軟弱圍巖地段超前小導管設計采用φ42超前小導管，長度為4.5 m，環向間距為40 cm，外插角為8°。施工中出現了較大超挖，監測后圍巖壓力較大，這是造成初期襯砌變形開裂的主要原因之一。對超前小導管進行優化設計，仍采用φ42無縫鋼管，長度為5 m，環向間距為30 cm。

4 圍巖變形控制效果分析

4.1 洞身變形控制結果分析

通過對支護參數進行優化，并采取措施進行圍巖變形控制，大大提高了隧道圍巖的支護效果。為了檢驗加固后的隧道圍巖控制效果，選取有代表性的斷面進行拱頂下沉和周邊位移量測。選取橋上隧道LK34+210斷面作為監測斷面，在拱頂設置下沉測點，并分別在拱腰、邊墻和墻腳布置周邊位移測點，通過跟蹤量測確定洞身變形情況如表2所示，洞身變形曲線如圖1。

表2 LK34+210斷面洞身變形監測結果

圖1 LK34+210斷面隧道洞身變形分析曲線

分析表2數據和圖1曲線，拱頂下沉早期變形量相對較大，變形速率2～3 mm/d，觀測期間最大變形量為17 mm，且變形趨于穩定。拱腰周邊位移早期變形速率為3～4 mm/d。邊墻開挖后變形量和變形速率增大，變形速率達到5 mm/d。仰拱開挖后墻腳周邊位移明顯增加，開挖當天變形量達到4 mm，仰拱支護完成后洞身周邊位移變形速率不斷降低，變形趨于穩定，說明初期支護后隧道洞身圍巖變形穩定。

4.2 圍巖壓力監測結果分析

在LK34+210拱頂、拱腰和邊墻布置測點，埋設壓力盒，監測隧道圍巖壓力，繪制圍巖壓力時程曲線如圖2、圖3和圖4。

分析圖2曲線，隧道上臺階開挖后，圍巖壓力不斷增大，開挖后5 d內圍巖壓力超過0.1 MPa后有所下降。邊墻開挖后圍巖壓力再次提高，出現了較大波動。由于支護結構的作用，圍巖壓力在邊墻支護后有所下降，而后雖然有所增加，但變化幅度很小，說明拱頂處圍巖壓力基本穩定。

圖2 LK34+210斷面拱頂圍巖壓力時程曲線

圖3 LK34+210斷面拱腰圍巖壓力時程曲線

分析圖3曲線，隧道拱腰圍巖壓力在上臺階開挖支護后，在支護結構的作用下，圍巖壓力增加幅度較小。邊墻開挖后拱腰部位圍巖壓力不斷增加，且增加幅度較大，增速較快，最大增速達到0.03 MPa/d。當隧道仰拱施工完成后，圍巖壓力增加速度不斷下降，且14 d后變形逐步趨于穩定。

圖4 LK34+210斷面邊墻圍巖壓力時程曲線

分析圖3曲線，隧道邊墻圍巖壓力在開挖后迅速釋放出來，且增加速度較快，最大速率達到0.03 MPa/d。隧道仰拱開挖后圍巖壓力明顯增加，其中左側邊墻增幅較大，圍巖壓力接近0.1 MPa。仰拱支護后圍巖壓力有所降低，且后期圍巖壓力增速趨緩，并逐步趨于穩定。

綜上所示，優化隧道支護參數后，隧道圍巖壓力明顯下降。施工中所產生的擾動是造成隧道圍巖壓力增大的主要因素，在拱部、邊墻、仰拱開挖后隧道圍巖壓力均產生了一定幅度的增加。但在進行支護后，隧道圍巖壓力明顯下降，說明支護效果良好。在經過一定時間的監測后，隧道拱部、拱腰、邊墻的圍巖壓力已逐步趨于穩定，說明圍巖結構支護后處于穩定狀態。

5 結語

結合隧道軟巖支護原理，以207國道左權至黎城界公路工程橋上隧道工程為研究背景，對隧道支護結構進行優化。通過選取有代表性的監測斷面，布置測點觀測隧道拱頂下沉、周邊位移和圍巖壓力，分析數據和變化曲線得出以下結論：

a）監測數據表明：隧道拱頂下沉和周邊位移的早期變形速度較快，在邊墻開挖后變形速度較快，最大變形速率達到5 mm/d，仰拱開挖支護后變形逐漸趨于平緩，說明洞身變形趨于穩定。

b）隧道圍巖壓力的監測結果表明：隧道拱部、邊墻、仰拱開挖后圍巖壓力均產生了一定幅度的增加，且在支護后隧道圍巖壓力明顯下降。經過一段時間的監測，隧道各部位圍巖壓力逐步趨于穩定，說明支護達到了預期效果。

c）通過對支護參數優化后的隧道支護結構進行監測分析，拱頂下沉、周邊位移和圍巖壓力均產生了大幅度的下降，且變形基本趨于穩定，說明調整后有效提高了隧道的穩定性，達到了預期的目的。