千枚巖軟巖隧道支護受力分析及控制技術

王超 陳孔福 趙何霖

隧道軟巖大變形及其控制問題一直備受關注，依托九（寨溝）綿（陽）高速水牛家隧道，針對千枚巖隧道開挖的大變形問題，選取隧道典型斷面監測進行現場監測。利用監測數據繪制對應的變化曲線，分析了錨桿軸力、圍巖壓力與鋼拱架受力隨開挖過程的變形規律，為支護參數的調整和變形控制措施的提出提供依據。監測結果表明：隧道開挖后，各個位置錨桿軸力前期增長較快，開挖25天后逐漸趨于穩定，最大值為12.4 kN；圍巖壓力與鋼架受力均出現先突增，再回彈，最后趨于平緩的規律。圍巖壓力最大值為0.78 MPa，穩定時間65天左右；鋼架軸力最大值為26.8 kN，穩定時間60天左右；依據現場監測結果，采取了優化斷面形狀、使用長短錨桿、加大預留變形量以及增加初支強度等措施控制大變形。研究成果可為類似軟巖隧道施工控制提供重要借鑒。

隧道工程； 軟巖大變形； 現場試驗； 受力特征； 變形控制

U455.7 A

［定稿日期］2022-02-22

［作者簡介］王超（1984—），本科，高級工程師，主要從事隧道工程施工管理工作；趙何霖（2000—），男，碩士，研究方向為隧道及地下工程設計理論。

［通信作者］陳孔福（1997—），男，碩士，研究方向為隧道與地下工程。

隨著中國西部地區隧道工程建設越來越多，而西部地區以地形地質條件復雜多變，不可避免地會出現軟巖大變形問題，如成蘭鐵路茂縣隧道、木寨嶺公路隧道和烏鞘嶺隧道等［1-5］，特別是隧道穿越炭質板巖、炭質千枚巖等地層時，軟巖大變形問題突出，造成初期支護嚴重變形、混凝土開裂、鋼架扭曲等，給隧道工程的施工建設安全與進度帶來很大威脅。

目前，許多專家學者已對軟巖隧道大變形進行了現場受力監測與分析。張帥軍等［6］為了分析水平砂泥巖隧道錨桿支護效果，以段家坪隧道為例，通過數值模擬和現場監測，對隧道拱頂沉降、錨桿軸力和初期支護與圍巖接觸壓力進行研究。曹明星等［7］分析了軟巖隧道圍巖、鋼拱架受力特征，以及施作臨時仰拱對隧道圍巖壓力等的影響。馮星［8］通過監測隧道變形和受力，分析揭示了圍巖和支護結構相互作用的機理，探討了有效控制隧道大變形的措施及施作二次襯砌的最佳時間范圍。丁遠振等［9］分析了穿越斷層隧道結構破壞產生的原因，并進行了現場受力監測，得出了高地應力軟巖大變形支護應力與變形特征，提出了控制大變形的技術措施。王英帆等［10］針對隧道大變形問題，在現場監測了隧道圍巖變形、鋼拱架應力、圍巖壓力等，探討不同施工階段圍巖的變形規律和受力特點，并通過數值模擬對不同鋼架間距的圍巖變形控制效果進行對比分析。趙晨陽等［11］針對隧道存在的大變形、混凝土剝落、鋼架扭曲等問題，通過分析病害形成原因，提出應對措施，并通過現場試驗驗證措施的可行性。

軟巖隧道結構受力監測與變形規律等方面已有諸多研究，但各個隧道的地質狀況、開挖方法、支護方案等存在差異，因此隧道大變形問題仍需根據工程具體問題與情況進一步研究。本文依托九綿高速水牛家隧道進行現場監測，分析了開挖施工時變化規律，并提出了隧道大變形控制措施，為類似隧道工程施工提供經驗。

1 工程概況

1.1 隧道概況

九綿高速水牛家隧道右線長3 936 m，其中Ⅳ級圍巖2 148 m，Ⅴ級圍巖1 788 m。該段隧道穿越山地地區，地形起伏較大，地層巖性主要為板巖、炭質板巖和千枚巖，以及少部分斷層破碎體。其中千枚巖為青灰色、中風化、裂隙發育、軟巖、巖體較破碎，與板巖互層或夾層。隧道區地下水水量貧乏，主要為基巖裂隙水和松散巖類孔隙水，水文地質條件較簡單。雨季施工有點滴—線流狀出水。

Ⅴ級圍巖采用三臺階預留核心土法開挖施工，人工開挖或弱爆破開挖，Ⅳ級圍巖采用二臺階預留核心土法施工。隧道凈寬10.98 m，凈高7.15 m，水牛家隧道設計橫斷面如圖 1所示，隧道采初期支護厚為26 cm的噴錨支護，二次支護厚為60 cm的C30鋼筋混凝土，錨桿長為3 m。

1.2 隧道結構大變形情況

隧道在建設期間產生了較嚴重的擠壓大變形，表現為鋼架扭曲、混凝土開裂及初期支護侵限，典型區段隧道的情況如圖2所示。隧道試驗段圍巖變形較大，最大拱頂沉降為 80 mm，單次拱頂沉降速率最大值為15.8 mm/d，最大水平收斂量180 mm，單次收斂速率最大值為 40.2 mm/d。

2 軟巖大變形隧道支護受力監測

水牛家隧道施工過程中大變形比較嚴重，在左、右洞ZK73+622、ZK73+636、YK73+973、YK73+980典型斷面對洞內圍巖壓力、鋼拱架內力、錨桿軸力進行監測與分析。

錨桿軸力采用振弦式智能錨桿軸力計進行監測，以便確定錨桿工作和內部受力狀態，分析錨桿受力規律，判斷圍巖塑性區發展情況，每個斷面埋設4根長6 m的量測錨桿，每桿布置4個錨桿軸力計。

在隧道圍巖和初期支護之間埋設振弦式智能土壓計進行量測，目的是判斷圍巖的穩定性及圍巖的應力分布狀態，判別斷面隧道施工方法的合理性。每個隧道斷面布設量5個測點，每個測點布設1個土壓計。

鋼拱架內外側安裝振弦式智能鋼筋測力計量測初期支護鋼拱內力和外力，分析其受力變化特征，判斷初期支護受力是否合理。每個隧道斷面布設了5個測點，每個測點布設1對鋼筋測力計。隧道受力監測點總體布置如圖 3所示，共有A、B、D、E 4個監測部位，分別對應于左拱腳、左拱肩、右拱肩、右拱腳，每個監測部位由洞內向外分別有編號1～4的4錨桿監測點。

3 隧道支護受力特征分析

限于篇幅，根據施工現場監測情況，對YK73+973斷面進行支護受力特征分析。

3.1 隧道錨桿軸力分析

通過對錨桿軸力監測分析，得到YK73+973斷面左拱肩與左拱腳錨桿軸力時程曲線分別見圖4與圖5，正值為受拉狀態，負值為受壓狀態。

從圖4可以看出，隧道左拱肩錨桿B2-B4共3個錨桿軸力計均受拉，說明此錨桿發揮了限制圍巖變形的作用，軸力增加速率逐漸變緩，在第8天達到最大錨桿軸力，大小為9.0 kN。20天后趨于穩定，穩定后B4錨桿軸力最大，為8.3 kN。錨桿B1錨桿軸力計所受拉力先增加，后減小，最終變為受壓，25天后趨于穩定。產生此變化趨勢的原因是一開始受開挖影響，洞周圍巖有較大變形，錨桿限制其繼續變形從而受拉，后來初支發揮作用，支撐錨桿，使其受壓。

從圖5可以看出，隧道左拱腳錨桿A1錨桿軸力計先受拉，后受壓，曲線變化趨勢為所受拉力先迅速增加，第7天達到最大軸力12.4 kN，再陡降，后緩慢減小，最終變為受壓，20天后基本穩定在-1 kN，隧道初支結構穩定受力。錨桿軸力產生此變化趨勢的原因是一開始受開挖擾動，洞周圍巖有較大變形，錨桿限制其繼續變形從而受拉，后來初支發揮作用，限制圍巖變形，支撐錨桿，使其受壓。錨桿A2-A4共3個錨桿軸力計均受拉，變化趨勢為先增加，增加速率不斷降低，15天后趨于穩定，穩定后A3有最大錨桿軸力4.5 kN。

隧道YK73+973斷面左、右拱肩與拱腳錨桿軸力沿洞周分布，如圖6所示。

由圖6可知，圍巖錨桿淺部與深部監測點均有可能出現軸力最大值，左拱腳與左拱肩軸力最大值出現在靠近洞內的A、B位置，分別為12.4 kN、8.9 kN，右拱肩與右拱腳軸力最大值出現在D、E位置，分別為-32.1 kN、58.4 kN。右拱肩與右拱腳淺部監測點出現受壓狀態可能是因為錨桿隨著圍巖向隧道內變形而受到鋼拱架、鋼筋網與噴射混凝土的共同支撐作用。同時，隧道左、右側數據出現明顯的不對稱性。

3.2 隧道圍巖壓力分析

水牛家隧道各監測部位圍巖與初期支護接觸壓力變化曲線結果如圖 7所示，正值為受壓狀態。

由圖7可知，拱頂與左、右拱肩圍巖壓力整體趨勢呈急劇上升—陡降—上升，隧道上臺階開挖后圍巖壓力迅速上升，中臺階開挖并施作初支，圍巖壓力仍在上升，在兩側拱肩位置應力集中最為明顯，左拱肩圍巖壓力最大值達到0.78 MPa。下臺階開挖后，拱頂與左、右拱肩應力陡降，仰拱施作后圍巖壓力又緩慢上升；左右拱腳安裝儀器后左右拱腳圍巖壓力逐漸增加，25天后左拱腳圍巖壓力達到0.14 MPa，右拱腳圍巖壓力為4.70 kPa。二次襯砌施作后，各監測部位圍巖壓力稍有增加，在第65天，左拱肩、拱頂、右拱肩、左拱腳、右拱腳圍巖壓力逐步趨于穩定，均處于受壓狀態，左拱肩有最大圍巖壓力0.69 MPa，右拱腳有最小圍巖壓力0.076 MPa。

圖8為YK73+973斷面各監測部位圍巖與初期支護最大接觸壓力分布圖，圍巖壓力最大值位于左拱肩，大小為0.78 MPa，最小值為右拱腳處的0.09 MPa，可知相對于拱頂與拱腳，左、右拱肩承受較大的圍巖壓力，總體上圍巖壓力上部大下部小。圍巖壓力大小是左拱肩>右拱肩>拱頂>左拱腳>右拱腳，左、右側分布出現明顯的不對稱現象。

3.3 鋼拱架內外側力分析

水牛家隧道YK73+973斷面鋼拱架內外側受力如圖 9和圖 10所示，正值代表受拉狀態，負值代表受壓狀態。

由圖9看出，隧道上臺階與中臺階開挖后，鋼拱架拱頂、左、右拱肩受力前期迅速增大，峰值達到-22.79 kN，下臺階開挖期間，鋼拱架受力突然減小，待初支閉合成環和仰拱施作后，受力又開始增加，增長速率逐漸減慢，施作二襯后逐漸達到穩定，穩定后峰值-26 kN左右。拱頂與右拱肩始終處于受壓狀態，右拱肩一段時間處于受拉，最終受壓。左拱腳一開始受拉，一段時間后，左拱腳受力趨于0，主要因為鋼拱架與測力計與焊接不夠牢固，在受力后焊縫開裂，造成測力計測不到更大的力。右拱腳始終受拉，說明此處鋼架外側受拉，變化趨勢先迅速增加，最高達到15.24 kN，然后開始減小，最后逐漸穩定在13 kN左右。穩定后可以看出，外側鋼拱架受力大小是拱頂>右拱肩>左拱肩>右拱腳。

由圖10看出，隧道上臺階開挖后，鋼拱架拱頂及左、右拱肩受力前期也是迅速增大，峰值達到-21.86 kN，下臺階開挖期間，鋼拱架受力不斷減小，待初支施作完成并閉合成環后，受力又開始增加，增加速率逐漸減慢，施作二襯后基本達到穩定，峰值在-26 kN左右。左拱腳變在下臺階開挖后先迅速增加到15.2 kN，后逐漸減小，由受拉變為受壓，最終穩定在17 kN左右。內側右拱腳變化規律與外側類似，始終受拉，先迅速增加達到12.60 kN，后在仰拱施作后迅速減小，二襯施作后逐漸穩定在8 kN左右。穩定后可以看出，內側鋼拱架受力大小是拱頂>左拱肩>右拱肩>右拱腳>左拱腳。

4 隧道施工大變形控制技術

針對水牛家隧道出現的輕微變形與中等大變形，現結合大變形特征、原因及受力規律，采用有針對性的改進措施。

采取優化斷面形狀的措施以增強圍巖的自支承作用，為了釋放圍巖中的彈性變形現加大預留變形量，確保初支結構不會發生失效破壞而增加初支護強度，增加錨桿長度的目的是控制拱頂沉降與水平收斂。具體改進措施詳見表１。

通過以上措施的采用，逐步控制住了圍巖的大變形，輕微與中等大變形隧道設計橫斷面如圖 11與圖 12所示。

5 結論

從對九綿高速水牛家隧道斷面展開錨桿軸力、圍巖接觸應力、鋼拱架受力監測分析，得出幾點結論：

（1）隧道各個部位錨桿軸力前期會較快增長，個別會出現軸力下降的情況，后期逐漸穩定，最長的穩定時間為25天。隧道左、右側對稱位置錨桿表現為明顯的不對稱性，是由于千枚巖具有一定傾角造成的。

（2）上臺階開挖后，圍巖與初期支護進行重分布導致圍巖應力急劇增大；下臺階的開挖減少了隧道內的下部支撐，應力短期內減小；二次襯砌施作后，提供了強有力的支護作用，圍巖壓力有所增加。開挖過程中，圍巖壓力最大值為0.78 MPa，趨于穩定時間約為65天。

（3）鋼拱架內外側變化趨勢，同圍巖壓力類似，鋼架受力也存在著一個先突變，再回彈，最后趨于平緩的時間分布特點。內外側鋼架力最大值分別為26.8 kN、26.2 kN，均處于受壓狀態，穩定時間為60天左右。

（4）施工中要盡量縮短懸空時間，及時施作支護，及早封閉，保護好支護系統。采用優化斷面形狀、加長錨桿、加大預留變形量以及增加初支強度等方式，有效控制住圍巖的大變形。

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