高地应力软岩隧道内层的初期支护施作时机

张光伟，罗彦斌

(长安大学公路学院，西安 710064)

目前，公路隧道多采用复合式衬砌，初期支护是主要承载单元[1-3]，控制围岩的变形与松弛，起到充分发挥围岩自承能力的作用。在高地应力软岩公路隧道中，为保证结构安全性，控制围岩变形，隧道初期支护多采用双层或多层结构，而何时施作内层初期支护极大影响双层初期支护结构支护效果[4]。若内层初期支护施作过早，围岩荷载得不到充分释放，支护结构承受较大的形变压力，则可能使其荷载分担比例过大而导致结构开裂，降低隧道耐久性；若内层初支施作过晚，则可能造成初期支护变形无法控制，以致隧道侵限或失稳。因此合理的内层初期支护施作时机对隧道长期安全稳定十分重要。

目前关于隧道支护时机的研究主要集中于二次衬砌施作时机，而双层或多层初期支护作为目前软岩大变形的主流支护形式[5-6]，其应用尚处于探索阶段。长安大学的陈建勋等[7]申请的“一种绿泥石片岩地层大跨度隧道的大变形控制方法”的专利，对双层初期支护设计的具体施作步骤、内层初期支护施作时机进行了介绍。王洪昌[8]利用数值模拟软件对不同施作时间下隧道结构安全性作出对比，认为围岩较好段的内层初期支护应在开挖中导时施作，对于围岩较差段内、外层初期支护应同时施作。李沿宗等[9]通过现场试验与监测，分析了采用多层初期支护结构的情况下不同工序对变形的影响。认为隧道上中台阶的第一层初期支护施作完成后立即施作上中台阶第二层初期支护，然后一次性施作下台阶双层初期支护及仰拱对控制变形更有利。

综合上述的研究结论，发现对双层初期支护在大变形隧道中的系统研究较少，尤其关于内层初期支护施作时机方面的研究更是匮乏，这给高地应力软岩隧道修建带来诸多困扰。现以渭武高速公路木寨岭隧道2号斜井为依托工程，采用现场监测和数值模拟相结合的方法对隧道内层初期支护合理施作时机进行探讨。

1 工程概况

渭武高速公路是国家高速公路网规划的兰州至海口国家高速公路(G75)在甘肃省境内的重要组成部分，是甘肃中南部经济带的公路运输大动脉。隧道设三座无轨通风斜井，其中2号斜井长1.813 km，斜井横断面面积为71.88 m2。选取斜井K1+700～K1+730段为监测段，监测段最大埋深为570 m，隧道全线均为Ⅴ级围岩，地层岩性为千枚岩和砂质板岩互层组合地层，碳质千枚岩强度低，单轴抗压强度Rc仅为3.6～4.6 MPa，遇水后易软化和崩解。围岩地质构造为高角度单斜构造，岩层倾角为50°～70°。围岩岩体板理、千枚理，节理发育，将岩体切割为中、薄层状或中厚层状碎裂结构，岩体完整程度平均呈较破碎状态。掌子面揭露围岩情况如图1所示。

图1 掌子面揭露围岩Fig.1 Rock mass of tunnel face

根据地应力测试结果，2号斜井横截面内的最大初始应力σmax≈18 MPa，而岩体的单轴抗压强度Rc=20～30 MPa,Rc/σmax=1.1～1.7<4.0，根据规范[10]，该区属极高地应力区，隧道容易发生围岩大变形。施工现场发现隧道变形量大、变形持续时间长，且在时空效应上表现出明显的不均匀性。

1.1 监测段设计支护参数及施工方法

木寨岭隧道2号斜井监测采用XVf型衬砌支护参数，具体支护参数如表1所示。

3号斜井按“新奥法”原理施工，隧道采用光面爆破技术掘进，施工方法采用三台阶分步开挖法，施工具体步序如图2所示。

图2 三台阶七步开挖法横纵断面Fig.2 Cross and vertical section of three-bench seven-step excavation method

1.2 监控量测方案

依托木寨岭隧道2号斜井，选取K1+704、K1+714、K1+727三个断面对2号斜井进行初期支护变形的现场监控量测。其断面分布如图2所示。每个监测断面分别在拱顶、左右拱腰、上台阶左右拱脚、中台阶左右拱脚7个位置埋设反光贴片，采用全站仪实现对以上各位置变形的监测。监控量测测点布置如图3所示。

表1 木寨岭隧道2号斜井监测段支护参数Table 1 Support parameters of monitoring section ofthe No. 2 Slanting shaft

图3 监控量测测点布置Fig.3 Monitoring point arrangement

2 双层支护结构变形特征

监测段选择3个断面对隧道的拱部下沉进行监测，限于篇幅所限，选择里程桩号为K1+714的断面呈现2号斜井初期支护变形特征。测点位置包括拱顶、左右拱腰、上台阶左右拱脚以及中台阶左右拱脚。时态曲线如图4、图5所示。

由图4可知，监测断面沉降变形主要分为四个阶段。第一阶段为急剧变形阶段，该阶段为上中台阶开挖阶段，沉降增长快，持续时间大致为7 d；第二阶段为持续增长阶段，本阶段包括下台阶开挖后至内层钢架施作，该阶段沉降变形增长速率减缓，持续时间大致为5 d；第三阶段为缓慢增长阶段，本阶段为内层钢架施作到仰拱施作阶段，该阶段沉降变形增长速率趋于稳定，持续时间大致为10 d，第四阶段为仰拱施作阶段，沉降变形速率逐渐减少至趋于稳定。综合来看，沉降变形均表现为隧道左侧沉降值大于右侧沉降，左拱腰处沉降变形最大，最大沉降为28.3 cm，小于预留变形量50 cm，可见预留变形量过大。此外，不同施工步序引起的初期支护竖向沉降的比例不同，中台阶开挖对围岩竖向变形影响最大，阶段内变形值约占最终监测值的40%。

图4 K1+714断面累计沉降时态曲线Fig.4 Cumulative settlement temporal curve of K1+714 section

图5 K1+714断面累计收敛时态曲线Fig.5 Cumulative convergence temporal curve of K1+714 section

由收敛时态曲线(图5)可知，监测断面水平收敛均表现为随时间及施工工序而逐渐增大至趋于稳定，与沉降时态曲线呈现的规律基本相同，在下台阶开挖前，收敛增长较快，内层钢架施作后增长变缓，仰拱施作后隧道整体趋于稳定状态；隧道监测点的最大收敛为21.1 cm，小于预留变形50 cm。

研究发现，隧道断面变形特征为左帮变形较右帮大，其变形破坏机理如下：如图6所示的单元体A、B、C，分别代表隧道断面左帮一点、右帮一点和近端一点。由于隧道钙硅质砂质板岩和碳质千枚岩呈薄层、局部为中厚层状互层组合，层间黏聚力薄弱，类似于薄板叠放，左帮A点岩体的层理作用处于受拉状态，受拉应力作用；B点由于上覆岩层作用，多数处于受压状态，受压应力作用；而C点位于断面近端，处于隧道开挖后的三向受力状态。由于岩石抗压强度约为抗拉强度的10倍左右，即岩石抗拉不抗压，且A点受拉应力作用。因此，A点极易变形，即造成隧道断面左帮变形严重。各单元受力分析如图7所示。

图6 单元体位置 Fig.6 Unit position

图7 各单元体受力示意Fig.7 Stress diagram of each unit

3 初期支护不同施作时机下支护效果对比分析

为分析初期支护不同施作时间下支护结构变形及内力响应，优化内层初期支护的施作时机，参考规范[11]及地质资料建立数值模型，进行进一步分析。

3.1 计算模型

监测断面初期支护外层使用I20a工字钢，设计喷射混凝土厚28 cm，内层钢架采用HW175型钢钢架，设计喷射混凝土厚25 cm，纵向间距均为60 cm。隧道开挖宽12. 86 m，高10.37 m，仰拱高度1.1 m，考虑到空间效应和计算效率的影响[12-13]，建模时左右两侧分别取50 m，上下方取45 m，模型纵向长30 m，开挖进尺1.5 m。左右两侧界面施加水平方向约束，底面施加竖直方向约束，初始地应力仅考虑自重应力的影响。视围岩为理想弹塑性材料，服从Mohr-Coulomb屈服准则，支护和衬砌结构采用弹性模型，且均采用平面单元，锁脚锚管采用杆单元模拟。有限元模型如图8所示。

以K1+714断面揭露的掌子面围岩为基准选取围岩力学参数，通过等效折算[14]的方式将钢架弹性模量折算给喷射混凝土，两者视为整体共同承载围岩压力。同时，将超前小导管支护范围内的围岩黏聚力、内摩擦角提高15%，模拟打设超前小导管而形成的加固区，围岩加固区厚度按0.6 m计。模型各单元物理力学参数如表2所示。

图8 三维实体有限元模型Fig.8 3-D finite element models

表2 模型各单元物理力学参数取值

3.2 模拟方案

考虑到现场施工特点，内层初期支护的施作时机采用上台阶架立的钢架榀数来表征，本次模拟对比了四种支护时机方案，各方案支护参数见表3。

表3 数值模拟方案

3.3 模拟结果准确性验证

因方案3与实际施工中开挖步序一致，选取模拟方案3得到的拱顶沉降值和上台阶拱脚处水平收敛值与现场K1+714断面实测值进行对比，为避免边界效应影响，取y=9 m断面处的数据进行分析。结果见图9、图10和表4。为和实测数据做出对比分析，图表中位移均不考虑岩体开挖前的位移。

由表4可知，模拟计算值略小于实测值，而变形规律与实测变形规律基本一致，这表示本次数值模拟建立的模型能在一定程度上反映木寨岭隧道实际的变形、受力规律，因此可认为该模型满足要求，真实可靠。

图9 拱顶处沉降对比Fig.9 Settlement contrast at the vault

图10 上台阶拱脚处水平收敛对比Fig.10 Horizontal convergence contrast at skewback of upper step

表4 模拟变形结果与现场监测结果对比

3.4 不同施作时机下支护结构变形规律

通过图11可知，2号斜井施工过程中，隧道拱顶约1.5倍洞径，仰拱底部约1倍洞径范围内是发生竖向位移的主要区域，竖向位移主要集中在左右拱腰及仰拱左右侧。通过图12可知，隧道两侧0.3倍洞径范围内是发生水平收敛的主要区域，水平收敛主要集中在拱脚和边墙处。上台阶内外层初支同时施作时(方案1)拱顶累计下沉为9.3 cm，仰拱隆起达18.5 cm，两点间水平收敛最大值达到23.8 cm。

由表5知，4种方案的隧道支护参数完全相同，但各关键点的变形却存在显著差异。可见，内层初期支护的施作时机至关重要。从控制变形角度出发，内层初期支护的施作越早其变形控制效果越好。相较于方案4的情况，方案1的拱顶下沉降幅达52.1%，各收敛分别降低了38.7%、53.3%和26.1%。通过对4种方案数值模拟，可以看出隧道水平收敛一般大于拱顶沉降，且随着内层初期支护施作的滞后，水平收敛的变形区域逐渐向边墙转移。

图11 内外层初期支护同时施作时竖向位移Fig.11 Vertical displacement of inner and outer initial support in simultaneous construction

图12 内外层初期支护同时施作时水平收敛Fig.12 Horizontal convergence of inner and outer initial support in simultaneous construction

表5 内层初期支护不同施作时间下各关键点位移对比分析

3.5 不同施作时机下支护结构受力规律

选择断面上5个特征点作为统计点，分别为拱顶、上台阶左右拱脚、中台阶左右拱脚。将4种方案下的外层喷射混凝土第一主应力、第三主应力数值作对比，来判断隧道的受力情况。4种方案下的主应力的计算结果见表6、表7。

由表6、表7可知，两层初期支护施作间隔时间越长，初期支护所受主应力越大。方案2、3、4开挖支护时隧道的受力情况类似，数值较为接近，同时施作时(方案1)隧道主应力明显大于其他方案的应力，这说明同时施作时围岩的应力释放较少，围岩荷载得不到充分释放，支护结构承受较大的形变压力。基于木寨岭隧道2号斜井地质条件，不建议采用内外层初期支护同时施作的方式进行施工。

表6 各方案第三主应力统计结果

表7 各方案第一主应力统计结果

4 结论

通过对木寨岭隧道2号斜井内层初期支护不同施作时间下支护变形收敛情况及外层喷射混凝土应力对比分析得出以下结论。

(1)通过数值模拟结果和实测数值进行对比分析，发现模拟计算值略小于实测值，而变形规律与实测变形规律基本一致。证实此数值模拟结果的可靠性，通过模拟得到的变形规律可以为类似工程提供参考。

(1)由支护结构变形量测结果可知，内层初期支护的施作越早其变形控制效果越好。相比方案4的情况，方案1的拱顶下沉降幅达52.1%，各收敛值分别降低了38.7%、53.3%和26.1%。

(2)由支护结构应力计算结果可知，两层初期支护间隔越大，外层初期支护所受应力越大。方案2、3、4开挖支护下隧道的受力情况类似，数值较为接近，方案1情况下隧道主应力值明显大于其他方案的应力，说明同时施作时双层初期支护时围岩的应力释放较少，围岩荷载得不到充分释放，支护结构承受较大的形变压力。从释放围岩应力角度出发，内层初期支护的施作不宜过早。

总的来说，围岩状况在很大程度上决定大变形段内层初期支护的施作时间，例如当围岩条件较好时，内层初期支护可以较晚地施作，这样可以让部分围岩应力释放，符合新奥法思想，保证内层初期支护结构的安全性。基于木寨岭公路隧道2号斜井围岩条件，结合现场监测与数值模拟结果，内层初期支护在上台阶钢架施作6～12榀间施作最适宜。