千枚巖軟巖隧道支護(hù)受力分析及控制技術(shù)

王超 陳孔福 趙何霖

隧道軟巖大變形及其控制問(wèn)題一直備受關(guān)注，依托九（寨溝）綿（陽(yáng)）高速水牛家隧道，針對(duì)千枚巖隧道開挖的大變形問(wèn)題，選取隧道典型斷面監(jiān)測(cè)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制對(duì)應(yīng)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(guò)程的變形規(guī)律，為支護(hù)參數(shù)的調(diào)整和變形控制措施的提出提供依據(jù)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：隧道開挖后，各個(gè)位置錨桿軸力前期增長(zhǎng)較快，開挖25天后逐漸趨于穩(wěn)定，最大值為12.4 kN；圍巖壓力與鋼架受力均出現(xiàn)先突增，再回彈，最后趨于平緩的規(guī)律。圍巖壓力最大值為0.78 MPa，穩(wěn)定時(shí)間65天左右；鋼架軸力最大值為26.8 kN，穩(wěn)定時(shí)間60天左右；依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，采取了優(yōu)化斷面形狀、使用長(zhǎng)短錨桿、加大預(yù)留變形量以及增加初支強(qiáng)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(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)； 受力特征； 變形控制

U455.7 A

［定稿日期］2022-02-22

［作者簡(jiǎn)介］王超（1984—），本科，高級(jí)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?yàn)樗淼兰暗叵鹿こ淘O(shè)計(jì)理論。

［通信作者］陳孔福（1997—），男，碩士，研究方向?yàn)樗淼琅c地下工程。

隨著中國(guó)西部地區(qū)隧道工程建設(shè)越來(lái)越多，而西部地區(qū)以地形地質(zhì)條件復(fù)雜多變，不可避免地會(huì)出現(xiàn)軟巖大變形問(wèn)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(zhì)板巖、炭質(zhì)千枚巖等地層時(shí)，軟巖大變形問(wèn)題突出，造成初期支護(hù)嚴(yán)重變形、混凝土開裂、鋼架扭曲等，給隧道工程的施工建設(shè)安全與進(jìn)度帶來(lái)很大威脅。

目前，許多專家學(xué)者已對(duì)軟巖隧道大變形進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)受力監(jiān)測(cè)與分析。張帥軍等［6］為了分析水平砂泥巖隧道錨桿支護(hù)效果，以段家坪隧道為例，通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)隧道拱頂沉降、錨桿軸力和初期支護(hù)與圍巖接觸壓力進(jìn)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(shí)仰拱對(duì)隧道圍巖壓力等的影響。馮星［8］通過(guò)監(jiān)測(cè)隧道變形和受力，分析揭示了圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用的機(jī)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(shí)間范圍。丁遠(yuǎn)振等［9］分析了穿越斷層隧道結(jié)構(gòu)破壞產(chǎn)生的原因，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)受力監(jiān)測(cè)，得出了高地應(yīng)力軟巖大變形支護(hù)應(yīng)力與變形特征，提出了控制大變形的技術(shù)措施。王英帆等［10］針對(duì)隧道大變形問(wèn)題，在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)了隧道圍巖變形、鋼拱架應(yīng)力、圍巖壓力等，探討不同施工階段圍巖的變形規(guī)律和受力特點(diǎn)，并通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)不同鋼架間距的圍巖變形控制效果進(jìn)行對(duì)比分析。趙晨陽(yáng)等［11］針對(duì)隧道存在的大變形、混凝土剝落、鋼架扭曲等問(wèn)題，通過(guò)分析病害形成原因，提出應(yīng)對(duì)措施，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證措施的可行性。

軟巖隧道結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測(cè)與變形規(guī)律等方面已有諸多研究，但各個(gè)隧道的地質(zhì)狀況、開挖方法、支護(hù)方案等存在差異，因此隧道大變形問(wèn)題仍需根據(jù)工程具體問(wèn)題與情況進(jìn)一步研究。本文依托九綿高速水牛家隧道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，分析了開挖施工時(shí)變化規(guī)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(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

1.1 隧道概況

九綿高速水牛家隧道右線長(zhǎng)3 936 m，其中Ⅳ級(jí)圍巖2 148 m，Ⅴ級(jí)圍巖1 788 m。該段隧道穿越山地地區(qū)，地形起伏較大，地層巖性主要為板巖、炭質(zhì)板巖和千枚巖，以及少部分?jǐn)鄬悠扑轶w。其中千枚巖為青灰色、中風(fēng)化、裂隙發(fā)育、軟巖、巖體較破碎，與板巖互層或夾層。隧道區(qū)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(zhì)條件較簡(jiǎn)單。雨季施工有點(diǎn)滴—線流狀出水。

Ⅴ級(jí)圍巖采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法開挖施工，人工開挖或弱爆破開挖，Ⅳ級(jí)圍巖采用二臺(tái)階預(yù)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(shè)計(jì)橫斷面如圖 1所示，隧道采初期支護(hù)厚為26 cm的噴錨支護(hù)，二次支護(hù)厚為60 cm的C30鋼筋混凝土，錨桿長(zhǎng)為3 m。

1.2 隧道結(jié)構(gòu)大變形情況

隧道在建設(shè)期間產(chǎn)生了較嚴(yán)重的擠壓大變形，表現(xiàn)為鋼架扭曲、混凝土開裂及初期支護(hù)侵限，典型區(qū)段隧道的情況如圖2所示。隧道試驗(yàn)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(hù)受力監(jiān)測(cè)

水牛家隧道施工過(guò)程中大變形比較嚴(yán)重，在左、右洞ZK73+622、ZK73+636、YK73+973、YK73+980典型斷面對(duì)洞內(nèi)圍巖壓力、鋼拱架內(nèi)力、錨桿軸力進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析。

錨桿軸力采用振弦式智能錨桿軸力計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便確定錨桿工作和內(nèi)部受力狀態(tài)，分析錨桿受力規(guī)律，判斷圍巖塑性區(qū)發(fā)展情況，每個(gè)斷面埋設(shè)4根長(zhǎng)6 m的量測(cè)錨桿，每桿布置4個(gè)錨桿軸力計(jì)。

在隧道圍巖和初期支護(hù)之間埋設(shè)振弦式智能土壓計(jì)進(jìn)行量測(cè)，目的是判斷圍巖的穩(wěn)定性及圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)，判別斷面隧道施工方法的合理性。每個(gè)隧道斷面布設(shè)量5個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)布設(shè)1個(gè)土壓計(jì)。

鋼拱架內(nèi)外側(cè)安裝振弦式智能鋼筋測(cè)力計(jì)量測(cè)初期支護(hù)鋼拱內(nèi)力和外力，分析其受力變化特征，判斷初期支護(hù)受力是否合理。每個(gè)隧道斷面布設(shè)了5個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)布設(shè)1對(duì)鋼筋測(cè)力計(jì)。隧道受力監(jiān)測(cè)點(diǎn)總體布置如圖 3所示，共有A、B、D、E 4個(gè)監(jiān)測(cè)部位，分別對(duì)應(yīng)于左拱腳、左拱肩、右拱肩、右拱腳，每個(gè)監(jiān)測(cè)部位由洞內(nèi)向外分別有編號(hào)1～4的4錨桿監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3 隧道支護(hù)受力特征分析

限于篇幅，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況，對(duì)YK73+973斷面進(jìn)行支護(hù)受力特征分析。

3.1 隧道錨桿軸力分析

通過(guò)對(duì)錨桿軸力監(jiān)測(cè)分析，得到Y(jié)K73+973斷面左拱肩與左拱腳錨桿軸力時(shí)程曲線分別見圖4與圖5，正值為受拉狀態(tài)，負(fù)值為受壓狀態(tài)。

從圖4可以看出，隧道左拱肩錨桿B2-B4共3個(gè)錨桿軸力計(jì)均受拉，說(shuō)明此錨桿發(fā)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(dá)到最大錨桿軸力，大小為9.0 kN。20天后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后B4錨桿軸力最大，為8.3 kN。錨桿B1錨桿軸力計(jì)所受拉力先增加，后減小，最終變?yōu)槭軌海?5天后趨于穩(wěn)定。產(chǎn)生此變化趨勢(shì)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(xù)變形從而受拉，后來(lái)初支發(fā)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(jì)先受拉，后受壓，曲線變化趨勢(shì)為所受拉力先迅速增加，第7天達(dá)到最大軸力12.4 kN，再陡降，后緩慢減小，最終變?yōu)槭軌海?0天后基本穩(wěn)定在-1 kN，隧道初支結(jié)構(gòu)穩(wěn)定受力。錨桿軸力產(chǎn)生此變化趨勢(shì)的原因是一開始受開挖擾動(dòng)，洞周圍巖有較大變形，錨桿限制其繼續(xù)變形從而受拉，后來(lái)初支發(fā)揮作用，限制圍巖變形，支撐錨桿，使其受壓。錨桿A2-A4共3個(gè)錨桿軸力計(jì)均受拉，變化趨勢(shì)為先增加，增加速率不斷降低，15天后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)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(jiān)測(cè)點(diǎn)均有可能出現(xiàn)軸力最大值，左拱腳與左拱肩軸力最大值出現(xiàn)在靠近洞內(nèi)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(xiàn)在D、E位置，分別為-32.1 kN、58.4 kN。右拱肩與右拱腳淺部監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)受壓狀態(tài)可能是因?yàn)殄^桿隨著圍巖向隧道內(nèi)變形而受到鋼拱架、鋼筋網(wǎng)與噴射混凝土的共同支撐作用。同時(shí)，隧道左、右側(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯的不對(duì)稱性。

3.2 隧道圍巖壓力分析

水牛家隧道各監(jiān)測(cè)部位圍巖與初期支護(hù)接觸壓力變化曲線結(jié)果如圖 7所示，正值為受壓狀態(tài)。

由圖7可知，拱頂與左、右拱肩圍巖壓力整體趨勢(shì)呈急劇上升—陡降—上升，隧道上臺(tái)階開挖后圍巖壓力迅速上升，中臺(tái)階開挖并施作初支，圍巖壓力仍在上升，在兩側(cè)拱肩位置應(yīng)力集中最為明顯，左拱肩圍巖壓力最大值達(dá)到0.78 MPa。下臺(tái)階開挖后，拱頂與左、右拱肩應(yīng)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(dá)到0.14 MPa，右拱腳圍巖壓力為4.70 kPa。二次襯砌施作后，各監(jiān)測(cè)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(wěn)定，均處于受壓狀態(tài)，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(jiān)測(cè)部位圍巖與初期支護(hù)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(duì)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(cè)分布出現(xiàn)明顯的不對(duì)稱現(xiàn)象。

3.3 鋼拱架內(nèi)外側(cè)力分析

水牛家隧道YK73+973斷面鋼拱架內(nèi)外側(cè)受力如圖 9和圖 10所示，正值代表受拉狀態(tài)，負(fù)值代表受壓狀態(tài)。

由圖9看出，隧道上臺(tái)階與中臺(tái)階開挖后，鋼拱架拱頂、左、右拱肩受力前期迅速增大，峰值達(dá)到-22.79 kN，下臺(tái)階開挖期間，鋼拱架受力突然減小，待初支閉合成環(huán)和仰拱施作后，受力又開始增加，增長(zhǎng)速率逐漸減慢，施作二襯后逐漸達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定后峰值-26 kN左右。拱頂與右拱肩始終處于受壓狀態(tài)，右拱肩一段時(shí)間處于受拉，最終受壓。左拱腳一開始受拉，一段時(shí)間后，左拱腳受力趨于0，主要因?yàn)殇摴凹芘c測(cè)力計(jì)與焊接不夠牢固，在受力后焊縫開裂，造成測(cè)力計(jì)測(cè)不到更大的力。右拱腳始終受拉，說(shuō)明此處鋼架外側(cè)受拉，變化趨勢(shì)先迅速增加，最高達(dá)到15.24 kN，然后開始減小，最后逐漸穩(wěn)定在13 kN左右。穩(wěn)定后可以看出，外側(cè)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(tái)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(dá)到-21.86 kN，下臺(tái)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(huán)后，受力又開始增加，增加速率逐漸減慢，施作二襯后基本達(dá)到穩(wěn)定，峰值在-26 kN左右。左拱腳變?cè)谙屡_(tái)階開挖后先迅速增加到15.2 kN，后逐漸減小，由受拉變?yōu)槭軌海罱K穩(wěn)定在17 kN左右。內(nèi)側(cè)右拱腳變化規(guī)律與外側(cè)類似，始終受拉，先迅速增加達(dá)到12.60 kN，后在仰拱施作后迅速減小，二襯施作后逐漸穩(wěn)定在8 kN左右。穩(wěn)定后可以看出，內(nèi)側(cè)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(shù)

針對(duì)水牛家隧道出現(xiàn)的輕微變形與中等大變形，現(xiàn)結(jié)合大變形特征、原因及受力規(guī)律，采用有針對(duì)性的改進(jìn)措施。

采取優(yōu)化斷面形狀的措施以增強(qiáng)圍巖的自支承作用，為了釋放圍巖中的彈性變形現(xiàn)加大預(yù)留變形量，確保初支結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生失效破壞而增加初支護(hù)強(qiáng)度，增加錨桿長(zhǎng)度的目的是控制拱頂沉降與水平收斂。具體改進(jìn)措施詳見表１。

通過(guò)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(shè)計(jì)橫斷面如圖 11與圖 12所示。

5 結(jié)論

從對(duì)九綿高速水牛家隧道斷面展開錨桿軸力、圍巖接觸應(yīng)力、鋼拱架受力監(jiān)測(cè)分析，得出幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）隧道各個(gè)部位錨桿軸力前期會(huì)較快增長(zhǎng)，個(gè)別會(huì)出現(xiàn)軸力下降的情況，后期逐漸穩(wěn)定，最長(zhǎng)的穩(wěn)定時(shí)間為25天。隧道左、右側(cè)對(duì)稱位置錨桿表現(xiàn)為明顯的不對(duì)稱性，是由于千枚巖具有一定傾角造成的。

（2）上臺(tái)階開挖后，圍巖與初期支護(hù)進(jìn)行重分布導(dǎo)致圍巖應(yīng)力急劇增大；下臺(tái)階的開挖減少了隧道內(nèi)的下部支撐，應(yīng)力短期內(nèi)減??；二次襯砌施作后，提供了強(qiáng)有力的支護(hù)作用，圍巖壓力有所增加。開挖過(guò)程中，圍巖壓力最大值為0.78 MPa，趨于穩(wěn)定時(shí)間約為65天。

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

（4）施工中要盡量縮短懸空時(shí)間，及時(shí)施作支護(hù)，及早封閉，保護(hù)好支護(hù)系統(tǒng)。采用優(yōu)化斷面形狀、加長(zhǎng)錨桿、加大預(yù)留變形量以及增加初支強(qiáng)度等方式，有效控制住圍巖的大變形。

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