基于软岩变形机理下隧道差异预留变形量技术研究

郭成刚

中铁十七局集团第二工程有限公司 陕西 西安 710043

引言

隧道工程发展至今，国内外学者及工程师们对于软岩隧道变形控制技术的研究取得了大量的成果[1-5]。从已有的研究成果中发现，对于软岩隧道变形控制技术的研究主要是通过对开挖方式和支护结构的优化以达到控制围岩变形的结果。然而，在普遍采用台阶法开挖的软岩隧道的施工过程中存在这样的问题[6]：由于台阶法分部开挖的特点，各台阶同环钢架施工存在时间差，因而导致钢架变形不同步，造成的结果是在安装下一台阶初支钢架时上一台阶钢架已发生一定的变形，使钢架之间不能顺接，无法按设计进行支护，并且在初期支护封闭成环后拱脚连接处会成为受力薄弱点，极易由此引发初期支护变形侵限。如果这个问题不能得到解决，通过开挖方式和支护结构优化来控制变形的研究成果将变得没有意义。本文以白石头隧道为工程依托，介绍一种基于拱架差异预留变形量的软岩隧道变形控制技术，为软岩隧道施工提供参考。

1 工程概况及存在的问题

1.1 工程概况

大临铁路白石头隧道位于临沧市云县南部头道水乡，祥临二级公路东侧，隧道全长9375m，共设置三座斜井。围岩岩性为薄层状炭质片岩，间夹方解石脉、绢云片岩，岩质松软，微张节理裂隙较发育，岩体极软弱极破碎，受构造影响，揉皱较发育，镜面擦痕多见，掌子面潮湿，右侧滴水状。围岩级别以V级围岩为主，施工过程中围岩变形大，最大单侧变形可达1.6m，易掉块、溜塌，开挖方式采用三台阶开挖法，见图1。

图1 三台阶开挖工法示意图

1.2 存在的问题

在隧道施工中，围岩的变形包括先行变形、初始变形和量测变形[1]，软岩隧道变形控制技术最重要的就是对量测变形的控制。所谓量测变形，就是在拱架安装后量测的围岩、拱架的变形。在隧道开挖过程中，通常要在设计断面的基础上扩挖固定的距离作为预留变形量，如图2。而在三台阶开挖法施工中，由于上、中、下台阶分步施工存在时间差，中台阶开挖时上台阶围岩变形已导致拱架已经产生一定的变形，导致同环拱架无法顺接，这样的现象不仅仅出现在白石头隧道，在国内外隧道工程中比比皆是[6]。如果强行连接拱架，连接处势必出现张口连接不顺，形成支护结构受力薄弱点，如图3，这将极大的削弱支护结构的受力性能，极易造成支护结构变形侵限，甚至导致不可估量的安全事故，如图4。

图2 固定预留变形量断面图

图3 不同步变形导致拱架无法顺接

图4 初支钢架无法顺接造成支护结构变形侵限

2 差异预留变形量技术

2.1 准确测量附加变形

准确、及时的量测是新奥法隧道施工的关键。本文介绍的差异预留变形量技术同样需要准确的变形量测数据作为支撑。在隧道的前期施工中，对各台阶拱脚连接处拱架的具体变形情况进行量测并记录，计算自钢架安装完成至下一台阶开挖后的拱脚累计变形，把该变形量作为附加变形。在设置拱脚预留变形量时，把附加变形量与设计固定预留变形量之和作为该位置的实际预留变形量，这就形成的差异预留变形量。附加变形量分为水平附加变形量εh和竖直附加变形量εv，如图5。

图5 拱架差异预留变形量示意图

2.2 拱架制作

由于附加变形的存在，拱架在制作时应在设计拱架的基础上将拱脚外扩一定的距离，从而确保拱架在经历附加变形后拱脚处顺接。拱脚分别在水平方向和竖直方向外扩εh、εv的同时还必须保证拱架上部与上一节拱架的顺接，因此，拱架的曲率和半径也必将改变。由于拱架的长度保持不变，则确定拱架的半径成为拱架制作的关键。实质上，当把拱架看成是一条弧线的话，这条弧线的半径是可以通过解析公式与计算机软件结合来进行精确求解的。而我们从白石隧道长期的工程经验得知，当R2=1.5R1时（R1、R2分别为拱顶拱架分节和拱顶拱架两侧分节半径，三台阶法上台阶根据矢跨比、拱架重量一般分三节为宜），基本可以保证拱架在经历附加变形后拱脚处顺接，如图6所示。白石头隧道现场施工效果见图7。

图6 拱架差异预留变形量拱脚顺接

图7 拱架差异预留变形量施工效果

2.3 施工要点

2.3.1 加强监控量测，软弱围岩变化快，准确的量测数据是差异预留变形量的基础。

2.3.2 台阶法开挖的台阶高度控制在2.5～3m，尽可能地缩短支护结构闭合时间，快速成环，最大限度的减少围岩暴漏时间，有利于控制围岩变形。

2.3.3 施工过程中如果出现了拱架连接张口的情况，说明围岩发生了变化，变形量增大或是减小了，那就必须进行拱架加工调整，所以一次性加工拱架数量不能过多以不超过15m左右为宜，y以便及时调整预留了设置，这样在调整差异预留量时不至于报废上一批拱架。

2.3.4 如果出现变形量增大，应加强初期支护，提高设计参数。加强支护参数后再结合差异预留变形量，对变形控制更有利，如果一味的通过加大差异预留变形量来调整，会增加拱架的加工和安装难度。

2.3.5 严格控制拱架加工和安装的精度。

3 结束语

预留变形量的合理确定受围岩条件、施工工法及支护结构等众多因素的影响。采用台阶法施工必然会造成台阶处拱脚变形内移收敛，一般围岩条件下，内移量不大，对施工影响较小而对于软岩隧道，拱脚内移量非常大，这样势必造成拱架连接不圆顺，受力不均，形成变形突破口。所以要消除工序的影响，应采取分台阶差异预留变形量。所以在制作钢架时要根据时间差造成变形量不同去设计钢架的预留量。通过拱架差异预留量的设置，一定程度上解决了拱架安装问题。但是差异预留变形量只能作为一个辅助措施使用，还必须通过加固围岩，加强支护参数等措施来最大限度的控制围岩变形，才能使差异预留变形量应用更加有效果。