层状软弱板岩隧道初期支护加固技术试验研究

王庆　杨永斌　焦卫宁　高伟政　薛文飞

摘 要：本研究以某高速隧道为依托，现场测试了断面ZK14+830围岩压力、拱架应变、混凝土应变值，同时制定了锁脚锚管（方案1）、锁脚锚管+拱架纵向连接（方案2）两种初支结构加固技术方案。研究表明：两种加固措施可对围岩起到较好稳定效果，且方案2处治效果最为显著。

关键词：隧道工程;层状板岩;锁脚锚管

中图分类号：U451.2;U457.3 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）29-0088-04

Experimental Study on Initial Support and Reinforcement

Technology of Layered Soft Slate Tunnel

WANG Qing YANG Yongbin JIAO Weining GAO Weizheng XUE Wenfei

（CCCC Second Highway Engineering Co.， Ltd.， Xi 'an Shaanxi 710065）

Abstract： In this study， based on a high-speed tunnel， the surrounding rock pressure， arch strain and concrete strain of section ZK14 + 830 are tested on site， and two kinds of initial support structure reinforcement technical schemes of foot lock anchor tube （scheme 1） and foot lock anchor tube + arch longitudinal connection （scheme 2） are formulated. The research shows that the two reinforcement measures can have a good stability effect on the surrounding rock， and the treatment effect of scheme 2 is the most significant.

Keywords： tunnel works;carbonaceous slate;lock foot anchor tube

层状软弱板岩隧道施工中常出现围岩大变形、坍塌等病害[1-4]。层岩隧道初期支护结构加固技术已成为相关学者竞相研究的热点课题。

1 工程概述

以某高速公路隧道为研究对象，隧道全长2 164 m，采用双洞分离式设计，隧道断面为典型三心圆结构，上拱部圆半径为6.05 m，道路横坡为2%。隧址区穿越文笔山组及二叠系上统龙潭组地层，出露岩性为灰黑色层化软弱板岩、砂岩及泥岩。围岩整体自稳性较差。山体植被茂密，地表起伏较大，地表水不豐富，地下水为第四系松散孔隙水及基岩裂隙水，施工过程偶见渗漏水，薄层板岩易沿板理面滑塌，隧址区岩层产状多变，并穿越Fm4及Fm7两处断层。

2 现场施工病害分析

隧道现场开挖施工过程中，围岩大变形、初期支护结构开裂、钢拱架屈曲现象偶有发生[5-8]。现场围岩自稳性较差，薄层板岩易滑塌，隧道开挖施工后短时间内即形成较大围岩松散压强。初支结构与围岩黏结程度较差，难以形成有效支护。隧道上台阶开挖施工后，拱顶沉降呈快速增长的趋势，施工36 d后累计沉降达360.2 mm。于断面ZK14+830处进行围岩压强、钢拱架应变、初支混凝土应变测试，图1为现场安装测试仪器。

图2为断面ZK14+830围岩压强变化曲线。由图2可知，隧道开挖施工后，拱顶、拱腰处围岩压强整体偏大，边墙位置处围岩压强偏小，拱脚围岩压强基本为0。仰拱施作完毕后，各测点压强基本保持稳定，并分别维持在0.83 MPa、0.42 MPa、0.56 MPa、0.11 MPa、0.12 MPa、0 MPa、0 MPa。

图3为断面ZK14+830钢拱架应变曲线。由图3可知，上台阶开挖施工后，拱顶、拱腰处拱架应变呈快速增加的趋势，施作中台阶后拱架应变曲线出现收敛拐点，下台阶施工完毕后各测点拱架应变趋于稳定，至仰拱施作完毕拱架各处应变达到稳定状态，各测点应变值依次为4 073 με、2 651 με、3 026 με、213 με、1 089 με、57 με、88 με。

图4为断面ZK14+830混凝土应变曲线。由图4可知：2019年3月28日，上台阶开挖施工后，拱顶、拱腰处混凝土应变呈快速增长的趋势，中台阶开挖施工后，拱顶、拱腰处混凝土应变进一步增长，下台阶施作完毕后，各测点应变曲线出现收敛拐点并趋于稳定，仰拱施作完毕后各测点值依次为2 345 με、847 με、1 613 με、320 με、419 με、98 με、131με。可见，隧道开挖施工后初期支护结构形变量偏大，超过钢拱架、混凝土允许应变值，施工现场需要采取相关措施处置施工病害。

3 加固措施效果规律分析

断面ZK11+240采用锁脚锚管支护（方案1）实施加固，ZK11+260采用锁脚锚管+拱架纵向连接支护（方案2）实施加固。锁脚锚管分别布设于上、中、下台阶拱架两端，与钢拱架通过焊接进行连接，见图5。

图6和图7为断面ZK11+240和断面ZK11+260测点围岩压力变化曲线。可知，由于围岩松散压力较大，开挖施工后。拱顶、拱腰位置围岩压力快速增至峰值，边墙、拱脚处压力值整体较小，施作仰拱后各测点压力曲线基本趋于稳定状态。图8为断面ZK14+830、断面ZK11+240和断面ZK11+260测点围岩压力对比。上台阶开挖施工后，加强支护技术方案拱部位置围岩压力高于常规技术。

图9和图10是加强支护措施钢拱架应变曲线。相较于常规施工技术，在上台阶开挖施工后拱架应变迅速增至峰值，常规方案应变曲线则是以近抛物线形式快速增至峰值。可见，采用加固技术方案后，拱架纵向连接、锁脚锚管均可对初期支护结构进行良好约束，充分发挥其稳定围岩效果，避免在开挖施工期间支护结构与围岩共同变形问题而造成围岩大变形、支护结构坍塌。

图11为断面ZK14+830、断面ZK11+240和断面ZK11+260各测点拱架应变对比。上台阶开挖施工后，常规施工技术拱顶钢拱架应变值为359 με，方案1的拱顶钢架应变为4 000 με，方案2为4 302 με。由此可见，锁脚锚管加固技术可对初支结构起到明显加固作用，限制初支结构变形，加强支护效果，同时拱部支护结构承受较大围岩压力。相较而言，方案2支护效果更为明显。

各工序施作完毕后，围岩与支护结构形成稳定状态。此时，常规技术方案拱顶处拱架应变为4 029 με，方案1和方案2分别为3 739 με、2 719 με。由此可见，锁脚锚管、拱架纵向连接可将支护结构结为整体，在开挖施工初期即可对围岩与初支结构起到明显稳定作用，避免造成围岩大变形。

图12和图13为加强支护措施各测点混凝土应变曲线。拱顶、拱腰处混凝土应变值整体偏大，且曲线震荡较剧烈。由此可见，由于添加锁脚锚管，实施拱架纵向连接，上台阶开挖施工后拱部混凝土应变快速增至峰值。常规施工技术混凝土应变则以近抛物线形式增至峰值。加强支护措施可加强初支结构稳定效果。

图14为断面ZK14+830、断面ZK11+240和断面ZK11+260各测点混凝土应变对比情况。上台阶开挖施工后，常规施工技术下拱顶混凝土应变值为618 με，方案1为1 704 με，方案2为1 394 με。上台阶开挖施工后，加强支护技术方案拱部混凝土应变值偏大，说明围岩松散压力得到较好抑制。与此同时，初支结构将承担较大压力，上台阶开挖成为整个施工过程的薄弱环节。二次衬砌结构施作完毕后结构处于稳定状态，此时常规技术拱顶混凝土应变值为2 345 με，方案1和方案2分别为2 657 με、2 188 με。可见，锁脚锚管+拱架纵向连接技术加固效果最为明显。

4 结论

①对断面ZK14+830圍岩压强、拱架应变、混凝土应变进行试验测试。上台阶开挖施工后，拱顶、拱腰处围岩压强迅速增至峰值1.22 MPa、0.74 MPa、0.88 MPa。至仰拱施作完毕，各测点拱架应变值为4073 με、2651 με、3026 με、213 με、1089 με、57 με、88 με。下台阶施作完毕拱顶、拱腰处混凝土应变值为2 167 με、917 με、1 411 με。

②施工现场采用锁脚锚管支护、锁脚锚管+拱架纵向连接支护2种加强支护处治方案。采用加强支护技术方案，沿隧道纵向，通过工字钢纵向连接拱架。沿隧道横断面方向，利用锁脚锚管依次对上、中、下台阶拱架进行连接加固，大幅提高初支结构支护性能，提升围岩及结构承载能力。

③上台阶开挖瞬间，围岩变形得到充分抑制。每循环施作完毕后，采用加强支护措施围岩压强、拱架与混凝土应变值小于常规施工技术。锁脚锚管+拱架纵向连接加固效果最为显著。

参考文献：

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