软岩公路隧道紧急停车带变截面段变形特征及加固方法

2022-02-06郭会杰陈丽俊张立鑫王智佼钟道川杨璐

科学技术与工程 2022年35期

郭会杰，陈丽俊*，张立鑫，王智佼，钟道川，杨璐

(1.长安大学公路学院，西安 710064； 2.甘肃长达路业有限责任公司，兰州 730050)

随着国家“西部大开发”和“交通强国”的持续推进，中国的交通基础设施建设在发展过程中不可避免会遇到大量的长大隧道[1-2]。为供车辆临时发生故障或其他原因紧急停车使用，对于长、特长隧道，每隔一定距离需修建紧急停车带，车道加宽、开挖断面增大的同时，变截面段附近一定范围内的围岩应力分布会变得复杂，支护受力和变形增大，造成变截面段施工难度的增加[3-6]，尤其在软岩隧道施工中，围岩会出现明显的非对称变形[7-11]，进而影响围岩与支护结构的稳定性。

关于隧道变截面段受力与变形特征，国内外的学者开展了较多研究。霍润科等[12]针对黄土隧道加宽段初期支护结构，通过数值分析验算了初期支护参数的合理性,并结合监控量测数据进行了分析与评价。黄林华等[13]对中风化玻屑凝灰岩隧道变截面段的开挖以及支护进行模拟计算，分析了围岩应力场、位移场，结合现场监控量测数据进行对比，分析了变截面隧道的安全性，获得了大断面变截面隧道的最优施工方法以及合理支护参数。孙志杰[14]采用三维有限元仿真的方法，对大断面黄土加宽过渡段支护结构和围岩变形规律进行了研究，表明了加宽过渡段初期支护结构的变形呈现出的非对称性，并提出应对过渡段附近10 m范围加强监测。周强[15]对砂岩隧道加宽段与正常段结合处的变截面过渡段进行了研究，分析了过渡段围岩的位移、应力和塑性区特征，得出过渡段的最不利受力位置为变截面拱腰。方刚等[16]基于弹塑性有限元法对变截面大跨隧道段的开挖和支护全过程进行三维数值模拟，并结合现场实测数据进行对比，表明了变截面大跨隧道采用三台阶临时仰拱法和三台阶开挖法可有效地控制变截面大跨隧道的应力集中和变形。廖雄[17]以成兰铁路杨家坪隧道分合修过渡段为依托，研究了高地应力条件下大跨变截面隧道施工变形规律及其变形控制措施。田古生[18]通过对漩口隧道加宽带的施工全过程模拟，总结了灰岩隧道围岩变截面处变形及应力的变化规律，揭示了变截面对隧道正常段断面突变一侧围岩变形的影响明显大于另一侧，围岩在拱脚及拱腰处于相对不安全的状态，在施工时可适当加强该位置的支护。乔世范等[19]针对强-中风化凝灰岩隧道，采用现场监测与数值分析的方法，对正常段与加宽过渡段施工开挖断面、施工方法、隧道埋深、跨度变化等多因素影响下隧道围岩支护特性进行了研究。

通过文献调研可以发现，现有隧道变截面段的相关研究文献主要针对砂岩、灰岩、凝灰岩等较硬质岩隧道，围岩分级主要为Ⅳ级，甚至Ⅲ级，围岩变形普遍不大，针对变截面段的非对称变形主要采用加强变截面附近一定范围内初期支护强度的方法。现有研究较少涉及容易发生大变形灾害的软岩公路隧道，且缺乏针对软岩公路隧道紧急停车带变截面段的有效加固方法。鉴此，现以甘肃渭源至武都高速公路木寨岭隧道典型软岩段紧急停车带为研究对象，通过现场调研、数值模拟以及现场试验，对软岩公路紧急停车带变截面段变形特征及加固方法进行研究，以期为类似软岩公路隧道紧急停车带变截面段的变形控制提供借鉴。

1 工程概况

1.1 工程简介

木寨岭隧道位于西秦岭低中山区，穿越漳河与洮河的分水岭木寨岭，横跨漳县、岷县两县，为渭源至武都高速公路的控制性工程。隧道采用分离式双向四车道设计，左线全长为15 231 m，右线全长为15 173 m，洞身最大埋深约629 m，属特长深埋隧道。隧道设计速度为80 km/h，隧道建筑限界净高为 5 m，正常段建筑限界净宽为10.25 m，最大开挖宽度为13.6 m，紧急停车带建筑限界净宽为13.25 m，最大开挖宽度为16.8 m。

1.2 工程地质概况

隧址区海拔较高，山势陡峻，沟谷深切呈“V”字形，自然坡度多大于50°。地面高程为2 416～3 133 m，相对高差为717 m。山脊岩体裸露，风化严重，节理发育；山坡为坡积、残积及第四纪薄层风积黄土覆盖，水土流失比较严重；沟谷狭窄，少阶地。隧道全线围岩级别均为V级，以炭质板岩、炭质千枚岩和砂纸板岩组成为软硬互层围岩为主，薄层状构造，受褶皱影响，节理裂隙较发育(图1)。根据勘察结果，围岩中存在高地应力，主应力方向为北北东向，与线路夹角小于26°。围岩稳定性差，初期支护施作不及时易产生大变形及大坍塌。地下水主要为基岩裂隙水；施工时可能出现点滴状或淋雨状出水。

图1 典型地层岩性Fig.1 Typical stratum lithology

1.3 隧道支护及施工工法

木寨岭隧道紧急停车带和正常段均采用三台阶环形开挖预留核心土法施工，隧道支护结构采用复合式衬砌，以十四号紧急停车带附近段落为例，原设计支护参数如下：紧急停车带预留变形量为 40 cm；4.5 m长(L)Φ42 mm超前注浆小导管，环向间距为40 cm，外插角α=10°；HW200钢架，纵向间距为80 cm，挂Φ8 mm钢筋网，网格间距为15 cm×15 cm，喷30 cm厚C25早强混凝土；65 cm厚C30钢筋混凝土二次衬砌；正常段预留变形量为30 cm；4 m长Φ42 mm超前注浆小导管，环向间距为 40 cm，外插角α=10°；HW175钢架，纵向间距为 80 cm，挂Φ8 mm钢筋网，网格间距为15 cm×15 cm；喷28 cm厚C25早强混凝土；50 cm厚C30钢筋混凝土二次衬砌。隧道紧急停车带与正常段典型断面具体支护参数如图2和图3所示。

图2 紧急停车带典型断面支护参数Fig.2 Support parameters of typical section at emergency parking belt

图3 正常段典型断面支护参数Fig.3 Support parameters of typical section at normal section

2 变截面段变形特征及原因分析

2.1 变形特征

经现场调研，隧道左线十四号紧急停车带(ZK221+312)附近围岩主要为薄层状炭质千枚岩，掌子面岩层近乎直立，走向与隧道轴线垂直，岩体松散破碎，且掌子面存在淋雨状出水(图4)。当隧道由紧急停车带向正常段施工时，在断面减小一侧的初期支护施作后，隧道变形持续增大，难以稳定，变形最大值位于上台阶右拱脚位置。从整体变形情况看，变截面后正常段初期支护产生了明显的非对称变形，变形主要集中在变截面后约15 m范围内(图5)，并在上台阶右拱脚及右侧边墙出现了较大面积的混凝土开裂剥落，钢架扭曲、钢架接头板张开、初期支护局部变形侵限等现象，而不得不进行拆换拱处理。而且，拆换拱处理完成至二次衬砌浇筑之前喷射混凝土再次出现较为严重的开裂现象(图6)，说明在初期支护闭合成环后，作用于初期支护上的围岩压力仍在不断增长，最终初期支护因荷载超过其承载力极限而发生破坏，并且还可能导致二次衬砌承受较大的围岩压力，进而到影响隧道二次衬砌的长期安全性。

图4 左线掌子面围岩Fig.4 Rock mass of left line tunnel face

图5 初期支护变形侵限Fig.5 Invades limit of primary support

图6 喷射混凝土开裂Fig.6 Cracked shotcrete

2.2 围岩大变形原因分析

从隧道断面突变、爆破扰动影响、围岩状态和地下水的影响等几方面进行分析，隧道紧急停车带变截面段发生大变形主要有如下原因。

(1)隧道断面突变的影响。隧道由紧急停车带向正常断面施工时，一侧断面突然缩小，导致变截面一侧(紧急停车带端头)的岩体同时存在纵向以及环向两个临空面，其所受约束条件与其他断面具有明显的差异。在开挖引起的应力重分布作用下，紧急停车带端头围岩易由于约束不足而产生较大变形。

(2)隧道爆破开挖扰动的影响。紧急停车带变截面段围岩受到前期紧急停车带施工的多次爆破振动影响，必然会加剧变截面段围岩的松散、破碎和松弛变形，而后期正常段爆破开挖也会加剧这一侧围岩的松散和破碎，使得围岩稳定性不断下降，并导致该侧初期支护承受较大的松散荷载而发生破坏。

(3)围岩状态与地下水的影响。变形破坏段落围岩以薄层状炭质千枚岩为主，夹少量炭质板岩和砂质板岩，局部褶皱明显，节理裂隙发育，岩体较破碎，开挖扰动后呈层状碎裂结构或碎裂结构，稳定性较差，且该区域地下水较为丰富，炭质千枚岩遇水后易软化，强度会急剧减小，使得围岩稳定性进一步降低。

综上，紧急停车带端头所受约束作用较弱，且断面突变一侧围岩受到爆破施工的多次扰动，加上地下水对围岩的软化作用，导致该侧围岩产生了较大的松弛变形，并引起了初期支护结构的变形、破坏。对此，需对软岩隧道紧急停车带端头进行专门加固。

3 不同加固方案的数值模拟研究

关于软岩隧道紧急停车带变截面段的加固方法，以往主要根据现场变形情况，大多采取围岩注浆加固和拆换拱等处理措施，但效果往往差强人意。鉴于小孔径树脂卷快速锚固预应力锚索(简称“小孔径预应力锚索”)在交通软岩隧道大变形控制实践中取得的良好效果[20-24]，现提出采用小孔径预应力锚索对软岩隧道紧急停车带变截面段进行加固。下面对不同加固方案的加固效果进行数值模拟研究，为现场加固方案的确定提供参考。

3.1 数值计算模型的建立

图7 三维计算模型Fig.7 Three-dimensional calculation model

数值模拟计算采用FLAC3D有限差分软件，为消除边界效应对隧道开挖的影响，依据圣维南原理，隧道距边界的最小尺寸取大于3倍洞径[25]，故模型取：纵向(y轴)沿隧道开挖方向取100 m(加宽断面50 m，正常断面50 m)，水平方向(x轴)130 m，垂直方向(z轴)从基底向上取100 m。模型左右以及前后边界施加水平约束，底部边界施加垂直约束，顶部为自由边界。隧道围岩采用solid单元模拟，视为服从Mohr-Coulomb屈服准则的理想弹塑性材料，初期支护采用shell单元模拟，超前小导管及锁脚锚管采用beam单元模拟，预应力锚索采用cable单元模拟。三维计算模型如图7所示。隧道埋深约为450 m，属深埋隧道，初始地应力根据设计勘测资料施加。为简化计算，初期支护钢架及钢筋网采用抗弯刚度等效的原则对初期支护喷射混凝土力学参数进行加强。围岩及支护结构的物理力学参数根据实测数据及相关规范选取，具体参数见表1、表2。

表1 围岩力学参数

表2 支护结构力学参数

3.2 不同加固方案的数值模拟

模拟施工步骤为先进行加宽段施工，再进行正常段施工，均采用三台阶预留核心土法，每步掘进1.6 m。分别对以下4种不同工况进行模拟。

工况一：采用原设计支护方案，紧急停车带端头不采取专门加固措施。

工况二：在原设计支护方案基础上，在紧急停车带端头表面增设纵向预应力锚索。

工况三：在原设计支护方案基础上，在紧急停车带端头起沿正常段纵向16 m范围内，增设环向预应力锚索。

工况四：在原设计支护方案基础上，同时增加紧急停车带端头的纵向预应力锚索和正常段16 m范围内的环向预应力锚索。

模拟中锚索长度均采用10 m，其中自由段长度为8.5 m，锚固段长度为1.5 m，施加预应力为 300 kN，各工况锚索的具体布置数量与位置见图8所示。

图8 预应力锚索布设位置示意图Fig.8 Position schematic diagram of prestressed anchor cable

4 数值模拟结果分析

根据数值模拟计算结果，对4种不同工况下变截面段正常断面的围岩竖向位移及水平位移情况进行分析，如图9和图10所示。提取拱顶及两侧中、上台阶拱脚关键点处的围岩最大竖向位移与最大水平位移分别列于表3和表4。

由图9及表3可知，工况一中围岩竖向位移在变截面后约15 m范围内呈现出明显的左右不对称性，具体表现为左侧的变形明显大于右侧，同一断面内围岩竖向位移最大值发生在上台阶左拱脚；从变形的纵向分布来看，上台阶左拱脚处的竖向位移沿隧道纵向变化最为明显，其值随着与变截面距离的增大而出现先增再减的分布规律，最大值出现在变截面后约8 m位置处，达45.1 cm。工况二、三、四由于采取了加固措施，变截面一侧各点的竖向位移均有了不同程度的减小，其中工况四的位移控制效果最好，竖向位移最大值减小至31.5 cm，位置同样位于上台阶左拱脚，左右两侧拱脚的非对称变形显著较小，且围岩竖向位移沿隧道纵向分布较为均匀。

由图10和表4可知，工况一中围岩最大水平位移值出现在两侧中台阶拱脚，同一断面左侧拱脚的位移值明显大于右侧，最大值达29.3 cm，这种趋势随着断面远离变截面而逐渐减小；工况二的水平位移分布规律与工况一大致相似，但各点处位移值略有降低；采用工况三和工况四时，中台阶左拱脚处的水平位移明显减小，分别降低到21.8 cm和 20.2 cm，断面水平位移基本呈对称分布。

图10 围岩水平位移云图Fig.10 Horizontal displacement nephogram of rock mass

表3 最大竖向位移Table 3 Maximum vertical displacement

表4 最大水平位移

通过对围岩竖向和水平位移的对比可以看出，采用工况一方案时断面左右两侧呈现出明显的不对称变形，受变截面影响而导致断面左侧的围岩位移明显大于右侧，上台阶拱脚部位变形已经严重超过了设计预留变形量；采用工况二方案时对围岩变形有一定控制作用，但效果并不明显；工况四方案由于同时采用了纵向与环向预应力锚索，加固效果最为明显，有效控制了变截面一侧的围岩位移，断面变形基本呈对称分布，除上台阶左拱脚略微超过了开挖预留变形量外，其他各点均满足变形要求。在实际施工中可考虑增加锚索数量或适当增大预留变形量，以防止变形侵限。

5 加固方案的现场实施

隧道左线十四号紧急停车带在变截面处施工时出现了初期支护变形侵限和破坏的问题而不得不进行拆换拱处理，严重影响了施工安全和进度。右线施工滞后于左线，当隧道施工至右线十四号紧急停车带(K221+220)时，观察发现该处地质条件与左线较为类似，围岩主要为薄层状炭质千枚岩，岩层接近直立，略微向临空面倾斜，走向与隧道轴线呈大角度相交，岩体松散破碎，局部存在一定的渗流地下水，围岩整体稳定性较差(图11)。

图11 右线掌子面围岩Fig.11 Rock mass of right line tunnel face

考虑到左右线两处紧急停车带位置较为接近，围岩情况基本类似，若右线紧急停车带变截面处(桩号K221+195)仅采用原支护方案进行施工则会有较大的施工风险，在隧道右线十四号紧急停车带变截面段施工时采用了预应力锚索加固的方案。根据不同加固方案的数值模拟研究，现场选用了在原设计施工方案基础上，同时增设“纵向锚索+环向锚索”的加固方案，锚索数量与布置位置如图8(c)所示，紧急停车带端头打设纵向预应力锚索6根，变截面后的正常断面在上、中台阶拱脚的每一榀钢架间隔分别打设1根和2根，图12为预应力锚索的现场施工图。施工工法采用三台阶预留核心土法，为防止初期支护变形侵限将预留变形量调整为40 cm。在每循环喷射混凝土施作完成并达到一定强度后在混凝土表面打设锚索，锚索施工采用气动式锚杆钻机钻孔，Z2360树脂锚固剂进行锚固，随后用锚具固定锚垫板，相邻锚索之间采用高强W型钢带连接，并采用专用的张拉机具对锚索施加预应力。

图12 预应力锚索现场施工图Fig.12 Construction conditions of prestressed anchor cable

从支护作用原理上分析，借助初期支护和钢带，在初期支护表面施作的环向预应力锚索可将施加的预应力充分扩散至围岩中，对围岩产生主动挤压作用，同时能够提高初期支护及围岩的整体稳定性和承载能力，进而与隧道衬砌结构共同抵抗围岩荷载。此外，环向预应力锚索还能起到约束初期支护拱脚位移的作用，避免上、中台阶和中、下台阶钢架连接板处等薄弱部位的变形侵限。而紧急停车带端头设置的纵向预应力锚索可加强对端头围岩的纵向约束，提高端头围岩的稳定性。显然，通过采用纵向+环向布置的预应力锚索加固方案，则可使紧急停车带端头附近围岩整体处于三向应力状态，可以有效抑制围岩松弛变形，进而提高紧急停车带端头变截面段围岩的整体稳定性。

为研究加固方案对隧道变形的实际控制效果，在隧道变截面段选取典型断面(断面K221+190)，采用全站仪对隧道各监测点沉降和水平收敛进行现场测量。图13和图14分别为断面K221+190各测点累计沉降和累计最大水平相对收敛的时态曲线。

图13 累计沉降变形时态曲线Fig.13 Time curves of cumulative settlement deformation

图14 累计最大水平相对收敛变形时态曲线Fig.14 Time curves of cumulative maximum horizontal relative convergence deformation

由图13和图14可知，各测点的累计沉降曲线变形规律大致相同，上中台阶开挖后围岩变形进行快速发展阶段，这一阶段产生的变形占总变形量约66.9%～79.2%，下台阶支护施作完成后围岩变形速率明显减小，沉降变形进入缓慢发展阶段并逐渐趋于稳定，上台阶左拱脚的沉降变形最大，累计变形量为28.4 cm，大于拱顶的27.2 cm和上台阶右拱脚的23.8 cm，隧道左右两侧不可避免地存在一定的差异沉降，但并不明显；隧道水平相对收敛在中台阶施作后6 d内变形快速增长，到下台阶初期支护落底完成后变形速率有所减缓但仍以约1.3 cm/d的速率持续增长，到仰拱施作完成后变形逐渐趋于稳定，累计最大水平收敛变形量为33.8 cm，数值模拟所得到的水平收敛为35.5 cm，与现场实测值较为接近。

图15为采用原设计方案和加固方案的现场施工效果对比，通过采取上述纵向+环向预应力锚索的加固方案，右线紧急停车带变截面段的围岩变形得到了有效控制，初期支护结构整体完好，各测点的围岩变形均未超过预留变形量，满足了隧道的变形控制要求，保证了二次衬砌的施作厚度满足设计要求，初期支护变形侵限、破坏问题得到了有效解决。