軟巖大變形隧道拱腳臨時支護方案分析

諶桂舟

（四川久馬高速公路有限責任公司，四川 成都 610000）

0 引言

我國西部地區“河西走廊-祁連山-西秦嶺-隴南-汶川”地帶分布有大范圍以板巖、泥巖、炭質板巖、千枚巖等為代表的軟弱破碎巖土地層，在這樣的地層中修建隧道常會出現軟巖大變形問題，給隧道施工和運營帶來巨大威脅。

已有研究分析表明[1-4]：軟巖大變形隧道開挖后圍巖累計變形量大、變形速率快和變形持續時間長。施工過程中，如果支護體系施作滯后、支護強度及剛度不足，會加劇圍巖性狀惡化，圍巖塑性區與松動圈持續不斷擴大，可能導致圍巖-支護體系變形過大及結構破壞等問題。針對軟巖大變形這一難題，目前主要以“短進尺，少擾動，快支快錨，早封閉，早成環”的理念，采取加大預留變形量、調整隧道輪廓、長短錨索結合、增設臨時仰拱等措施，來達到控制變形的目的[5-8]。但是臨時仰拱施工鋼架的施工精度、鋼架與小導管施工的配合緊密程度等因素對施工質量影響較大[9]，且對施工工效存在一定的影響；當預留變形量超出一定的量值，則相當于圍巖出現超挖現象，會造成施工成本的上升[10-12]，并且預留變形量過大，可能誘發初期支護突然失穩；采用長短錨索結合的方式來加固圍巖，對成本和工期有較大的影響。

鑒于此，本文借鑒傳統臨時仰拱的方式，在盡可能降低成本，不影響原有工效的前提下，將臨時仰拱優化為拱腳臨時支護，并根據實際的監控量測變形數據，與原設計、施作臨時仰拱兩種方案進行比較，分析其應用效果。

1 工程概況

該隧道設計為雙向四車道分離式隧道，屬特長隧道，平均海拔3600m，隧址區屬于高原低高山-丘原地貌的過渡帶，進口段地形切割較大，地形較陡，中部到出口段地形平緩，山頂多呈“饅頭狀”，隧道最大埋深約386m。隧道圍巖穿越中生界三疊系中統扎尕山群及中生界三疊系上統雜谷腦組，（碎裂狀）變質石英砂巖、砂質板巖與板巖互層為主，夾薄層灰巖、千枚狀板巖構成韻律層，并含擠壓破碎帶，巖石整體上屬軟巖—較硬巖，局部受擠壓破碎帶影響段為極軟巖，巖質極不均勻，巖性變化頻繁，節理裂隙發育且軟弱夾層較多，Rc=2~30.09MPa。也就是說，該隧道屬于軟巖大變形隧道。

此外，隧道穿越兩個斷層及一個富水向斜段，向斜核部及擠壓破碎帶為地下水儲水構造帶，地下水較豐富，呈線狀—股狀，有涌突水或大變形的可能。頂拱無支護時易掉塊、坍塌,側壁穩定性較差；隧址區中板巖、砂質板巖屬于軟巖，而變質石英砂巖屬于較硬巖，巖體以軟巖—較硬巖為主，由于巖體破碎，圍巖等級以IV、V 級為主，隧道開挖后易出現垮塌、掉塊。在擠壓破碎帶、斷層破碎帶及板劈理密集帶部位，由于巖質強度遇水軟化明顯，強度極低，受地應力影響極易發生擠壓性圍巖大變形。

2 軟弱圍巖支護方案

2.1 原支護設計方案

原設計初期支護采用I20b 工字鋼，間距60cm/榀，Φ8 鋼筋網片及C25 噴射混凝土。二次襯砌采用60cm厚C30鋼筋混凝土。原設計支護示意圖如圖1所示。

圖1 原設計支護示意圖

在采用原設計支護參數的施工過程中，隧道最大累計變形量達1mm，且初期支護鋼拱架出現不同程度的扭曲變形，變形部位主要集中在中臺階拱腳連接板位置，如圖2 所示，給現場施工帶來了極大的困難，月進尺僅有18m。

圖2 原設計方案施工現場情況

2.2 增設臨時仰拱方案

為保證施工安全和質量，控制變形，在原設計基礎上，增設臨時仰拱。臨時仰拱施作在中臺階位置，采用I20b 工字鋼，在施作下臺階時將臨時仰拱拆除。根據監控量測數據顯示，施作臨時仰拱后，累計變形量縮小至20cm。由于臨時仰拱安裝及拆除時，施工機械無法跨越中臺階，須將掌子面暫時封閉，因而對施工工效有較大的影響，月進尺為25m。

2.3 拱腳臨時支護方案

為解決隧道變形及施工工效問題，借鑒臨時仰拱的作用機理，提出拱腳臨時支護方案，同樣施工在中臺階位置，如圖3所示。

圖3 拱腳臨時支護

由于拱腳臨時支護不是沿隧道橫斷面通長設置，因而在施工拱腳臨時支護時，基本不影響掌子面施工，對比臨時仰拱支護方案，施工工效有了極大提升，變形也僅為30cm。此外拱腳臨時支護可以重復拆換使用，成本也得以控制。

3 不同支護方案對比分析

3.1 監控量測點布設

該隧道采用三臺階預留核心土施工工法，監控量測點位布設如圖4 所示，一共埋設5 個測點，主要測量隧道拱頂、拱腰、拱腳的沉降與收斂變形量，監測頻率一天一次。

圖4 監控量測點位布設

3.2 不同軟巖支護方案對比

為了對比拱腳臨時支護方案與原設計方案、臨時仰拱支護方案的累計變形，并探索臨時拱腳支護長度與變形量之間的關系，現場實際施作了拱腳支護長度為1m、1.5m、2m的三種形式。選取幾組典型斷面，根據監控量測數據，各工況累計變形量如表1所示。

表1 不同方案下的累計變形量（單位：cm）

從表1 可以看出，臨時仰拱對控制變形有很大的作用，累計變形量僅為原來的20%；臨時拱腳支護對變形控制也有一定的作用，累計變形量僅為原設計支護方案下的27%~37%。且臨時拱腳支護的支撐長度越長，累計變形量越小，但兩者非線性關系，主要原因為，臨時拱腳支撐主要靠三角撐傳遞圍巖反力用以支撐拱腳，達到減小變形的目的，所以一味加長臨時拱腳支撐長度，而不考慮豎向深度及圍巖自身的強度，當圍巖收斂的應力足以讓支撐部分的圍巖出現變形甚至破壞時，對收斂變形的控制反而不利。

通過一個施工循環時間及月進尺，對比分析臨時拱腳支護方案、原設計支護方案及臨時仰拱支護方案對施工工效的影響，如表2所示。

表2 不同方案下的工效對比

從表2 可以看出，原設計支護方案下的施工循環時間最少，但是由于其變形量過大，施工過程中時常需要采取加固措施控制圍巖變形，甚至需要拆換拱，因而其月進尺最小。臨時仰拱由于其施工工序問題，循環時間最長，但是其控制收斂變形作用較好，因而其月進尺較原設計有較大提高。臨時拱腳支護方案的施工循環時間較臨時仰拱有較大縮短，月進尺較原設計及臨時仰拱方案有較大提升。此外還可以看出，臨時拱腳支撐長度不影響施工循環時間及月進尺。

綜上所述，采用臨時拱腳支護措施，對軟巖大變形隧道變形控制有一定的作用，且對施工工效的影響較小。

4 結束語

本文借鑒了臨時仰拱的施工工藝，提出了一種用于軟弱圍巖變形控制的臨時拱腳支護方案。通過對比不同支護方案的累計變形量、循環時間及月進尺，分析出采用臨時拱腳支護方案對軟巖大變形隧道變形控制有一定的作用，且對施工工效的影響較小；對比分析了臨時拱腳支撐長度與累計變形量之間的關系，發現臨時拱腳支撐長度不影響施工循環時間及月進尺，可為類似的軟巖大變形隧道施工提供一定的參考。在后續的研究中，應該進一步分析臨時拱腳支撐豎向深度與累計變形量之間的關系。