软岩隧道初期支护沉降机理及其工程措施研究

杨建民， 舒东利, 张 涵, 朱麟晨

(中国中铁二院工程集团有限责任公司， 四川 成都 610031)

0 引言

软弱围岩隧道开挖一般采用非爆开挖技术。以黄土和昔格达地层为例，黄土的力学性质已广为熟悉，昔格达地层是分布于我国西南地区的一套半成岩，也是一种工程性质较差、特殊的极软岩，以页岩为主，夹砂岩及砾岩，部分为页岩、砂岩互层，成岩作用差，河湖相地层，被当地居民用来作为制瓦的原料,并称之为“堰瓦泥”，隧道施工过程中采用挖机开挖即可。新建成昆铁路复线米易至攀枝花段设计速度为160 km/h，正线为双线合修，隧道开挖面积为130 m2，该线分布有15 km昔格达地层隧道，老成昆铁路隧道以及既有公路隧道在该地层修建过程中多发生初期支护下沉变形大、开裂、洞口滑坡的病害。

目前国内学者对软岩隧道的设计与施工已做了相关研究。在黄土隧道建设方面，谭忠盛等[1]对深埋黄土隧道系统锚杆的作用效果进行研究，得出拱部系统锚杆作用效果不明显的结论； 赵勇等[2]对黄土隧道工程设计与施工做了研究总结； 杨建民[3]研究得出采用大刚度型钢钢架结合网喷微纤维混凝土等初期支护措施，是控制土体变形、保证施工安全的有效措施； 李宁军等[4]讨论了基质吸力变化对非饱和黄土隧道力学特性的影响； 王明年等[5]依托郑西铁路客运专线大断面深埋黄土隧道洞群，得出了深埋黄土隧道围岩压力计算方法； 文献[6-8]研究得出保持围岩稳定性及进行施工监测是解决软岩变形的重要措施。在昔格达地层隧道建设方面，文献[9-10]对昔格达地层隧道围岩的稳定性进行了分析； 刘强[11]对昔格达地层隧道施工及结构问题进行了研究； 卢爱民[12]对丽攀高速华坪隧道的昔格达地层工程特性进行了试验研究； 文献[13-15]对成昆线昔格达隧道的变形规律及支护结构进行了研究。综上，以往类似研究工作多集中在软弱围岩隧道支护受力、施工方法以及控制初期支护沉降措施方面，较少涉及初期支护下沉机理的研究。因此，有必要对软弱围岩隧道初期支护下沉机理及控制措施进行分析，以指导施工。

1 软岩隧道支护参数及初期支护沉降

自2005年郑西、武广高铁开工起，开始大量出现开挖面积150 m2以上的双线大断面高速铁路隧道，其中包括大量软弱围岩隧道，如： 郑西高铁全线有总延长50 km的开挖面积达到160～170 m2的新老黄土隧道群，以及正在施工的成昆铁路复线米易至攀枝花段大量分布的第三系昔格达地层软弱围岩隧道等。

1.1 软岩隧道支护参数

软弱围岩级别一般定为Ⅴ级，软岩隧道普遍采用较重的型钢钢架加强支护，目前我国双线铁路隧道开挖面积约130～160 m2，钢架一般采用I20—I25型钢加工而成，喷混凝土层按照初喷4 cm及覆盖钢架3 cm设计。郑西高铁黄土隧道及成昆复线昔格达围岩隧道初期支护参数见表1和表2。

表1 郑西高铁黄土隧道支护参数Table 1 Support parameters of loess tunnels on Zhengzhou-Xi′an High-speed Railway

注： 郑西线大部分Ⅳ级黄土为老黄土，大部分Ⅴ级黄土为新黄土。

表2 成昆铁路昔格达围岩隧道支护参数Table 2 Support parameters of tunnels on Chengdu-Kunming Railway in Xigeda surrounding rocks

隧道内常采用的控制初期支护沉降的措施有拱部施作锁脚锚杆(管)、扩大拱脚和初期支护及时封闭成环等。其中，锁脚锚杆及扩大拱脚设计见图1。

图1 初期支护沉降控制措施设计图

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

1.2 软岩隧道初期支护沉降

软弱围岩隧道施工过程中初期支护普遍下沉较大，特别是隧道刚开工时，由于预留变形量不足及锁脚措施不够，初期支护常因为下沉过大而侵限。以郑西高铁黄土隧道为例，Ⅴ级新黄土围岩隧道初期支护下沉量多在20 cm以上。郑西高铁黄土隧道预留变形量及对应保证率见图2。由图2可知： 当设计预留变形量分别取200 mm、250 mm和280 mm时，其保证率分别为53.01%、83.13%和96.39%。考虑现场量测数据的离散性，同时兼顾较高的保证率，实际施工中隧道预留变形量取值定为250～280 mm。可见，实际施工中初期支护下沉量一般都要大于传统认识的Ⅴ级围岩预留变形量(15 cm)。

成昆铁路复线朱家、米易、小红山等隧道洞身穿越第三系昔格达软弱围岩地层，施工过程中采用挖掘机开挖(不装药爆破)，拱部初期支护下沉量较多超过12 cm，该线昔格达地层隧道施工过程中多次出现初期支护下沉侵限问题，拆换初期支护既危险又影响工期。昔格达地层隧道预留变形量及对应保证率见图3。

图2 黄土隧道预留变形量及对应保证率

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

图3 昔格达地层隧道预留变形量及对应保证率

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

2 钢架拱脚压力分析及初期支护沉降机理

2.1 根据围岩压力计算

郑西高铁贺家庄隧道下穿一黄土台地，埋深为30～60 m，为黏性老黄土隧道，在该隧道开展了土压力测试。贺家庄隧道土压力分布情况见图4。

(a)DK241+820断面(b)DK241+840断面

图4贺家庄隧道土压力分布(单位： kPa)

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

通过拱部实测垂直压力对围岩竖向荷载进行计算，结果见表3。由表3可知： 计算出的作用在初期支护的压力为816.2 kN，远大于一般老黄土的基本承载力(250 kPa，此值为郑西线地质参数)，拱脚喷混凝土厚度为0.35 m，则每延米隧道相应面积上土体承载力为0.35×1×250=87.5 kN，两者相差一个数量级。

表3 拱脚压力计算结果Table 3 Calculation results of arch foot pressure

2.2 拱脚直接实测

在贺家庄隧道多处拱脚埋设大量程压力盒，对钢架拱脚压力进行了实测。多处拱脚压力量测结果及变化规律均相近，以某断面拱脚压力量测结果为例，拱脚压力量测结果见表4，钢架拱脚压力-时间变化曲线见图5(图中ZY为左拱脚测点，YY为右拱脚测点)。

从表4和图5可以看出： 左右拱脚压力大小不一致，左拱脚压力为0.9 MPa，右拱脚压力为0.4 MPa，左右拱脚压力差1倍多，主要原因可能是由于左侧台阶先开挖引起的，而土体承载力仅为250 kPa，两者相差较大。

图5 钢架拱脚压力-时间变化曲线(2007年)

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

2.3 初期支护沉降机理

大断面软岩隧道开挖过程中由于初期支护自身质量较大，且围岩松散，无法形成承载拱，初期支护承受的竖向压力较大，因此作用在初期支护拱脚的压力也远超过围岩自身能够提供的承载力。通过实测围岩压力的计算以及直接拱脚压力实测，2种方法得出的结果均证明初期支护拱脚压力较土体承载力大得多，即初期支护基础没有足够的反力来支撑钢架，再加上软弱围岩松散变形大，导致大断面软岩隧道初期支护下沉大。

3 沉降控制措施及测试分析

目前我国隧道施工中常用的初期支护沉降控制措施主要有设置锁脚锚杆(管)、扩大拱脚和初期支护仰拱及时闭合。这3种措施往往同时采用，形成沉降控制的综合措施。

3.1 锁脚锚杆(管)受力测试

斜向下打入的锁脚锚杆具有显著的承压特性，且较长的锁脚锚杆其承压效果也较大，锁脚锚杆这种显著的承压特性对提高拱脚承载力起到很好的作用。在郑西高铁秦东、潼洛川、高桥3座黄土隧道开展了锁脚锚杆轴力测试，锁脚锚杆轴力极值统计见图6。

图6 锁脚锚杆轴力极值统计Fig. 6 Statistics of extreme axial force of feet-lock bolt

同时，在贺家庄隧道出口DK242+310断面进行锁脚锚杆轴力测试，隧道采用三台阶七步开挖法施工，每个脚有4根锁脚锚杆，并且每个脚设置1根测力锚杆，DK242+310断面右拱脚、右侧边墙锁脚锚杆轴力-时间曲线见图7和图8(图中MZ2、MZ4分别代表测试断面右侧拱脚和边墙的测试锚杆，编号1—4分别代表锚杆上布置的从初期支护到围岩深部的4个测点)。从图7和图8可以看出： 1)拱脚处锁脚锚杆轴力比边墙处锁脚锚杆轴力普遍要大； 2)拱脚处锁脚锚杆全部受压，而边墙处远离钢架的测点出现了拉应力，靠近钢架的点依然受压； 3)同一根锁脚锚杆，靠近钢架的轴力比远离钢架的轴力大些，最大值为55 kN； 4)锁脚锚杆受力特性明显，可提高拱脚承载力。

图7 DK242+310断面右拱脚锁脚锚杆轴力-时间曲线(2007年)

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

图8 DK242+310断面右边墙锁脚锚杆轴力-时间曲线(2007年)

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

3.2 扩大拱脚受力测试

通过扩大拱脚受力面积增加基础承载能力，是施工过程中控制初期支护下沉常用的措施之一。为了验证该措施的效果，在郑西高铁秦东(断面里程DK339+371)、潼洛川(断面里程DK341+606)、高桥(断面里程DK348+469)3座黄土隧道开展了扩大拱脚施工现场实测，拱脚向外扩大80 cm。 3座隧道大拱脚压力极值见图9，拱脚压力时态曲线见图10—12。

图9 大拱脚压力极值统计Fig. 9 Statistics of extreme pressure of large arch foot

图10 秦东隧道拱脚压力时态曲线Fig. 10 Press of arch foot of Qingdong Tunnel vs. time

图11 潼洛川隧道拱脚压力时态曲线(2007年)

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

图12 高桥拱脚压力时态曲线(2007年)Fig. 12 Press vs. time of arch foot of Gaoqiao Tunnel (in 2007)

从图9—12可以看出： 大拱脚的承压特性十分显著，其压力极值达到0.9～1.7 MPa。其中，秦东深埋老黄土隧道大拱脚压力最大，潼洛川浅埋老黄土隧道次之，高桥浅埋新黄土隧道的大拱脚压力相对最小。大拱脚压力在中台阶开挖前后将发生显著变化，中台阶临近时大拱脚压力迅速增大并达到最大，在中台阶到达时拱脚压力迅速下降。其中，秦东深埋老黄土隧道大拱脚压力下降最少(下降不到其极值的一半)，潼洛川浅埋老黄土隧道大拱脚压力下降约为其极值的一半，而高桥浅埋新黄土隧道下降最大，其拱脚压力基本全部释放掉。这之后至仰拱封闭，大拱脚压力又逐渐恢复。可见，中台阶开挖对拱脚影响显著，尤其是新黄土隧道。

大拱脚可有效提高拱脚的承载力，并在中台阶开挖时起到临时支撑作用，是解决中台阶开挖对拱脚不利影响的有效手段，这可以从大拱脚对净空位移和地表沉降的控制效果中得到印证。从大拱脚承载效果来看，在相同拱脚尺寸情况下，深埋隧道拱脚压力大于浅埋隧道拱脚压力，老黄土隧道拱脚压力大于新黄土隧道拱脚压力，对力学性质更差的新黄土隧道应适当加大拱脚尺寸以减小中台阶开挖对其的影响。

3.3 仰拱及时闭合

在软弱围岩隧道施工最常用的三台阶法开挖过程中，仰拱初期支护及时闭合是控制初期支护总下沉量的关键工序。以郑西高铁张茅隧道DK225+145断面处量测结果为例，其沉降变形时态曲线见图13(图中GD1为拱顶沉降点、GJ1为左拱脚沉降点、GJ2为右拱脚沉降点)。可知： 拱顶稳定时沉降值为57～67 mm，拱脚稳定时沉降值为62～83 mm，前1～4天(8月11日至15日)拱顶与拱脚沉降值基本相同，说明钢拱架主要为整体沉降，此时掌子面距测试断面约为6～9 m。断面封闭前拱顶沉降占总沉降的94.7%～98.4%，平均为96.5%； 封闭后拱顶沉降占总沉降的1.6%～5.3%，平均为3.5%。

3.4 增大预留变形量

目前设计采用的Ⅴ级围岩隧道预留变形量一般为15 cm，由于软弱围岩垂直力大而承载力低的原因，隧道施工过程极易发生初期支护整体下沉过大，施工中应加强初期支护沉降变形量测，根据量测结果实时调整预留变形量值，防止初期支护下沉过大造成侵限。隧道初期支护封闭后，隧道周边位移基本上不再发展。因此，隧道初期支护封闭时间是影响隧道预留变形量的一个重要因素。以郑西高铁黄土隧道为例，经过对现场量测数据的统计分析可知，在Ⅳ级老黄土围岩条件下，设计隧道预留变形量建议取为10～15 cm； 在Ⅴ级新黄土围岩条件下，设计隧道预留变形量建议取为25～28 cm。均较一般非黄土隧道预留变形量要大。

图13 DK225+145 断面拱顶沉降时态曲线(2007年)

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

3.5 其他措施

在大量铁路、公路等交通隧道施工中，各参建单位还研究探索了一些其他控制措施，如拱脚增设旋喷短桩、径向增设预应力锚索、混凝土垫块以及临时仰拱封闭等。

3.5.1 旋喷短桩加固

兰渝铁路桃树坪、胡麻岭隧道洞身穿越第三系泥质弱胶结粉细砂岩，为解决拱顶下沉问题，在拱脚部位增设竖直旋喷短桩。该方法对控制下沉有一定作用，但工效低，施工过程中大量浆液流出软化基底，对基底稳定不利。

3.5.2 预应力锚索

六沾铁路乌蒙山二号隧道出口为四线大跨段，地质为三叠系下统飞仙关组泥岩、页岩夹砂岩，岩质软。该隧道最大开挖跨度为28.4 m，开挖断面面积为354 m2，是目前世界上最大单跨铁路隧道。由于开挖跨度大，初期支护更容易发生下沉，施工中采用洞内设置预应力锚索外拉代替内部临时支撑，保证了施工安全，但主要存在的问题是如何有效保证洞内锚索注浆效果。

3.5.3 混凝土垫块

设置混凝土垫块可以增大拱脚受力面积，但该方法的缺点在于中下台阶开挖时要拆掉垫块，安全隐患较大。

4 结论与建议

1)郑西高铁黄土隧道现场实测的拱脚最大压应力为0.9 MPa，通过实测围岩压力计算的拱脚压力为816.2 kN，量值均远大于土体承载力，即钢架基础反力不够，这是包括黄土、昔格达地层在内的各种软弱围岩隧道初期支护下沉大的主要原因。

2)设置锁脚锚杆(管)和增设大拱脚是目前隧道施工中控制初期支护下沉的2种主要辅助施工措施。锁脚锚杆(管)具有显著的承压特性，且较长及刚度较大的锁脚锚杆其承压效果也比较好。大拱脚的承压特性十分显著，说明设置锁脚锚杆和大拱脚在软弱围岩隧道施工中效果显著。

3)现场实测初期支护仰拱断面封闭前拱顶沉降占总沉降平均为96.5%，封闭后拱顶沉降占总沉降平均为3.5%。仰拱及时闭合是大断面软岩隧道控制总沉降的关键工序。

4)从围岩级别考虑，黄土隧道设计时建议老黄土地层预留变形量设置为10～15 cm，新黄土地层预留变形量设置为25～28 cm；昔格达地层隧道设计时建议预留变形量设置为9～12 cm。设计的预留变形量可作为参考，采用信息化施工技术，结合具体变形量测情况进行调整，预留足够变形量，以防止初期支护侵限。

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