考慮拱部效應的軟弱圍巖隧道掌子面穩定性控制研究

張維明

(中鐵十六局集團第一工程有限公司 北京 101300)

1 引言

隨著我國公路及鐵路交通工程迅猛發展，在大斷面隧道建設過程中常遇軟弱圍巖條件，圍巖變形較大，掌子面剝落破壞現象時有發生，給隧道工作面的開挖帶來安全隱患[1－3]。因此，深入研究大斷面隧道掌子面空間變形特性，提出軟弱圍巖及掌子面超前支護的有效控制方法，對豐富隧道工程理論及推動大斷面山嶺隧道建設具有重要意義。

國內外眾多專家學者對隧道破碎軟弱圍巖大變形問題展開了探討，在軟巖隧道變形機理研究方面，孫鈞等[4]闡述了軟弱圍巖擠壓型大變形非線性流變問題的研究方法；聶利超[5]分析了不同開挖方法下圍巖變形特性；Laurits[6]研究軟黏土在應力－滲流－溫度耦合作用下的應變軟化特性，構建了多場耦合下的應變軟化模型；Sterpi等[7]以收斂約束法為基礎，提出“結構軟化”及“材料軟化”模型分析方法；Callari[8]對隧道應變軟化現象展開研究。在不良地質隧道穩定性控制研究方面，于天賜[9]以成蘭鐵路為工程背景，分析了隧道圍巖大變形破壞原因；關寶樹[10]對大量工程案例進行了研究，總結了預控位移、加強初支、防控沉降的圍巖控制方法；董新平等[11－12]對軟弱圍巖超前加固方法中的超前管棚法進行研究。綜上所述，局部取樣分析巖石性質不能完全體現隧道圍巖變形特性，還需考慮隧道宏觀結構；圍巖控制研究多以二維斷面為主，需進一步開展掌子面預收斂變形研究工作。

本文以天庒高速清泉隧道為工程背景，基于新意法及非完全拱理論分析大斷面隧道軟弱圍巖空間變形機理及影響范圍，利用有限差分方法構建三維隧道模型，對多種工況進行模擬分析，研究不同加固方法對圍巖空間變形的控制效果，根據計算結果提出符合現場實際要求的控制方案，通過與現場監測，驗證支護方案的可靠性。

2 不完全拱效應的隧道圍巖變形特性

2.1 新意法基本原理

“新意法”是意大利學者Lunardi教授及其團隊以新奧法及大量工程應用為基礎，在不斷實踐中探索出來的隧道圍巖穩定性控制方法。“新意法”全稱為“新意大利隧道施工法”(New Italian Tunnelling Method)，其不僅注重隧道臨空面圍巖與支護結構作用關系，還考慮到了掌子面與待成拱圍巖之間的受力變形特點，從三維空間角度詮釋了施工過程中圍巖變形規律[13]，新意法基本原理如圖1所示。

圖1 新意法隧道圍巖變形特征

新意法可分為三部分，一是“超前核心土”，超前核心土是隧道工作面前方一定范圍內的待開挖土體，深度約為隧道最大跨度；二是“掌子面擠出變形”，隧道在開挖時由于應力重新分布，待成拱圍巖擠壓超前核心土，使掌子面凸出，最終呈現為螺旋狀；三是“預收斂變形”，由于應力重分布導致待成拱圍巖向隧道輪廓線內收斂。通過將隧道掌子面的破壞特征進行總結和統計，其破壞形式主要分為掌子面坍塌、掌子面巖塊脫落以及掌子面圍巖剝落。隧道掌子面的破壞特征如圖2所示。

圖2 隧道掌子面破壞形式

2.2 隧道圍巖拱部效應

隧道工程從開挖到貫通是一個動態的過程，也是一個圍巖應力不斷調整的過程，當隧道輪廓線內的巖體被挖移后，輪廓線外圍巖就會在原巖應力作用下向自由面擠壓產生收斂變形。當工程地質條件較好時，隧道圍巖可通過自身強度及應力調整達到新的平衡，但在施工過程中，多遇軟弱破碎圍巖條件，圍巖難以自穩，則需施作支護結構控制圍巖變形，所以正確認識圍巖壓力分布規律成為處理圍巖－支護相互作用關系的關鍵。

隧道開挖后圍巖壓力通過調整形成類似水流通過橋墩的應力狀態，即隧道輪廓線外形成應力增大區，這種效應稱之為拱效應，如圖3所示。當圍巖自承能力較強，斷面開挖后圍巖處于彈性狀態，那么拱部效應貼近輪廓線，稱為“自然拱部效應”；若斷面開挖后圍巖處于彈塑性狀態，輪廓線周圍將產生塑性區，拱部效應則會向圍巖深部轉移而偏離輪廓線，稱為“轉移拱部效應”；由于圍巖松散破碎，隧道掌子面出現滑移，此狀態的拱部效應則很難形成，這種情況則稱為“無拱部效應”。在軟弱圍巖隧道施工過程中，圍巖多為無拱效應，根據新意法理論，為保障隧道掌子面能夠安全掘進，應在掌子面前采取預加固或預支護措施來增強掌子面－超前核心土體系的強度，促使拱效應在輪廓線附近形成。

圖3 拱部效應示意

3 清泉隧道圍巖力學特性

3.1 工程概況

清泉隧道位于甘肅省天水市清水縣紅堡鎮清泉村境內，穿行于牛頭河左岸山體，為雙洞短隧道。隧道左線進口樁號ZK134＋993，出口樁號ZK135＋283，隧道長690 m。右線進口樁號YK135＋002.7，出口樁號YK135＋270，隧道長267.3 m。隧道最大埋深190 m。隧道進口處表層為花崗巖及砂巖，大部分基巖裸露并且風化嚴重，節理發育并且巖層間軟弱夾層較多，洞口段地形條件較差，隧道中段巖體破碎，為較軟巖，自穩能力差，對圍巖穩定不利。

通過現場勘察調研發現，清泉隧道右洞掌子面在施工過程中出現較大擠出變形，由于未采取及時控制措施，導致掌子面發生局部剝落和坍塌失穩。綜合考慮多方面因素，清泉隧道掌子面失穩原因可總結為以下幾個方面:

(1)隧道地質條件較差，圍巖節理發育、風化嚴重和地應力較大等因素是致使掌子面失穩的根本原因。

(2)隧道圍巖自穩能力差，斷面開挖后圍巖處于無拱效應狀態，圍巖產生滑移破壞，導致掌子面發生坍塌。

(3)施工過程中重點考慮了隧道的徑向支護，忽略了沿隧道軸向對掌子面及超前核心土的預加固及預約束，是導致掌子面發生剝落坍塌失穩的直接原因。

3.2 圍巖參數獲取

為進一步研究清泉隧道掌子面變形失穩特征及控制措施，現場鉆取圍巖巖樣，將巖樣密封送至實驗室進行加工打磨，制成50 mm×100 mm的標準試件，利用長春朝陽生產的TAW2000型電液伺服剛性試驗壓力機開展力學參數測定試驗。

在地下工程施工過程中，由于巖層中節理裂隙的存在，室內試驗獲得的巖石參數難以真實反應工程中巖體特性，為獲取合理的圍巖參數，本文將Hoke-Brown強度準則和E.Hoke提出的GSI圍巖評級系統相結合，對圍巖參數進行弱化折減，其中GSI指標是對巖體強度進行折減的重要參數。

隧道軟巖段圍巖性質為強風化砂巖，室內圍巖試樣單軸抗壓強度σci＝21.5 MPa，根據現場地質勘探調查結果，分析計算獲得Hoke-Brown強度參數，如表1所示，其中GSIp為峰值地質強度指標，GSIr為殘余地質強度指標，m、s為Hoke-Brown常數。

表1 清泉隧道圍巖力學參數

4 隧道掌子面穩定性分析及控制

4.1 新意法預支護計算

清泉隧道施工過程每1.2 m為一個循環，初期支護采用錨桿＋噴射混凝土＋鋼拱架支護方式，其中錨桿直徑為22 mm，長度為2.5 m，間距為1.8 m×1.8 m，鋼拱架型號為 20a工字鋼，混凝土標號為C30，但掌子面－超前核心土體系并無預支護。根據新意法原理，為控制掌子面穩定性，促使拱效應在臨近隧道輪廓線附近形成，采用玻璃纖維錨桿對工作面進行預加固，利用超前管棚支護方式對待開挖圍巖進行預約束。

假設施工過程中超前核心土為剪切破壞，并且遵循Mohr-Coulomb強度準則，破壞面與水平夾角為π/4＋φ/2，根據材料力學計算方法可得:

式中，Kbol為加固超前核心土抗拉剛度(N/m)；Gbol為剪切模量(Pa)；Mbol為剪切剛度(N/m)；Ebol為彈性模量(Pa)；v為泊松比；φ為巖體內摩擦角(°)；A1為截面慣性矩(m4)；A2為受剪截面面積(m4)。

假設錨桿加固位置為梅花形等距布設，則錨桿間距S為:

式中，Pv為圍巖垂直壓力(Pa)；φ′為加固超前圍巖內摩擦角(°)；δX為掌子面允許擠出變形量(m)；Lbol為錨桿加固長度(m)，一般為1.5倍隧道跨度；Φ為錨桿直徑(m)；Q為錨桿端頭常數。

掌子面推進過程中，預支護區域將不斷減小，為保證掌子面的穩定性，需在支護區域完全被開挖之前進行下一支護循環，此時兩個加固循環的最小搭接長度為:

式中，L1為最小搭接長度(m)；D為隧道開挖高度(m)。

通過計算獲得支護參數，如圖4所示。本文利用有限差分方法模擬清泉隧道施工及掌子加固，模型尺寸及邊界條件如圖5所示，側壓力系數為0.5。

圖4 掌子面－超前核心土預支護

圖5 清泉隧道模型

掌子面擠出變形計算結果如圖6所示，當工作面不施加支護時，掌子面最大擠出變形為121.4 mm，出現在工作面中心；當對掌子面進行預約束支護時，掌子面最大擠出變形為81.1 mm；當對掌子面進行預加固支護時，掌子面最大擠出變形為39.6 mm，通過對比可知，掌子面經過預加固或預約束后擠出變形量明顯減小。

圖6 不同支護條件下掌子面擠出變形曲線

隧道圍巖收斂變形計算結果如圖7所示，從圖中可知，隧道收斂變形可分為三區域，第一區域為預收斂階段，該區域影響范圍約為1.2倍隧道跨度；第二區域為加速收斂階段，該區域影響范圍約為1倍隧道跨度；第三區域為緩速收斂區，影響范圍約為1.5～2倍隧道跨度，通過緩速區域后隧道變形趨于穩定。

圖7 不同支護條件下圍巖收斂曲線

圖7曲線顯示臨近掌子面處的收斂變形明顯大于深部位置，并且在掌子面位置處變形發生驟降，這說明超前核心土在掌子面處發生了剪切破壞，致使上方土體變形較大，通過對比發現，對掌子面進行預支護后圍巖整體收斂變形減小。通過上述分析可知，對掌子面－超前核心土進行預支護能夠有效控制掌子面圍巖收斂變形，保障施工安全。

4.2 現場監測分析

現場采用預加固和預約束聯合加固的方式，支護方式及支護參數同上文所述。采用Horn-X2高精度激光測距儀和全站儀對隧道斷面及圍巖進行觀測，在隧道斷面上利用十字分布法布置觀測點，實時記錄掌子面擠出變形并記錄最大數據值，掌子面擠出變形如圖8a所示。

圖8 現場監測數據

采用定制的CX-3D多段數顯測斜儀實施監測掌子面收斂變形，埋設傳感器時先沿隧道輪廓線向掌子面內部垂直鉆孔，鉆孔深度為4倍隧道跨度，傳感器長度定制為2倍隧道跨度，將傳感器埋設到鉆孔底部，當斷面向前掘進2倍隧道跨度時傳感器開始采集圍巖沉降數據，圍巖收斂變形結果如圖8b所示。從圖中可以看到，在掌子面位置處無支護收斂曲線發生斷裂，這是由于此時掌子面發生坍塌破壞，圍邊變形突然增大，致使監測數據出現空缺，當采用預支護措施后，圍巖收斂變形整體減小，隧道整體結構穩定性增強。

通過與數值計算結果對比發現，無支護時隧道斷面擠出變形監測曲線及圍巖收斂變形曲線均和數值計算結果接近，其中現場監測掌子面最大擠出變形量為128.1 mm，數值計算結果為121.4 mm，圍巖最大收斂變形量為116.1 mm，數值計算結果為118.7，說明有限差分法能夠合理分析掌子面穩定性，為工程實踐提供可靠指導。通過對比還可以看到，針對隧道掌子面施作預約束和預加固聯合支護手段，其控制效果十分明顯，工作面擠出變形得到有效的控制，隧道圍巖整體變形控制在規定要求范圍內，現場未出現支護結構破壞現象，驗證了掌子面預支護方案的可靠性。

5 結論

(1)若隧道地質環境惡劣，掌子面圍巖軟弱破碎，其自穩能力差，隧道斷面開挖后圍巖易產生滑移破壞，處于無拱效應狀態，隧道掌子面－超前核心土體系在無支護前提下極易發生破壞。

(2)軟弱破碎圍巖縱剖面收斂變形曲線可分為預收斂變形、加速收斂變形、緩速收斂變形三部分，影響范圍分別為1.2倍、1倍和1.5～2倍隧道跨度。

(3)超前核心土預加固和預約束措施不僅能夠有效控制掌子面－超前核心土體系穩定性，還能改善開挖后圍巖的收斂變形，為整體隧道結構提供約束作用。