軟巖隧道初期支護沉降機理及其工程措施研究

楊建民， 舒東利, 張 涵, 朱麟晨

(中國中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川 成都 610031)

0 引言

軟弱圍巖隧道開挖一般采用非爆開挖技術(shù)。以黃土和昔格達地層為例，黃土的力學性質(zhì)已廣為熟悉，昔格達地層是分布于我國西南地區(qū)的一套半成巖，也是一種工程性質(zhì)較差、特殊的極軟巖，以頁巖為主，夾砂巖及礫巖，部分為頁巖、砂巖互層，成巖作用差，河湖相地層，被當?shù)鼐用裼脕碜鳛橹仆叩脑?并稱之為“堰瓦泥”，隧道施工過程中采用挖機開挖即可。新建成昆鐵路復線米易至攀枝花段設計速度為160 km/h，正線為雙線合修，隧道開挖面積為130 m2，該線分布有15 km昔格達地層隧道，老成昆鐵路隧道以及既有公路隧道在該地層修建過程中多發(fā)生初期支護下沉變形大、開裂、洞口滑坡的病害。

目前國內(nèi)學者對軟巖隧道的設計與施工已做了相關(guān)研究。在黃土隧道建設方面，譚忠盛等[1]對深埋黃土隧道系統(tǒng)錨桿的作用效果進行研究，得出拱部系統(tǒng)錨桿作用效果不明顯的結(jié)論； 趙勇等[2]對黃土隧道工程設計與施工做了研究總結(jié)； 楊建民[3]研究得出采用大剛度型鋼鋼架結(jié)合網(wǎng)噴微纖維混凝土等初期支護措施，是控制土體變形、保證施工安全的有效措施； 李寧軍等[4]討論了基質(zhì)吸力變化對非飽和黃土隧道力學特性的影響； 王明年等[5]依托鄭西鐵路客運專線大斷面深埋黃土隧道洞群，得出了深埋黃土隧道圍巖壓力計算方法； 文獻[6-8]研究得出保持圍巖穩(wěn)定性及進行施工監(jiān)測是解決軟巖變形的重要措施。在昔格達地層隧道建設方面，文獻[9-10]對昔格達地層隧道圍巖的穩(wěn)定性進行了分析； 劉強[11]對昔格達地層隧道施工及結(jié)構(gòu)問題進行了研究； 盧愛民[12]對麗攀高速華坪隧道的昔格達地層工程特性進行了試驗研究； 文獻[13-15]對成昆線昔格達隧道的變形規(guī)律及支護結(jié)構(gòu)進行了研究。綜上，以往類似研究工作多集中在軟弱圍巖隧道支護受力、施工方法以及控制初期支護沉降措施方面，較少涉及初期支護下沉機理的研究。因此，有必要對軟弱圍巖隧道初期支護下沉機理及控制措施進行分析，以指導施工。

1 軟巖隧道支護參數(shù)及初期支護沉降

自2005年鄭西、武廣高鐵開工起，開始大量出現(xiàn)開挖面積150 m2以上的雙線大斷面高速鐵路隧道，其中包括大量軟弱圍巖隧道，如： 鄭西高鐵全線有總延長50 km的開挖面積達到160～170 m2的新老黃土隧道群，以及正在施工的成昆鐵路復線米易至攀枝花段大量分布的第三系昔格達地層軟弱圍巖隧道等。

1.1 軟巖隧道支護參數(shù)

軟弱圍巖級別一般定為Ⅴ級，軟巖隧道普遍采用較重的型鋼鋼架加強支護，目前我國雙線鐵路隧道開挖面積約130～160 m2，鋼架一般采用I20—I25型鋼加工而成，噴混凝土層按照初噴4 cm及覆蓋鋼架3 cm設計。鄭西高鐵黃土隧道及成昆復線昔格達圍巖隧道初期支護參數(shù)見表1和表2。

表1 鄭西高鐵黃土隧道支護參數(shù)Table 1 Support parameters of loess tunnels on Zhengzhou-Xi′an High-speed Railway

注： 鄭西線大部分Ⅳ級黃土為老黃土，大部分Ⅴ級黃土為新黃土。

表2 成昆鐵路昔格達圍巖隧道支護參數(shù)Table 2 Support parameters of tunnels on Chengdu-Kunming Railway in Xigeda surrounding rocks

隧道內(nèi)常采用的控制初期支護沉降的措施有拱部施作鎖腳錨桿(管)、擴大拱腳和初期支護及時封閉成環(huán)等。其中，鎖腳錨桿及擴大拱腳設計見圖1。

圖1 初期支護沉降控制措施設計圖

Fig. 1 Design drawing of settlement control methods for primary support

1.2 軟巖隧道初期支護沉降

軟弱圍巖隧道施工過程中初期支護普遍下沉較大，特別是隧道剛開工時，由于預留變形量不足及鎖腳措施不夠，初期支護常因為下沉過大而侵限。以鄭西高鐵黃土隧道為例，Ⅴ級新黃土圍巖隧道初期支護下沉量多在20 cm以上。鄭西高鐵黃土隧道預留變形量及對應保證率見圖2。由圖2可知： 當設計預留變形量分別取200 mm、250 mm和280 mm時，其保證率分別為53.01%、83.13%和96.39%?？紤]現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)的離散性，同時兼顧較高的保證率，實際施工中隧道預留變形量取值定為250～280 mm。可見，實際施工中初期支護下沉量一般都要大于傳統(tǒng)認識的Ⅴ級圍巖預留變形量(15 cm)。

成昆鐵路復線朱家、米易、小紅山等隧道洞身穿越第三系昔格達軟弱圍巖地層，施工過程中采用挖掘機開挖(不裝藥爆破)，拱部初期支護下沉量較多超過12 cm，該線昔格達地層隧道施工過程中多次出現(xiàn)初期支護下沉侵限問題，拆換初期支護既危險又影響工期。昔格達地層隧道預留變形量及對應保證率見圖3。

圖2 黃土隧道預留變形量及對應保證率

Fig. 2 Reserved deformation and corresponding assurance rate of loess tunnels

圖3 昔格達地層隧道預留變形量及對應保證率

Fig. 3 Reserved deformation and corresponding assurance rate of tunnels in Xigeda Fm

2 鋼架拱腳壓力分析及初期支護沉降機理

2.1 根據(jù)圍巖壓力計算

鄭西高鐵賀家莊隧道下穿一黃土臺地，埋深為30～60 m，為黏性老黃土隧道，在該隧道開展了土壓力測試。賀家莊隧道土壓力分布情況見圖4。

(a)DK241+820斷面(b)DK241+840斷面

圖4賀家莊隧道土壓力分布(單位： kPa)

Fig. 4 Soil pressure distribution of Hejiazhuang Tunnel (unit: kPa)

通過拱部實測垂直壓力對圍巖豎向荷載進行計算，結(jié)果見表3。由表3可知： 計算出的作用在初期支護的壓力為816.2 kN，遠大于一般老黃土的基本承載力(250 kPa，此值為鄭西線地質(zhì)參數(shù))，拱腳噴混凝土厚度為0.35 m，則每延米隧道相應面積上土體承載力為0.35×1×250=87.5 kN，兩者相差一個數(shù)量級。

表3 拱腳壓力計算結(jié)果Table 3 Calculation results of arch foot pressure

2.2 拱腳直接實測

在賀家莊隧道多處拱腳埋設大量程壓力盒，對鋼架拱腳壓力進行了實測。多處拱腳壓力量測結(jié)果及變化規(guī)律均相近，以某斷面拱腳壓力量測結(jié)果為例，拱腳壓力量測結(jié)果見表4，鋼架拱腳壓力-時間變化曲線見圖5(圖中ZY為左拱腳測點，YY為右拱腳測點)。

從表4和圖5可以看出： 左右拱腳壓力大小不一致，左拱腳壓力為0.9 MPa，右拱腳壓力為0.4 MPa，左右拱腳壓力差1倍多，主要原因可能是由于左側(cè)臺階先開挖引起的，而土體承載力僅為250 kPa，兩者相差較大。

圖5 鋼架拱腳壓力-時間變化曲線(2007年)

Fig. 5 Variation curves of steel frame arch foot pressure with time (in 2007)

2.3 初期支護沉降機理

大斷面軟巖隧道開挖過程中由于初期支護自身質(zhì)量較大，且圍巖松散，無法形成承載拱，初期支護承受的豎向壓力較大，因此作用在初期支護拱腳的壓力也遠超過圍巖自身能夠提供的承載力。通過實測圍巖壓力的計算以及直接拱腳壓力實測，2種方法得出的結(jié)果均證明初期支護拱腳壓力較土體承載力大得多，即初期支護基礎沒有足夠的反力來支撐鋼架，再加上軟弱圍巖松散變形大，導致大斷面軟巖隧道初期支護下沉大。

3 沉降控制措施及測試分析

目前我國隧道施工中常用的初期支護沉降控制措施主要有設置鎖腳錨桿(管)、擴大拱腳和初期支護仰拱及時閉合。這3種措施往往同時采用，形成沉降控制的綜合措施。

3.1 鎖腳錨桿(管)受力測試

斜向下打入的鎖腳錨桿具有顯著的承壓特性，且較長的鎖腳錨桿其承壓效果也較大，鎖腳錨桿這種顯著的承壓特性對提高拱腳承載力起到很好的作用。在鄭西高鐵秦東、潼洛川、高橋3座黃土隧道開展了鎖腳錨桿軸力測試，鎖腳錨桿軸力極值統(tǒng)計見圖6。

圖6 鎖腳錨桿軸力極值統(tǒng)計Fig. 6 Statistics of extreme axial force of feet-lock bolt

同時，在賀家莊隧道出口DK242+310斷面進行鎖腳錨桿軸力測試，隧道采用三臺階七步開挖法施工，每個腳有4根鎖腳錨桿，并且每個腳設置1根測力錨桿，DK242+310斷面右拱腳、右側(cè)邊墻鎖腳錨桿軸力-時間曲線見圖7和圖8(圖中MZ2、MZ4分別代表測試斷面右側(cè)拱腳和邊墻的測試錨桿，編號1—4分別代表錨桿上布置的從初期支護到圍巖深部的4個測點)。從圖7和圖8可以看出： 1)拱腳處鎖腳錨桿軸力比邊墻處鎖腳錨桿軸力普遍要大； 2)拱腳處鎖腳錨桿全部受壓，而邊墻處遠離鋼架的測點出現(xiàn)了拉應力，靠近鋼架的點依然受壓； 3)同一根鎖腳錨桿，靠近鋼架的軸力比遠離鋼架的軸力大些，最大值為55 kN； 4)鎖腳錨桿受力特性明顯，可提高拱腳承載力。

圖7 DK242+310斷面右拱腳鎖腳錨桿軸力-時間曲線(2007年)

Fig. 7 Axial force of right arch foot feet-lock bolt at section DK242+310 vs. time (in 2007)

圖8 DK242+310斷面右邊墻鎖腳錨桿軸力-時間曲線(2007年)

Fig. 8 Axial force of right sidewall feet-lock bolt at section DK242+310 vs. time (in 2007)

3.2 擴大拱腳受力測試

通過擴大拱腳受力面積增加基礎承載能力，是施工過程中控制初期支護下沉常用的措施之一。為了驗證該措施的效果，在鄭西高鐵秦東(斷面里程DK339+371)、潼洛川(斷面里程DK341+606)、高橋(斷面里程DK348+469)3座黃土隧道開展了擴大拱腳施工現(xiàn)場實測，拱腳向外擴大80 cm。 3座隧道大拱腳壓力極值見圖9，拱腳壓力時態(tài)曲線見圖10—12。

圖9 大拱腳壓力極值統(tǒng)計Fig. 9 Statistics of extreme pressure of large arch foot

圖10 秦東隧道拱腳壓力時態(tài)曲線Fig. 10 Press of arch foot of Qingdong Tunnel vs. time

圖11 潼洛川隧道拱腳壓力時態(tài)曲線(2007年)

Fig. 11 Press of arch foot of Tongluochuan Tunnel vs. time (in 2007)

圖12 高橋拱腳壓力時態(tài)曲線(2007年)Fig. 12 Press vs. time of arch foot of Gaoqiao Tunnel (in 2007)

從圖9—12可以看出： 大拱腳的承壓特性十分顯著，其壓力極值達到0.9～1.7 MPa。其中，秦東深埋老黃土隧道大拱腳壓力最大，潼洛川淺埋老黃土隧道次之，高橋淺埋新黃土隧道的大拱腳壓力相對最小。大拱腳壓力在中臺階開挖前后將發(fā)生顯著變化，中臺階臨近時大拱腳壓力迅速增大并達到最大，在中臺階到達時拱腳壓力迅速下降。其中，秦東深埋老黃土隧道大拱腳壓力下降最少(下降不到其極值的一半)，潼洛川淺埋老黃土隧道大拱腳壓力下降約為其極值的一半，而高橋淺埋新黃土隧道下降最大，其拱腳壓力基本全部釋放掉。這之后至仰拱封閉，大拱腳壓力又逐漸恢復?？梢姡信_階開挖對拱腳影響顯著，尤其是新黃土隧道。

大拱腳可有效提高拱腳的承載力，并在中臺階開挖時起到臨時支撐作用，是解決中臺階開挖對拱腳不利影響的有效手段，這可以從大拱腳對凈空位移和地表沉降的控制效果中得到印證。從大拱腳承載效果來看，在相同拱腳尺寸情況下，深埋隧道拱腳壓力大于淺埋隧道拱腳壓力，老黃土隧道拱腳壓力大于新黃土隧道拱腳壓力，對力學性質(zhì)更差的新黃土隧道應適當加大拱腳尺寸以減小中臺階開挖對其的影響。

3.3 仰拱及時閉合

在軟弱圍巖隧道施工最常用的三臺階法開挖過程中，仰拱初期支護及時閉合是控制初期支護總下沉量的關(guān)鍵工序。以鄭西高鐵張茅隧道DK225+145斷面處量測結(jié)果為例，其沉降變形時態(tài)曲線見圖13(圖中GD1為拱頂沉降點、GJ1為左拱腳沉降點、GJ2為右拱腳沉降點)?？芍?拱頂穩(wěn)定時沉降值為57～67 mm，拱腳穩(wěn)定時沉降值為62～83 mm，前1～4天(8月11日至15日)拱頂與拱腳沉降值基本相同，說明鋼拱架主要為整體沉降，此時掌子面距測試斷面約為6～9 m。斷面封閉前拱頂沉降占總沉降的94.7%～98.4%，平均為96.5%； 封閉后拱頂沉降占總沉降的1.6%～5.3%，平均為3.5%。

3.4 增大預留變形量

目前設計采用的Ⅴ級圍巖隧道預留變形量一般為15 cm，由于軟弱圍巖垂直力大而承載力低的原因，隧道施工過程極易發(fā)生初期支護整體下沉過大，施工中應加強初期支護沉降變形量測，根據(jù)量測結(jié)果實時調(diào)整預留變形量值，防止初期支護下沉過大造成侵限。隧道初期支護封閉后，隧道周邊位移基本上不再發(fā)展。因此，隧道初期支護封閉時間是影響隧道預留變形量的一個重要因素。以鄭西高鐵黃土隧道為例，經(jīng)過對現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析可知，在Ⅳ級老黃土圍巖條件下，設計隧道預留變形量建議取為10～15 cm； 在Ⅴ級新黃土圍巖條件下，設計隧道預留變形量建議取為25～28 cm。均較一般非黃土隧道預留變形量要大。

圖13 DK225+145 斷面拱頂沉降時態(tài)曲線(2007年)

Fig. 13 Curves of crown top settlement at section DK225+145 vs. time (in 2007)

3.5 其他措施

在大量鐵路、公路等交通隧道施工中，各參建單位還研究探索了一些其他控制措施，如拱腳增設旋噴短樁、徑向增設預應力錨索、混凝土墊塊以及臨時仰拱封閉等。

3.5.1 旋噴短樁加固

蘭渝鐵路桃樹坪、胡麻嶺隧道洞身穿越第三系泥質(zhì)弱膠結(jié)粉細砂巖，為解決拱頂下沉問題，在拱腳部位增設豎直旋噴短樁。該方法對控制下沉有一定作用，但工效低，施工過程中大量漿液流出軟化基底，對基底穩(wěn)定不利。

3.5.2 預應力錨索

六沾鐵路烏蒙山二號隧道出口為四線大跨段，地質(zhì)為三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組泥巖、頁巖夾砂巖，巖質(zhì)軟。該隧道最大開挖跨度為28.4 m，開挖斷面面積為354 m2，是目前世界上最大單跨鐵路隧道。由于開挖跨度大，初期支護更容易發(fā)生下沉，施工中采用洞內(nèi)設置預應力錨索外拉代替內(nèi)部臨時支撐，保證了施工安全，但主要存在的問題是如何有效保證洞內(nèi)錨索注漿效果。

3.5.3 混凝土墊塊

設置混凝土墊塊可以增大拱腳受力面積，但該方法的缺點在于中下臺階開挖時要拆掉墊塊，安全隱患較大。

4 結(jié)論與建議

1)鄭西高鐵黃土隧道現(xiàn)場實測的拱腳最大壓應力為0.9 MPa，通過實測圍巖壓力計算的拱腳壓力為816.2 kN，量值均遠大于土體承載力，即鋼架基礎反力不夠，這是包括黃土、昔格達地層在內(nèi)的各種軟弱圍巖隧道初期支護下沉大的主要原因。

2)設置鎖腳錨桿(管)和增設大拱腳是目前隧道施工中控制初期支護下沉的2種主要輔助施工措施。鎖腳錨桿(管)具有顯著的承壓特性，且較長及剛度較大的鎖腳錨桿其承壓效果也比較好。大拱腳的承壓特性十分顯著，說明設置鎖腳錨桿和大拱腳在軟弱圍巖隧道施工中效果顯著。

3)現(xiàn)場實測初期支護仰拱斷面封閉前拱頂沉降占總沉降平均為96.5%，封閉后拱頂沉降占總沉降平均為3.5%。仰拱及時閉合是大斷面軟巖隧道控制總沉降的關(guān)鍵工序。

4)從圍巖級別考慮，黃土隧道設計時建議老黃土地層預留變形量設置為10～15 cm，新黃土地層預留變形量設置為25～28 cm；昔格達地層隧道設計時建議預留變形量設置為9～12 cm。設計的預留變形量可作為參考，采用信息化施工技術(shù)，結(jié)合具體變形量測情況進行調(diào)整，預留足夠變形量，以防止初期支護侵限。

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