弱胶结软岩隧道大变形治理与支护对策研究

高发征

(中铁十四局集团第五工程公司， 山东 济宁 272117)

弱胶结软岩隧道大变形治理与支护对策研究

高发征

(中铁十四局集团第五工程公司， 山东 济宁 272117)

对六盘山隧道洞口k14+165～k15+710段大变形情况进行研究，分析了弱胶结软岩大变形特征；对该段弱胶结软岩隧道施工进行施工过程力学行为分析与三维数值仿真，得出了开挖过程中隧道断面位移变化情况，开挖50 d后，拱顶沉降趋于稳定，沉降稳定值为355.09 mm；提出了“两榀型钢+一榀格栅”联合支护技术，在最终支护强度和最终约束围岩位移方面均满足六盘山隧道支护适应性要求。

弱胶结软岩； 隧道施工； “两榀型钢+一榀格栅”联合支护技术

0 引言

随着隧道工程建设重心转向气候条件复杂、地质条件复杂的高原地区，出现了一大批具有挑战性建设的复杂条件下隧道工程，六盘山地区隧道穿越岩层主要包括粉砂质泥岩，多软弱泥质夹层带，强度极低，属弱胶结软岩。为保障工程安全性能，软岩隧道施工已成为地下工程与隧道研究领域亟待解决的关键技术难题。软岩隧道开挖后，支护系统不仅承受松脱岩石自重，更主要承受围岩随时间增长而增大的变形压力，岩体性质、原岩应力与支护刚度是影响隧道洞口变形的主要因素。六盘山隧道k14+165～k15+710段围岩节理、层理发育，整体性较差，爆破后滑坍、掉块严重。洞内初期支护局部开裂，顺层坍塌，节理发育，软岩变形等地质特征均在六盘山隧道施工中出现。左线初期支护拱架曾发生严重变形，隧道净空收敛变形值累计达250 mm，严重危害了隧道施工安全，影响施工进度，给工程顺利完工产生了极大阻碍。为此，本课题组展开弱胶结软岩隧道大变形治理与支护对策研究，以期为避免工程事故，提高施工效率做出一份工程实际贡献。

1 六盘山隧道洞口段大变形情况

六盘山隧道穿越围岩分别为Ⅴ、Ⅳ级围岩区，围岩胶结程度差，主要为粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，多软弱泥质夹层带，少量白色云母夹层，强度极低。部分泥岩呈薄层状，产状扭曲，挤压现象明显，岩体破碎，强度较低，遇水膨胀、软化；顺层发育，有光滑顺层面，部分段落岩层间多夹软泥质夹层，节理、层理发育，围岩整体性较差，爆破后滑坍、掉块严重。洞内初期支护局部开裂，顺层坍塌，节理发育，软岩变形等地质特征均在六盘山隧道施工中出现。

其中六盘山隧道出口k14+165～k15+710段围岩等级为V级，围岩主要为中～强风化粉砂质泥岩、砂砾岩；洞口15 m为明洞开挖，围岩主要是黄土，下伏强风化粉砂质泥岩。洞口施工中发生了大变形、塌方灾害，严重影响了施工进度(见图1)。

图1 六盘山隧道洞口变形情况

六盘山隧道左线ZK15+477.4～ZK15+422.4段初期支护拱架发生严重变形，隧道净空收敛变形值累计达250 mm，最后通过对该段上台阶施作临时仰拱封闭，补强锁脚及临时横撑后变形得到控制，该段前后二衬衬砌完成且强度达到100%后，进行了换拱处理，共耗时20 d，影响了工程进度。

为了研究六盘山隧道弱胶结软岩大变形演化特征，课题组开展了弱胶结软岩大尺度三维模型试验和数值仿真研究，为软岩隧道大变形支护对策提供了理论基础。

1.1 弱胶结软岩隧道大变形破坏的主要特点

① 隧道呈现蠕变三阶段变形规律，具有明显的时间效应，初期变形来压块，变形量大，稳定性差，易发生岩块儿冒落导致隧道破坏。

② 隧道环向受压破坏，隧道开挖后顶板变形，且底板产生强烈底鼓现象，如不对底板进行控制，往往导致底鼓现象并导致两帮破坏，顶部塌落。

③ 深度增加导致隧道变形增加，不同地质隧道都会存在临界软化深度，超过临界软化深度，支护难度明显增大，且隧道在不同应力作用下存在明显方向性。

④ 软岩膨胀收缩变形破坏，由软岩的吸水与失水导致。

1.2 影响隧道软弱围岩与支护变形的主要因素

① 岩性因素： 不同地质条件下岩石本身强度、胶结度等是影响隧道变形的内在因素。

② 工程应力： 工程应力是造成围岩变形外部因素，施工扰动应力、构造残余应力、以及邻近隧道施工应力，都会导致围岩隧道产生变形。

③ 水的影响： 隧道水、工程水造成黏土质岩膨胀，同时也降低了岩石强度，水对隧道变形的影响是巨大且至关重要的。

④ 时间因素： 隧道变形随时间变化而变化，流变是软岩特性之一。

2 弱胶结软岩隧道施工三维数值仿真

2.1 计算模型和计算参数

以六盘水隧道为背景，对弱胶结软岩大变形段进行施工力学计算模型行为分析，通过设计支护参数对隧道进行三维数值模拟，以研究大变形规律与施工力学性能。

取隧道5倍洞径范围作为有限元力学分析对象，考虑对称性，再取隧道一半进行三维数值模拟，针对研究范围，共划分了65700个八节点六面体网格单元(见图2)，根据工程经验，取侧压系数为0.75，四个侧面与低面为加法向位移约束，顶面为自由面，网格剖分情况如图3所示。

图2 模型网格剖分

Figure 2 Model mesh generation

图3 初期支护模型

Figure 3 Initial support model

考虑模型的蠕变特性，采用FLAC中的Cvisc模型进行了蠕变计算，不考虑马克斯韦尔黏滞系数，将Cvisc模型退化为广义开尔文体黏弹塑性模型，岩体及支护物理力学参数表见表1～表3。

上、下台阶加落底施工，上、下台阶长度均为5 m，仿真未考虑二次衬砌的施作，目的是为通过常规支护手段来寻找施工力学规律，为修正支护参数提供依据(见图4)。

表1 岩体物理力学参数表Table1 Physicalandmechanicalparametersofrockmass岩性弹性模量/GPa密度/(kg·m-3)泊松比黏聚力/MPa内摩擦角/(°)抗拉强度/MPa工程岩石202300037113910层理面083001

表2 蠕变参数表Table2 Creepparameters类型G1/GPaG2/GPaη/(GPa-h)工程岩石024207821057

表3 支护材料物理力学参数Table3 Physicalandmechanicalparametersofsupportmaterials材料弹性模量/GPa泊松比密度/(kg·m-3)锚杆210030混凝土250252500钢拱架2100307830

图4 开挖工序示意图Figure 4 Schematic diagram of excavation process

2.2 计算结果分析

隧道开挖过程中，将开挖部分围岩承担荷载转移到洞口周围未开挖部分，若隧道开挖面应力超过围岩强度，隧道处于不稳定状态，易坍塌。模型采取从两端开挖，首先进行上、下台阶加落底开挖方式开挖0～25 m，进行锚杆支护，然后继续进行25～50 m开挖，只喷不锚，其次进行100～75 m段开挖，进行锚杆支护，最后进行75～50 m段开挖。根据模拟隧道变形规律，分析弱胶结软岩隧道施工力学状态。

弱胶结软岩隧道施工过程中，掌子面前方一定范围内产生拱顶沉降，被称为“先行位移”，对先行位移变化规律进行研究，图5分别为掌子面先行位移变化曲线。

由图5(a)、图5(b)可知: 受施工扰动以及开挖荷载等诸多因素影响，掌子面前方拱顶发生沉降，前方1倍洞径范围内沉降明显，1—3倍洞径范围沉降较小，3倍洞径范围外沉降值趋于稳定，掌子面处拱顶沉降约为最终沉降值的35%。图5(c)、图5(d)为隧道从另一端开挖掌子面的先行位移变化曲线，(c)图由于0～50 m段开挖已经产生了拱顶沉降，因此出现图5(c)想象，图6为开挖过程竖向位移变化云图所表示的位移变化情况。

图7为隧道表面位移随时间变化曲线。

由图7可知: 开挖后50 d内，隧道拱顶沉降变化速率较大，50 d后，拱顶沉降趋于稳定，基本不再变化，沉降值为355.09 mm；水平收敛值在50 d内达到267.73 mm，在60 d后基本趋于稳定，由流变引起的围岩变形占隧道开挖初期变形的25%左右，在实际工程中，这个变形是不容忽视的。

图5 掌子面前方先行位移变化规律Figure 5 Displacement of tunnel

(a) 上台阶掌子面开挖到Z=20 m

(b)上台阶掌子面开挖到Z=40 m

(c)上台阶掌子面开挖到

(d)上台阶掌子面开挖到图6 开挖过程竖向位移变化云图

Figure 6 Variation of vertical displacement of excavation process

图7 隧道表面位移 — 时间曲线Figure 7 Displacement time curve of tunnel surface

3 “钢格栅+钢拱架”联合支护技术

当前技术条件下，应用于隧道施工的主流方法为新奥法，喷锚支护是主要初期支护形式。如若遇到工程地质条件较差，一般通过钢架增强支护强度，常用钢架结构主要有型钢与钢格栅两种，二者在支护效果上存在显著差别。

型钢拱架是由工字钢弯曲而成，刚度大切具备一定的变形能力。适用于大山岩变形，在较大的压力下依然具备支撑能力，进而避免塌方。型钢拱架支撑刚度大，适用于变形较大、围岩较破碎的隧道洞口。然而由于热膨胀系数不同，易再型钢拱架周围产生裂缝，并且型钢拱架很难与喷射混凝土粘接在一起，影响了支护后期强度。

与型钢拱架相反，钢格栅刚度较小虽不能提供早期支护强度，然而钢格栅可与喷射混凝土形成整体结构，且不易产生收缩裂缝，可保障结构充实性与支护后期强度。

3.1 联合支护技术的提出

软岩隧道开挖后围岩变形较大，需要安装型钢拱架作为初期支护；当变形过大，往往导致初期支护开裂、围岩荷载超过型钢的承载能力，从而出现塌方等地质灾害。因此，综合考虑后，在六盘山隧道施工过程中采用了条带式“钢格栅+钢拱架”的新型联合方式(见图8)。当存在变形时，既发挥了格栅拱架的柔性支护特性也发挥了型钢拱架的刚性特性。

图8 “钢拱架+钢格栅”联合支护图

3.2 收敛-约束法分析六盘山隧道联合支护

利用基于软岩的收敛-约束法绘制围岩与支护特征曲线，分析六盘山隧道联合支护机理，分析拱架分别为型钢、格栅及型钢与格栅联合3种工况下的支护性能，选取隧道开挖当量半径R0=6 m。六盘山隧道初期支护参数如表4所示。

① 隧道初始位移确定。

表4 六盘山隧道参数Table4 Sixpanshantunnelparameters围岩喷射混凝土型钢拱架P0/MPaE/MPac1/MPaφ1/(°)c2/MPaφ2/(°)μEc/MPaμct/mmEs/MPaAs/mm2d/mmhs/mm格栅As/mm21612000152202902528×10402525021e5395060020015205

六盘山隧道的初始位移通过现场实测和Hoek 经验方法计算得到， 即

(1)

② 喷射混凝土支护特征。

将表4中的喷混参数代入得喷射混凝土支护特征曲线方程：

pi=0.211(ui-100)pi<1.02

(2)

喷混支护特征曲线见图9。

③ 复合式支护特征。

考虑到喷射混凝土硬化，因此认为前期支护由钢架起作用，喷射混凝土硬化后其发挥主要支护作用。综合分析上述因素以及公式(1)、公式(2)得3种工况下的复合式支护特征曲线方程。

图9 六盘山隧道喷射混凝土支护特征曲线Figure 9 Characteristic curve of shotcrete support in tunnel

工况一：

(3)

工况二：

(4)

工况三：

(5)

3种工况下，复合支护结构特征曲线见图10。

图10 复合式支护特征曲线Figure 10 Composite support characteristic curve

3.3 支护适应性分析

根据上述理论，选取六盘山隧道一个断面，绘制了其围岩特征曲线与3种工况下的支护特征曲线，如图11所示。由图可知： 3种工况下的支护结构所能提供的最大支护反力都大于围岩与支护特征曲线的平衡点应力值(约为300 kPa)。分析三个支护特征曲线与围岩的平衡点可知：型钢拱架提供的支护反力最大，格栅拱架提供的支护反力最小，“两榀型钢+一榀格栅”提供的支护反力与型钢拱架提供的支护反力相差不大；达到平衡时，型钢拱架支护产生的位移最小，格栅拱架支护产生的位移最大，与实际监测相符；另外，型钢拱架支护和“两榀型钢+一榀格栅”提供的初期支护强度较大，而格栅拱架提供的初期支护强度较小，格栅拱架的支护特征曲线小于平衡点，这与前人研究相符。

综上，“两榀型钢+一榀格栅”联合支护方式在最终支护强度和最终约束围岩位移方面满足适应性要求。同时考虑到围岩的大变形，因此在初期支护中发挥格栅拱架的柔性作用完全可行。

图11 六盘山隧道围岩与支护特征曲线Figure 11 Characteristic curve of surrounding rock and support of tunnel

4 结论

本文首先分析了六盘山弱胶结软岩隧道大变形破坏的主要特点，根据实地岩体参数建立了弱胶结软岩隧道施工三维数值仿真模型，通过模型计得出以下几点结论：

① 通过模型得到了开挖过程中洞口位移变化规律，受施工扰动以及开挖荷载等诸多因素影响，掌子面前方拱顶发生沉降，前方1倍洞径范围内沉降明显，1～3倍洞径范围沉降较小，3倍洞径范围外沉降值趋于稳定，掌子面处拱顶沉降约为最终沉降值的35%。

② 隧道开挖后50 d内，隧道拱顶沉降变化速率较大，50 d后，拱顶沉降趋于稳定，基本不再变化，沉降值为355.09 mm；水平收敛值在50 d内达到267.73 mm，在60 d后基本趋于稳定，由流变引起的围岩变形占隧道开挖初期变形的25%左右，在实际工程中，这个变形是不容忽视的。

③ 提出了“两榀型钢+一榀格栅”联合支护技术，“两榀型钢+一榀格栅”提供的支护反力与型钢拱架提供的支护反力相差不大；同时考虑到围岩的大变形，“两榀型钢+一榀格栅”可在支护初期发挥格栅拱架的柔性作用。

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Study on Treatment and Support Measures for Large Deformation of Soft Rock Tunnel with Weak Cementation

GAO Fazheng

(The Fifth Project Co,Ltd of China Railway Bureau 14 Group Jining， Shandong 272117， China)

study on the six panshan tunnel k14+165～k15+710 section of large deformation, large deformation of weak cementation soft rock analysis; analysis of mechanical behaviors of the construction process and the three-dimensional numerical simulation of the weakly cemented soft rock tunnel construction, the changes of displacement in the excavation process of tunnel excavation, 50 days later, vault settlement tends to be stable. The settlement value is 355.09 mm, stable; put forward the “two pin type steel + a grille” combined support technology, in the final support strength and the ultimate constraint of surrounding rock displacement meets the six panshan tunnel support adaptability.

weakly cemented soft rock； tunnel construction ； “two pieces of steel+a grid” combined support technology

2016 — 10 — 10

高海拔寒冷地区软岩长大隧道安全环保施工关键技术(14-C10)

高发征(1968-),男,山东沂水人,高级工程师,从事隧道工程建设与管理工作。

U 457+.5

A

1674 — 0610(2016)06 — 0135 — 06