層狀軟弱板巖隧道初期支護加固技術試驗研究

王慶　楊永斌　焦衛寧　高偉政　薛文飛

摘 要：本研究以某高速隧道為依托，現場測試了斷面ZK14+830圍巖壓力、拱架應變、混凝土應變值，同時制定了鎖腳錨管（方案1）、鎖腳錨管+拱架縱向連接（方案2）兩種初支結構加固技術方案。研究表明：兩種加固措施可對圍巖起到較好穩定效果，且方案2處治效果最為顯著。

關鍵詞：隧道工程;層狀板巖;鎖腳錨管

中圖分類號：U451.2;U457.3 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）29-0088-04

Experimental Study on Initial Support and Reinforcement

Technology of Layered Soft Slate Tunnel

WANG Qing YANG Yongbin JIAO Weining GAO Weizheng XUE Wenfei

（CCCC Second Highway Engineering Co.， Ltd.， Xi 'an Shaanxi 710065）

Abstract： In this study， based on a high-speed tunnel， the surrounding rock pressure， arch strain and concrete strain of section ZK14 + 830 are tested on site， and two kinds of initial support structure reinforcement technical schemes of foot lock anchor tube （scheme 1） and foot lock anchor tube + arch longitudinal connection （scheme 2） are formulated. The research shows that the two reinforcement measures can have a good stability effect on the surrounding rock， and the treatment effect of scheme 2 is the most significant.

Keywords： tunnel works;carbonaceous slate;lock foot anchor tube

層狀軟弱板巖隧道施工中常出現圍巖大變形、坍塌等病害[1-4]。層巖隧道初期支護結構加固技術已成為相關學者競相研究的熱點課題。

1 工程概述

以某高速公路隧道為研究對象，隧道全長2 164 m，采用雙洞分離式設計，隧道斷面為典型三心圓結構，上拱部圓半徑為6.05 m，道路橫坡為2%。隧址區穿越文筆山組及二疊系上統龍潭組地層，出露巖性為灰黑色層化軟弱板巖、砂巖及泥巖。圍巖整體自穩性較差。山體植被茂密，地表起伏較大，地表水不豐富，地下水為第四系松散孔隙水及基巖裂隙水，施工過程偶見滲漏水，薄層板巖易沿板理面滑塌，隧址區巖層產狀多變，并穿越Fm4及Fm7兩處斷層。

2 現場施工病害分析

隧道現場開挖施工過程中，圍巖大變形、初期支護結構開裂、鋼拱架屈曲現象偶有發生[5-8]。現場圍巖自穩性較差，薄層板巖易滑塌，隧道開挖施工后短時間內即形成較大圍巖松散壓強。初支結構與圍巖黏結程度較差，難以形成有效支護。隧道上臺階開挖施工后，拱頂沉降呈快速增長的趨勢，施工36 d后累計沉降達360.2 mm。于斷面ZK14+830處進行圍巖壓強、鋼拱架應變、初支混凝土應變測試，圖1為現場安裝測試儀器。

圖2為斷面ZK14+830圍巖壓強變化曲線。由圖2可知，隧道開挖施工后，拱頂、拱腰處圍巖壓強整體偏大，邊墻位置處圍巖壓強偏小，拱腳圍巖壓強基本為0。仰拱施作完畢后，各測點壓強基本保持穩定，并分別維持在0.83 MPa、0.42 MPa、0.56 MPa、0.11 MPa、0.12 MPa、0 MPa、0 MPa。

圖3為斷面ZK14+830鋼拱架應變曲線。由圖3可知，上臺階開挖施工后，拱頂、拱腰處拱架應變呈快速增加的趨勢，施作中臺階后拱架應變曲線出現收斂拐點，下臺階施工完畢后各測點拱架應變趨于穩定，至仰拱施作完畢拱架各處應變達到穩定狀態，各測點應變值依次為4 073 με、2 651 με、3 026 με、213 με、1 089 με、57 με、88 με。

圖4為斷面ZK14+830混凝土應變曲線。由圖4可知：2019年3月28日，上臺階開挖施工后，拱頂、拱腰處混凝土應變呈快速增長的趨勢，中臺階開挖施工后，拱頂、拱腰處混凝土應變進一步增長，下臺階施作完畢后，各測點應變曲線出現收斂拐點并趨于穩定，仰拱施作完畢后各測點值依次為2 345 με、847 με、1 613 με、320 με、419 με、98 με、131με。可見，隧道開挖施工后初期支護結構形變量偏大，超過鋼拱架、混凝土允許應變值，施工現場需要采取相關措施處置施工病害。

3 加固措施效果規律分析

斷面ZK11+240采用鎖腳錨管支護（方案1）實施加固，ZK11+260采用鎖腳錨管+拱架縱向連接支護（方案2）實施加固。鎖腳錨管分別布設于上、中、下臺階拱架兩端，與鋼拱架通過焊接進行連接，見圖5。

圖6和圖7為斷面ZK11+240和斷面ZK11+260測點圍巖壓力變化曲線。可知，由于圍巖松散壓力較大，開挖施工后。拱頂、拱腰位置圍巖壓力快速增至峰值，邊墻、拱腳處壓力值整體較小，施作仰拱后各測點壓力曲線基本趨于穩定狀態。圖8為斷面ZK14+830、斷面ZK11+240和斷面ZK11+260測點圍巖壓力對比。上臺階開挖施工后，加強支護技術方案拱部位置圍巖壓力高于常規技術。

圖9和圖10是加強支護措施鋼拱架應變曲線。相較于常規施工技術，在上臺階開挖施工后拱架應變迅速增至峰值，常規方案應變曲線則是以近拋物線形式快速增至峰值。可見，采用加固技術方案后，拱架縱向連接、鎖腳錨管均可對初期支護結構進行良好約束，充分發揮其穩定圍巖效果，避免在開挖施工期間支護結構與圍巖共同變形問題而造成圍巖大變形、支護結構坍塌。

圖11為斷面ZK14+830、斷面ZK11+240和斷面ZK11+260各測點拱架應變對比。上臺階開挖施工后，常規施工技術拱頂鋼拱架應變值為359 με，方案1的拱頂鋼架應變為4 000 με，方案2為4 302 με。由此可見，鎖腳錨管加固技術可對初支結構起到明顯加固作用，限制初支結構變形，加強支護效果，同時拱部支護結構承受較大圍巖壓力。相較而言，方案2支護效果更為明顯。

各工序施作完畢后，圍巖與支護結構形成穩定狀態。此時，常規技術方案拱頂處拱架應變為4 029 με，方案1和方案2分別為3 739 με、2 719 με。由此可見，鎖腳錨管、拱架縱向連接可將支護結構結為整體，在開挖施工初期即可對圍巖與初支結構起到明顯穩定作用，避免造成圍巖大變形。

圖12和圖13為加強支護措施各測點混凝土應變曲線。拱頂、拱腰處混凝土應變值整體偏大，且曲線震蕩較劇烈。由此可見，由于添加鎖腳錨管，實施拱架縱向連接，上臺階開挖施工后拱部混凝土應變快速增至峰值。常規施工技術混凝土應變則以近拋物線形式增至峰值。加強支護措施可加強初支結構穩定效果。

圖14為斷面ZK14+830、斷面ZK11+240和斷面ZK11+260各測點混凝土應變對比情況。上臺階開挖施工后，常規施工技術下拱頂混凝土應變值為618 με，方案1為1 704 με，方案2為1 394 με。上臺階開挖施工后，加強支護技術方案拱部混凝土應變值偏大，說明圍巖松散壓力得到較好抑制。與此同時，初支結構將承擔較大壓力，上臺階開挖成為整個施工過程的薄弱環節。二次襯砌結構施作完畢后結構處于穩定狀態，此時常規技術拱頂混凝土應變值為2 345 με，方案1和方案2分別為2 657 με、2 188 με。可見，鎖腳錨管+拱架縱向連接技術加固效果最為明顯。

4 結論

①對斷面ZK14+830圍巖壓強、拱架應變、混凝土應變進行試驗測試。上臺階開挖施工后，拱頂、拱腰處圍巖壓強迅速增至峰值1.22 MPa、0.74 MPa、0.88 MPa。至仰拱施作完畢，各測點拱架應變值為4073 με、2651 με、3026 με、213 με、1089 με、57 με、88 με。下臺階施作完畢拱頂、拱腰處混凝土應變值為2 167 με、917 με、1 411 με。

②施工現場采用鎖腳錨管支護、鎖腳錨管+拱架縱向連接支護2種加強支護處治方案。采用加強支護技術方案，沿隧道縱向，通過工字鋼縱向連接拱架。沿隧道橫斷面方向，利用鎖腳錨管依次對上、中、下臺階拱架進行連接加固，大幅提高初支結構支護性能，提升圍巖及結構承載能力。

③上臺階開挖瞬間，圍巖變形得到充分抑制。每循環施作完畢后，采用加強支護措施圍巖壓強、拱架與混凝土應變值小于常規施工技術。鎖腳錨管+拱架縱向連接加固效果最為顯著。

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