大斷面公路隧道初支優化與變形控制

摘要 膨脹土容易引起收縮破壞，對隧道施工質量造成了很大危害，為了限制其變形，可在工程建設中提高鋼拱架強度并預留變形量。文章以鋼拱架取代了鋼格柵，以提高鋼拱架強度。提高預留變形量到25 mm，在后續建設中有效抑制了隧道變形。試驗結果表明：隧道變形的主要原因為圍巖變形、初支抑制圍巖變形的能力不足和初期支護預留變形量不合理。通過使用鋼拱架可有效抑制隧道變形率，相對于鋼格柵降低了35%。通過提高預留變形量，可改善隧洞穩定性，從而抑制其變形。通過提高預留變形率，可減少二襯混凝土用量，進而起到了降低工程造價的作用。

關鍵詞 膨脹土;隧道;變形;控制

中圖分類號 U445.7 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）12-0163-03

收稿日期：2022-03-22

作者簡介：周海林（1986—），男，本科，工程師，研究方向：公路工程。

0 引言

膨脹土主要成分為黏土礦物，水對其體積影響大，具有親水性，在吸水后體積改變較小，而在失水后收縮量較大。膨脹土存在顯著的脹縮性，對工程的安全性與穩定性有著嚴重的影響。

邢發紅等[1]以某地區膨脹土隧道為研究對象，利用有限元軟件計算其安全系數及位移。總結影響膨脹土隧道穩定性的因素。楊軍平等[2]開展干濕循環試驗，研究膨脹土隧道的內力及變形規律。丁小平[3]以某地區隧道為例，分析膨脹土對施工過程的影響，總結了施工過程的注意事項，以保證施工的安全性。陳纖等[4]對膨脹土進行有限元分析，并對比正交試驗結果，分析影響隧道穩定性的關鍵因素。

該文以西南地區某大斷面公路隧道為研究對象，分析施工過程中存在的問題。通過在施工中增大鋼拱架剛度和預留變形量，抑制膨脹土隧道的變形量。分析上述措施對膨脹土變形的改善效果，優化施工方案。為膨脹土隧道施工提供了理論支持與參考依據。

1 工程概況

某公路隧道位于我國西南地區，受西南地區地形限制，隧道通過地區為山區，地形復雜，地勢高低起伏不平，沖溝溝谷為V形。地質構造十分復雜，地層為主要為第四系全新統洪積砂質黃土，滑坡堆積塊石土;上更新統風積砂質黃土和細圓礫土;中更新統沖積砂質黃土，下伏第三系泥巖夾砂巖。隧道局部穿越膨脹土地段。該工程膨脹土自由膨脹率20%～60%，膨脹力5～40 kPa，飽和吸水率12%～29%，對隧道圍巖穩定性影響較大。

2 膨脹土施工難點及現場情況分析

2.1 施工難點分析

2.1.1 預留變形量確定困難

由于膨脹土隧道的變形程度及變形量難以預測，在實際工程中，變形預留量問題成為施工過程中的難點。膨脹土吸水后體積會顯著增大，當預留變形量不足時，會導致初支受膨脹土擠壓而發生開裂的情況，影響隧道的穩定性和施工過程的安全性[5]。如采用較大的預留變形量，施工過程中需要更多的建筑材料，導致工程造價較高，無法保證工程的經濟性。

預留變形量是保證膨脹土隧道安全性與經濟性的重要因素。在保證施工過程安全性的基礎上，降低工程的造價，需要合理選擇預留變形量。

2.1.2 支護參數選擇困難

目前隧道設計大多采用復合式襯砌。初支常采用型鋼結構。由于膨脹土具有脹縮性，且其膨脹與收縮的程度與環境的溫度和濕度有關，變形程度與受力情況較為復雜。為確定土體的相關施工參數，需經試驗測試相關內容，導致膨脹土隧道支護參數難以確定。

2.2 現場施工情況分析

2.2.1 膨脹土段隧道變形情況

隧道DK133+750～780段為膨脹性圍巖。在施工過程中圍巖出現環向裂縫。鋼架結構邊墻和拱腳發生變形。混凝土結構發生剝落情況。上述施工問題對施工過程的安全性存在巨大影響，嚴重影響后續施工的開展，對施工過程產生了不利影響。

對圍巖變形情況進行觀測，斷面變形量監測結果如圖1。由圖可知，在DK133+780斷面，上臺階收斂量最大，為280 mm。在DK133+765斷面和DK133+765斷面有下臺階收斂量最大值，為250 mm。在DK133+765斷面，有最大拱頂沉降量，為220 mm。因此，需重點關注DK133+765斷面和DK133+765斷面，合理控制此處斷面的變形量是施工過程的關鍵問題。根據上述隧道變形量，選擇合理預留變形量對施工的安全性與經濟性有著重要影響。

2.2.2 隧道變形原因初步分析

通過上述對各斷面的變形量監測數據的分析可得，隧道變形的主要原因為：

（1）圍巖變形。由于前期地質勘探測得膨脹土的相關參數與工程實際有差異。為保證施工過程的安全性，針對該工程圍巖泥巖開展室內試驗，研究相關力學性能及工程參數[6]。經室內試驗可得，該工程膨脹土膨脹力為83.7 kPa，膨脹率為71%。由于其膨脹力和膨脹率較大，導致該工程局部變形嚴重。

（2）初支抑制圍巖變形的能力不足。隧道常采用鋼架，間距1.2 m。在土體性質較好的地段，根據隧道設計進行施工，施工狀況良好。在遇到膨脹土地段時，圍巖出現環向裂縫。鋼架結構邊墻和拱腳發生變形。鋼筋混凝土結構發生剝落情況，鋼筋外鼓凸出。由于鋼格柵尺寸在鋼筋變形后發生變化，鋼架底部對接較為困難。上述原因導致初支不穩定，是圍巖發生變形。

隧道設計采用的錨桿與鋼架連接，抗拉強度為150 kN，但力學性能不能滿足實際工程的需要，不能抑制水平收斂，導致變形的發生。

（3）初期支護預留變形量不合理。施工時膨脹性圍巖的特性與前期地質勘探測得膨脹土的相關參數有差異。預留變形量跟普段段相同，而膨脹土具有脹縮性，采用前期的預留變形量使其變形不能滿足要求[7]。

3 膨脹土隧道方案優化

3.1 方案擬定

膨脹土易發生收縮破壞，對隧道施工產生嚴重影響。為控制其變形，可在施工中增大鋼拱架剛度和預留變形量。增大預留變形量為25 mm，采用型鋼鋼架替代鋼格柵，以抑制隧道變形[8]。采用上述優化方案有如下優勢：

（1）型鋼鋼架剛度較大，力學性能優異，可以增大隧道穩定性，抑制隧道變形;

（2）型鋼鋼架在施工過程中效率更高;

（3）鋼架受力加工簡單，質量較易保證，受力效果穩定。

（4）采用型鋼能夠控制隧道變形，減少預留變形量，從而降低二襯混凝土使用量，降低工程造價。

3.2 鋼架受力性能分析

以型鋼鋼架替代原設計格柵鋼架，需分析型鋼鋼架的力學性能。以型鋼鋼架為研究對象，采用有限元軟件分析型鋼鋼架的受力情況。

取隧道上拱部進行分析。以實際工況對有限元模型進行加載，并考慮圍巖膨脹土對型鋼鋼架的膨脹作用。采用兩種不同的工況，考慮集中荷載和均布荷載對有限元模型的影響，對比鋼格柵和型鋼鋼架有限元模型的受力情況[9]。集中荷載和均布荷載作用下變形量對比圖如圖2、3所示。由圖可知，在集中力作用下，格柵鋼架的變形量均大于型鋼鋼架的變形量。當荷載為4 000 N時，變形量最小，當荷載量為60 000 N時，變形量最大。隨著荷載的增大，格柵鋼架與型鋼鋼架的變形量差距越來越大，說明在集中荷載下，型鋼鋼架對變形有明顯的抑制作用。在均布荷載作用下，格柵鋼架的變形量均大于型鋼鋼架的變形量。當荷載為524 525 N時，變形量最小，當荷載量為5 245 257 N時，變形量最大。隨著荷載的增大，格柵鋼架與型鋼鋼架的變形量差距越來越大，說明在均布荷載作用下，型鋼鋼架對變形有明顯的抑制作用[10]。

3.3 優化后現場施工

預留變形量調整為250 mm，改用Φ42鋼花管注漿錨桿，以增強初支穩定性。

優化后的初期支護變形曲線如圖4。由圖可知上臺階收斂最大值為230 mm，優化前上臺階收斂最大值為280 mm，降低了17.8%，優化方案對隧道變形有良好的改善作用。下臺階收斂最大值為230 mm，優化前上臺階收斂最大值為250 mm，降低了8%，優化方案對隧道變形有良好的改善作用。拱頂沉降最大值為150 mm，優化前拱頂沉降最大值為220 mm，降低了31.8%，優化方案對隧道變形有良好的改善作用。優化方案對于拱頂沉降的改善效果最為明顯。

4 結論

該文以西南地區某大斷面公路隧道為研究對象，分析其施工過程中存在的問題。通過在施工中增大鋼拱架剛度和預留變形量，抑制膨脹土隧道的變形量[11]。結論如下：

（1）隧道變形的主要原因為圍巖變形、初支抑制圍巖變形的能力不足和初期支護預留變形量不合理。

（2）在集中力及均布荷載作用下，格柵鋼架的變形量均大于型鋼鋼架的變形量。型鋼鋼架對變形有明顯的抑制作用。

（3）優化后上臺階收斂最大值為230 mm，降低了17.8%，下臺階收斂最大值為230 mm，降低了8%，拱頂沉降最大值為150 mm，降低了31.8%。優化方案對隧道變形有良好的改善作用，且對于拱頂沉降的改善效果最為明顯。

參考文獻

[1]邢發紅， 周和祥， 劉金元， 等. 云驛隧道膨脹土邊坡穩定性分析[J]. 四川建筑， 2019（2）： 176-178.

[2]楊軍平， 王沾義， 樊永華， 等. 干濕交替條件下膨脹土隧道襯砌內力試驗研究[J]. 鐵道科學與工程學報， 2016（11）： 2220-2228.

[3]丁小平. 玉磨鐵路膨脹土地層隧道施工及變形控制技術[J]. 科技與創新， 2022（3）： 94-97.

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