隧道大變形控制及支護方式探究

蒲自俊

（中國鐵路成都局集團有限公司，四川 成都 610081）

隨著國家交通運輸業的發展，隧道應用越來越廣泛，而其往往修建于山區，容易受到地質災害的困擾，因此，許多研究人員對隧道安全問題進行了一系列研究。

文章基于實際工程案例，針對其易發生擠壓大變形災害，提出了三種隧洞支護方案，通過監測數據，對比了三種支護方案的豎向沉降和水平收斂情況。在此基礎上，分析了初期支護和二次襯砌結構的接觸壓力以及內力情況。

1 工程背景

1.1 工程概況

該隧道工程為雙洞分離式設計，共6個車道。隧道寬度為15 m，高為5.2 m，高跨比約為0.7 m，18.8 m的開挖跨度，列車速度按照120 km/h進行設計考慮。該隧道為特長埋深隧道，左線長達5 864 m，右線長達5 872 m，最大埋深約為695 m。

1.2 地質條件

隧道周圍有較大的地形起伏，存在陡峭的谷坡和山脊，隧道的試驗段埋深為240～290 m。圍巖主要為鱗片粒狀的綠泥石片巖，主要礦物成分包括斜長石、綠泥石、黑云母等，在較為潮濕的條件下強度較低，容易軟化，地質條件較差。經試驗測得，該巖體的黏聚力約為130 kPa，內摩擦角27°～32°，泊松比約為0.3。查閱相關勘測統計資料，隧道在水平方向的應力為最大主應力，約為20 MPa。總體來說，隧道試驗段地質條件較差，巖體力學強度不高且易發生軟化變形，因此，容易產生擠壓大變形。

1.3 大變形災害

在隧道施工過程中，該隧道周圍發生過多起擠壓大變形災害。擠壓大變形災害在工程中具體表現為路面開裂、支護變形、混凝土裂縫出現以及鋼架的扭曲斷裂，導致施工一度停滯，延緩了工程進度的進行，導致工程成本增加。

根據工程斷面埋深和最大沉降分布情況可知，斷面變形主要發生在埋深240～300 m之間，埋深與沉降呈現出離散分布情況。斷面最大沉降的均值為575.8 mm，最大沉降大于該值的斷面數量和小于該值的斷面數量基本一致，大于最大沉降平均值的斷面主要分布在埋深240～280 m之間，而小于最大沉降平均值的斷面主要分布在埋深更大處，為280～320 m之間。根據工程最小主應力與最大離散值分布情況，斷面最大收斂值與最小主應力之間呈現離散分布情況。平均最大收斂值為269.7 mm，較大的收斂值點對應的最小主應力較小，最小主應力超過6.5 MPa之后，主要為較少的收斂值點。

2 不同支護形式對比

2.1 試驗方案

為了預防大變形災害，以及在發生災害后進行沉降控制，設計了三種支護方案，三種支護方案分別選用單層的I22 b鋼架、雙層I22 b鋼架和雙層HK 200 b鋼架作為初期支護鋼架。在仰拱回填中，方案一選用的是C15片石混凝土進行仰拱回填，仰拱深度1.95 m，方案二和方案三均選用C20素混凝土作為仰拱回填，仰拱深度為3.61 m。此外，在拱頂的預留變形量分別為70 cm、110 cm和120 cm。

為更好地監測初期支護變形及應力情況，在拱頂、拱腰、拱腳臺階共布置了7個沉降觀測點。為監測二次襯砌中的接觸壓力及混凝土和鋼筋的應力情況，設置監測點如圖1所示。

圖1 二次襯砌監測點布置方案

2.2 變形結果對比

方案一支護豎向沉降和水平收斂情況。豎向沉降，各監測點的豎向沉降隨著工期的增加而增大，在初期階段，增長速率較快，后趨于穩定，然后又經歷一段快速增長階段。最大沉降監測點為測點1，最大沉降為830 mm左右。沉降由大到小排序依次為測點1、測點0、測點2、測點5和測點6，測點6的最終沉降為380 mm左右。而水平收斂，隨著施工的進行測線c1和測線c3的水平收斂逐漸增大，測線c 1處的水平收斂在初期增長較快，后趨于穩定；測線c3在初期階段經歷突變，后經歷一段穩定階段，再以較高的速率提升到最終階段，最后趨于穩定，最終收斂值約為600 mm。

方案二的豎向沉降和水平收斂的情況。豎向沉降，各監測點的豎向沉降隨著工期的增加而增大，表現出與方案一支護相似的沉降變化趨勢。最大沉降發生在測點3位置處，最大沉降約為623 mm，最小沉降為測點5，其最終沉降約為343 mm。各測點沉降值大小由大到小排列依次為測點3、測點4、測點2、測點1、測點6、測點0、測點5，其中測點6和測點5的沉降變化曲線與其余測點有所不同，表現為先以較為穩定的速率增加，后趨于穩定。水平收斂，測線c1處的水平收斂較為平緩，測線c2、c3處的水平收斂增速較快，最終收斂值較大，最終收斂值約為410 mm。

方案三支護的豎向沉降和水平收斂情況。豎向沉降，各測點豎向沉降變化曲線較為接近，未有較大突變情況發生。豎向沉降最大的測點為測點3，最大沉降約為400 mm，最小沉降為測點6的200 mm左右。水平收斂，測線c1和測線c2變化趨勢和最終水平收斂值較為接近，測線c3水平收斂變化量較大，最終收斂值約為220 mm。

對比三種方案，可以看出變形最大的為方案一支護，方案三支護在沉降控制和水平收斂方面均表現較好。與方案一相比，方案二支護在水平收斂方面降低了220 mm，在豎向沉降方面降低了約170 mm，但變形數值仍然較大，為滿足設計預期。就方案三支護而言，其斷面的最大沉降和最大水平收斂分別為405 mm和213 mm，相較于方案一，最大沉降降低了51%，而斷面水平收斂降低64%，這說明HK 200 b鋼架相較于I22 b鋼架，剛度較大，避免了局部失穩和局部拆換問題。此外，隧道豎向沉降峰值通常出現在上臺階位置處，中臺階位置處的沉降較小。

2.3 襯砌結構受力分析

2.3.1 接觸壓力

圖2展示了方案三中的襯砌結構的接觸壓力情況。圖2（a）為初期支護的接觸壓力，圖2（b）為二次襯砌的接觸壓力。從圖2（a）中可以看出，各測點變化主要發生在初期階段，接觸壓力升高主要發生在隧道開挖階段，在下臺階開挖后其接觸壓力出現回落，二次襯砌施工后，各測點的接觸壓力趨于穩定。從圖2（b）中可以看出，各測點接觸壓力在初期變化較大，隨著初期仰拱的施工，部分測點接觸壓力急劇升高，施工完成后，又出現一部分的回落，其中測點11即拱底位置處的接觸壓力回落最為明顯，在拱墻二次襯砌之后，測點0，1，2，5，6接觸壓力開始急劇升高，然后區域平緩，直到工程結束，隧道通車。此外，這也說明二次襯砌在隧道中承擔了相當一部分的圍巖荷載，約占初期支護壓力的35%左右。

圖2 襯砌結構接觸壓力

2.3.2 軸力與彎矩

圖3展示了方案三中二次襯砌結構的內力情況。圖3（a）為二次襯砌結構的軸力變化情況，圖3（b）為二次襯砌結構的彎矩變化情況。

圖3 二次襯砌軸力和彎矩

從圖3（a）中可以看出，軸力變化趨勢與上文接觸壓力變化相似，在工程初期變化較大，后趨于穩定。各測點之間，軸力差距較大，軸力數值最大的為測點9和測點11，即為拱底部分，而軸力絕對值最小的為測點5，其次為測點6，對應左右拱腰位置。從圖3（b）中也可以看出，各測點彎矩變化主要也發生在工程初期，隨著工程的開展，襯砌結構的彎矩趨于穩定。各測點之間，彎矩最大的仍然是拱底位置附近，即測點11，而彎矩絕對值最小的為測點2和測點5，即拱腰位置處。

3 結論

文章基于實際工程案例，針對其易發生擠壓大變形災害，提出了三種隧洞支護方案，并通過監測數據，對比了三種支護方案的豎向沉降和水平收斂情況。在此基礎上，分析了初期支護和二次襯砌結構的接觸壓力以及內力情況。得出主要結論如下：

（1）隧道豎向沉降峰值通常出現在上臺階位置處，中臺階位置處的沉降較小。變形最大的為方案一支護，方案三支護在沉降控制和水平收斂方面均表現較好。HK 200 b鋼架相較于I22 b鋼架，剛度較大，避免了局部失穩和局部拆換問題。

（2）二次襯砌在隧道中承擔了相當一部分的圍巖荷載，約占初期支護壓力的35%。

（3）二次襯砌結構的彎矩和軸力峰值點位于拱底附近，拱腰位置處的彎矩和軸力絕對值最小。