順層隧道開挖穩定性及現場監測研究

摘要：順層隧道由于其特殊的地質構造與一般隧道開挖呈現出不同的圍巖力學特征及破壞模式，需要重點加以關注。以軟巖夾硬巖順層隧道為研究對象，通過數值模擬分析開挖穩定性，并經過現場監測數據分析，對此類順層隧道提出一定的防護措施建議。研究表明：隧道開挖后洞室周圍壓應力數值較小，拱頂兩側部分區域壓應力較大，隧道周圍的最大主應力出現在順層理面;在隧道掌子面前方約1倍洞徑范圍內，產生了先行位移。在施工過程中，要加強掌子面前方1倍洞徑左右范圍內加強監控量測，確保施工安全。

關鍵詞：順層隧道;開挖;穩定性;現場監測;支護措施

0" "引言

隧道圍巖變形破壞具有極強的復雜性[1-2]。層狀巖體區別于一般圍巖的變形特征及層狀圍巖的復雜性，為此對層狀隧道圍巖破壞模式的研究則具有十分重要的意義和應用價值[3-5]。陳紅軍等[6]基于鴨江隧道出口段的圍巖參數，利用UDEC軟件對不同巖層傾角條件下的淺埋層狀巖體偏壓隧道破壞過程進行了模擬。馬棟等[7]為有效控制高地應力軟巖隧道大變形問題，闡述大變形隧道變形特征和關鍵控制技術，結合監測數據驗證了相關技術的有效性。張立鑫等[8]以渭源至武都高速公路木寨嶺隧道工程為依托，對炭質千枚巖和砂質板巖互層圍巖隧道開展了現場調研和現場監測，分析了隧道變形特征及影響因素。

綜上所述，目前對于順層隧道的破壞模式及施工技術已有相關研究結果，但由于順層隧道的復雜性，導致不同類型順層隧道研究仍然缺乏。因此，本文以軟巖夾硬巖順層隧道為研究對象，開展開挖穩定性分析，據此提出相關支護措施建議。

1" "工程概況

1.1" "地質構造及地下水

竹子箐隧道前接小河邊大橋，后接陳家村大橋，全長3090m，最大埋深約311m。線路走向SW25°，巖層走向N24°～65°E/50°～75°NW，橫斷面視傾角49°～70°，巖層走向與線路夾角為1°～40°，巖層傾向線路右側，隧道左側存在順層偏壓。構造體系上，區域以北東向構造為主，呈北東、南西向展布，巖層傾角陡，線型構造明顯，其中規模最大的是迤車向斜。竹子箐隧道位于迤車向斜東翼，屬單斜構造。

1.2" "地下水

隧道洞身段巖性主要為砂巖夾泥巖，泥巖為相對隔水層，水量欠豐，砂巖節理裂隙較發育，局部巖體較破碎，透水性較好，含一定量裂隙水。在三疊系永寧鎮組下段為灰巖夾砂巖、砂巖夾泥巖，隧道洞身以上主要為灰巖夾砂巖，多為可溶巖。

1.3" "隧道圍巖特征

隧道圍巖整體為中風化，中厚-巨厚層。其中飛仙關組為軟、硬互層組合結構;永陵鎮組和關嶺組地層為硬巖互層組合;須家河組砂巖層呈薄-中厚層，泥巖呈中厚-厚層，為典型的軟巖夾硬巖組合結構。隧道圍巖巖層產狀為N25°～59°E/37°～65°NW，與線路夾角處于0°～24°之間，如圖1所示。

2" "軟夾硬組合隧道開挖穩定性分析

2.1" 模型建立

隧道斷面寬約15m，高約13.3m，最終模型寬120m、高110m。模型巖層情況為軟夾硬組合巖層，厚度分別為0.4m和0.1m，巖層傾角為39.57°。根據隧道深孔地應力測試報告相關測試成果，推算出埋深為200m處竹子箐隧道的3個主應力分別為：σ₁=4.00MPa，σ₃=2.01MPa，圍巖力學參數取值如表1所示。

2.2" "開挖地應力場及變形特征分析

隧道開挖后應力場分布云圖如圖2所示。由σ1分布圖可以看出，隧道開挖后洞室周圍壓應力數值較小，拱頂兩側部分區域壓應力較大，最大達到3MPa。隧道周圍的最大主應力出現在順層理面，數值為3MPa。隧道開挖沒有導致洞室周圍出現拉應力，隧道拱頂與左右下拱腰以及拱底處，最大主應力接近0MPa。

在順層理面和順共軛節理面方向3倍洞徑處，隧道周邊最小主應力逐漸增加至1.0MPa左右。除此兩方向，在隧道洞室側附近，最小主應力整體增加到1.5MPa左右。

2.3" "變形特征分析

隧道開挖圍巖變形云圖如圖3所示。由隧道變形云圖3可以看出，圍巖發生最大變形的地方為左拱腰處，為84mm。隧道仰拱及以下的圍巖變形較小，所以在隧道支護的時候應重點關注左右拱腰處圍巖的變形。

3" "現場監測研究

3.1" "監測布點

根據現場實際情況，選擇4個里程簡述為A、B、C、D斷面進行監測，分別監測了拱頂下沉、水平收斂，監測點布置如圖4所示。拱頂下沉和水平收斂使用全站儀測試。

3.2" "監測數據分析

掌子面先行位移變化規律如圖5所示，其中L指監測斷面距離掌子面的距離，D為隧道洞徑。由圖5可知，在隧道掌子面前方約1倍洞徑范圍內，產生了先行位移。與此同時可以看出，數值計算結果與現場監測結果基本吻合。

圖6為隧道貫通后，4個主監測斷面的最終徑向位移分布圖。由圖6可知，隧道開挖完成后，隧道各監測斷面上，周邊位移的徑向影響范圍在3倍洞徑以內。

4" "順層偏壓隧道防治措施及建議

降低偏壓作用造成的危害，從支護角度目前主要采取的措施為：不對稱截面和不對稱配筋。歸納總結類似工程相關研究成果和隧道工程相關著作，目前類似偏壓工程常用支護措施如下：

4.1" "采用混凝土結構支護

混凝土結構是隧道圍巖支護最多、也是最主要的工程措施。初期支護中，噴混凝土具有支護性能優異的特征，能夠形成與開挖面密貼的結構層，開挖后能夠立即施做，是一種自由度高、機動性強的支護施工工藝。襯砌工程中，混凝土結構也占了多數比例。

4.2" "采用錨桿支護

在順層偏壓隧道圍巖防護中，錨桿也是較常用的支護手段，通常采用在偏壓側加密加長錨桿布設的不對稱結構調整圍巖的屬性特征。類似工程研究成果中，湘桂線七里坪隧道等工程圍巖防護中，均采用了不對稱錨桿加固技術，加固形式均為在隧道圍巖偏壓側加密、加長錨桿的布設。通過類似工程研究成果總結可知，在順層偏壓隧道圍巖加固中，錨桿主要應用于巖質相對較硬的巖體中，在軟質巖中加固效果相對較差。

4.3" "采用鋼架支護

順層偏壓隧道圍巖防護工程中，暫無通過改變鋼架截面大小抑制偏壓作用的案例，主要為與其他構件聯合使用的布設形式。

另在武都西深埋軟巖大變形偏壓公路隧道圍巖支護中，采用了3層的支護結構，初支由第1、2層構成。其中第1層為高強度鋼架+噴混凝土+錨桿的形式，以阻止圍巖過快、過大變形;第2層為低強度鋼架+噴混凝土，以利于圍巖壓力部分釋放。通過現場實測與分析，該支護體系對深埋軟巖大變形偏壓隧道圍巖的支護是有效、合理的。

4.4" "超前注漿

根據類似工程研究案例和相關文獻，順層偏壓隧道圍巖的支護方案，通常根據圍巖特征采用各支護措施的不同組合形式，如初支采用鋼架+噴混凝土+不對稱錨桿，襯砌采用不對稱截面和配筋的鋼筋混凝土結構等。

具體以該隧道為例，采取洞內長管棚+鋼架+不對稱錨桿的加固措施，在開挖斷面全環架設I18號工字鋼架，拱部采用89管棚（長35m）超前支護，在兩側邊墻設自進式注漿錨桿。將俯傾向側邊墻部位的錨桿長度調整至8m，將仰傾向側的錨桿長度調整為4m，即采用不均衡的錨桿體系。全環噴射 C20 混凝土 25cm。

5" "結語

本文以軟巖夾硬巖順層隧道為研究對象，通過數值模擬分析開挖穩定性，并經過現場監測數據分析，提出防護措施建議。

隧道開挖后洞室周圍壓應力數值較小，拱頂兩側部分區域壓應力較大，隧道周圍的最大主應力出現在順層理面。隧道周邊最小主應力幾乎對稱分布，在順層理面方向3倍洞徑處。

在隧道掌子面前方約1倍洞徑范圍內產生了先行位移，監測結果驗證了數值模型的正確性。同時，在施工過程中要加強掌子面前方1倍洞徑加強監控量測，確保施工安全。

參考文獻

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