千枚岩软岩隧道支护受力分析及控制技术

2023-06-29王超陈孔福赵何霖

四川建筑 2023年2期

王超陈孔福赵何霖

隧道软岩大变形及其控制问题一直备受关注，依托九（寨沟）绵（阳）高速水牛家隧道，针对千枚岩隧道开挖的大变形问题，选取隧道典型断面监测进行现场监测。利用监测数据绘制对应的变化曲线，分析了锚杆轴力、围岩压力与钢拱架受力随开挖过程的变形规律，为支护参数的调整和变形控制措施的提出提供依据。监测结果表明：隧道开挖后，各个位置锚杆轴力前期增长较快，开挖25天后逐渐趋于稳定，最大值为12.4 kN；围岩压力与钢架受力均出现先突增，再回弹，最后趋于平缓的规律。围岩压力最大值为0.78 MPa，稳定时间65天左右；钢架轴力最大值为26.8 kN，稳定时间60天左右；依据现场监测结果，采取了优化断面形状、使用长短锚杆、加大预留变形量以及增加初支强度等措施控制大变形。研究成果可为类似软岩隧道施工控制提供重要借鉴。

隧道工程；软岩大变形；现场试验；受力特征；变形控制

U455.7 A

［定稿日期］2022-02-22

［作者简介］王超（1984—），本科，高级工程师，主要从事隧道工程施工管理工作；赵何霖（2000—），男，硕士，研究方向为隧道及地下工程设计理论。

［通信作者］陈孔福（1997—），男，硕士，研究方向为隧道与地下工程。

随着中国西部地区隧道工程建设越来越多，而西部地区以地形地质条件复杂多变，不可避免地会出现软岩大变形问题，如成兰铁路茂县隧道、木寨岭公路隧道和乌鞘岭隧道等［1-5］，特别是隧道穿越炭质板岩、炭质千枚岩等地层时，软岩大变形问题突出，造成初期支护严重变形、混凝土开裂、钢架扭曲等，给隧道工程的施工建设安全与进度带来很大威胁。

目前，许多专家学者已对软岩隧道大变形进行了现场受力监测与分析。张帅军等［6］为了分析水平砂泥岩隧道锚杆支护效果，以段家坪隧道为例，通过数值模拟和现场监测，对隧道拱顶沉降、锚杆轴力和初期支护与围岩接触压力进行研究。曹明星等［7］分析了软岩隧道围岩、钢拱架受力特征，以及施作临时仰拱对隧道围岩压力等的影响。冯星［8］通过监测隧道变形和受力，分析揭示了围岩和支护结构相互作用的机理，探讨了有效控制隧道大变形的措施及施作二次衬砌的最佳时间范围。丁远振等［9］分析了穿越断层隧道结构破坏产生的原因，并进行了现场受力监测，得出了高地应力软岩大变形支护应力与变形特征，提出了控制大变形的技术措施。王英帆等［10］针对隧道大变形问题，在现场监测了隧道围岩变形、钢拱架应力、围岩压力等，探讨不同施工阶段围岩的变形规律和受力特点，并通过数值模拟对不同钢架间距的围岩变形控制效果进行对比分析。赵晨阳等［11］针对隧道存在的大变形、混凝土剥落、钢架扭曲等问题，通过分析病害形成原因，提出应对措施，并通过现场试验验证措施的可行性。

软岩隧道结构受力监测与变形规律等方面已有诸多研究，但各个隧道的地质状况、开挖方法、支护方案等存在差异，因此隧道大变形问题仍需根据工程具体问题与情况进一步研究。本文依托九绵高速水牛家隧道进行现场监测，分析了开挖施工时变化规律，并提出了隧道大变形控制措施，为类似隧道工程施工提供经验。

1 工程概况

1.1 隧道概况

九绵高速水牛家隧道右线长3 936 m，其中Ⅳ级围岩2 148 m，Ⅴ级围岩1 788 m。该段隧道穿越山地地区，地形起伏较大，地层岩性主要为板岩、炭质板岩和千枚岩，以及少部分断层破碎体。其中千枚岩为青灰色、中风化、裂隙发育、软岩、岩体较破碎，与板岩互层或夹层。隧道区地下水水量贫乏，主要为基岩裂隙水和松散岩类孔隙水，水文地质条件较简单。雨季施工有点滴—线流状出水。

Ⅴ级围岩采用三台阶预留核心土法开挖施工，人工开挖或弱爆破开挖，Ⅳ级围岩采用二台阶预留核心土法施工。隧道净宽10.98 m，净高7.15 m，水牛家隧道设计横断面如图 1所示，隧道采初期支护厚为26 cm的喷锚支护，二次支护厚为60 cm的C30钢筋混凝土，锚杆长为3 m。

1.2 隧道结构大变形情况

隧道在建设期间产生了较严重的挤压大变形，表现为钢架扭曲、混凝土开裂及初期支护侵限，典型区段隧道的情况如图2所示。隧道试验段围岩变形较大，最大拱顶沉降为 80 mm，单次拱顶沉降速率最大值为15.8 mm/d，最大水平收敛量180 mm，单次收敛速率最大值为 40.2 mm/d。

2 软岩大变形隧道支护受力监测

水牛家隧道施工过程中大变形比较严重，在左、右洞ZK73+622、ZK73+636、YK73+973、YK73+980典型断面对洞内围岩压力、钢拱架内力、锚杆轴力进行监测与分析。

锚杆轴力采用振弦式智能錨杆轴力计进行监测，以便确定锚杆工作和内部受力状态，分析锚杆受力规律，判断围岩塑性区发展情况，每个断面埋设4根长6 m的量测锚杆，每杆布置4个锚杆轴力计。

在隧道围岩和初期支护之间埋设振弦式智能土压计进行量测，目的是判断围岩的稳定性及围岩的应力分布状态，判别断面隧道施工方法的合理性。每个隧道断面布设量5个测点，每个测点布设1个土压计。

钢拱架内外侧安装振弦式智能钢筋测力计量测初期支护钢拱内力和外力，分析其受力变化特征，判断初期支护受力是否合理。每个隧道断面布设了5个测点，每个测点布设1对钢筋测力计。隧道受力监测点总体布置如图 3所示，共有A、B、D、E 4个监测部位，分别对应于左拱脚、左拱肩、右拱肩、右拱脚，每个监测部位由洞内向外分别有编号1～4的4锚杆监测点。

3 隧道支护受力特征分析

限于篇幅，根据施工现场监测情况，对YK73+973断面进行支护受力特征分析。

3.1 隧道锚杆轴力分析

通过对锚杆轴力监测分析，得到YK73+973断面左拱肩与左拱脚锚杆轴力时程曲线分别见图4与图5，正值为受拉状态，负值为受压状态。

从图4可以看出，隧道左拱肩锚杆B2-B4共3个锚杆轴力计均受拉，说明此锚杆发挥了限制围岩变形的作用，轴力增加速率逐渐变缓，在第8天达到最大锚杆轴力，大小为9.0 kN。20天后趋于稳定，稳定后B4锚杆轴力最大，为8.3 kN。锚杆B1锚杆轴力计所受拉力先增加，后减小，最终变为受压，25天后趋于稳定。产生此变化趋势的原因是一开始受开挖影响，洞周围岩有较大变形，锚杆限制其继续变形从而受拉，后来初支发挥作用，支撑锚杆，使其受压。

从图5可以看出，隧道左拱脚锚杆A1锚杆轴力计先受拉，后受压，曲线变化趋势为所受拉力先迅速增加，第7天达到最大轴力12.4 kN，再陡降，后缓慢减小，最终变为受压，20天后基本稳定在-1 kN，隧道初支结构稳定受力。锚杆轴力产生此变化趋势的原因是一开始受开挖扰动，洞周围岩有较大变形，锚杆限制其继续变形从而受拉，后来初支发挥作用，限制围岩变形，支撑锚杆，使其受压。锚杆A2-A4共3个锚杆轴力计均受拉，变化趋势为先增加，增加速率不断降低，15天后趋于稳定，稳定后A3有最大锚杆轴力4.5 kN。

隧道YK73+973断面左、右拱肩与拱脚锚杆轴力沿洞周分布，如图6所示。

由图6可知，围岩锚杆浅部与深部监测点均有可能出现轴力最大值，左拱脚与左拱肩轴力最大值出现在靠近洞内的A、B位置，分别为12.4 kN、8.9 kN，右拱肩与右拱脚轴力最大值出现在D、E位置，分别为-32.1 kN、58.4 kN。右拱肩与右拱脚浅部监测点出现受压状态可能是因为锚杆随着围岩向隧道内变形而受到钢拱架、钢筋网与喷射混凝土的共同支撑作用。同时，隧道左、右侧数据出现明显的不对称性。

3.2 隧道围岩压力分析

水牛家隧道各监测部位围岩与初期支护接触压力变化曲线结果如图 7所示，正值为受压状态。

由图7可知，拱顶与左、右拱肩围岩压力整体趋势呈急剧上升—陡降—上升，隧道上台阶开挖后围岩压力迅速上升，中台阶开挖并施作初支，围岩压力仍在上升，在两侧拱肩位置应力集中最为明显，左拱肩围岩压力最大值达到0.78 MPa。下台阶开挖后，拱顶与左、右拱肩应力陡降，仰拱施作后围岩压力又缓慢上升；左右拱脚安装仪器后左右拱脚围岩压力逐渐增加，25天后左拱脚围岩压力达到0.14 MPa，右拱脚围岩压力为4.70 kPa。二次衬砌施作后，各监测部位围岩压力稍有增加，在第65天，左拱肩、拱顶、右拱肩、左拱脚、右拱脚围岩压力逐步趋于稳定，均处于受压状态，左拱肩有最大围岩压力0.69 MPa，右拱脚有最小围岩压力0.076 MPa。

图8为YK73+973断面各监测部位围岩与初期支护最大接触压力分布图，围岩压力最大值位于左拱肩，大小为0.78 MPa，最小值为右拱脚处的0.09 MPa，可知相对于拱顶与拱脚，左、右拱肩承受较大的围岩压力，总体上围岩压力上部大下部小。围岩压力大小是左拱肩>右拱肩>拱顶>左拱脚>右拱脚，左、右侧分布出现明显的不对称现象。

3.3 钢拱架内外侧力分析

水牛家隧道YK73+973断面钢拱架内外侧受力如图 9和图 10所示，正值代表受拉状态，负值代表受压状态。

由图9看出，隧道上台阶与中台阶开挖后，钢拱架拱顶、左、右拱肩受力前期迅速增大，峰值达到-22.79 kN，下台阶开挖期间，钢拱架受力突然减小，待初支闭合成环和仰拱施作后，受力又开始增加，增长速率逐渐减慢，施作二衬后逐渐达到稳定，稳定后峰值-26 kN左右。拱顶与右拱肩始终处于受压状态，右拱肩一段时间处于受拉，最终受压。左拱脚一开始受拉，一段时间后，左拱脚受力趋于0，主要因为钢拱架与测力计与焊接不够牢固，在受力后焊缝开裂，造成测力计测不到更大的力。右拱脚始终受拉，说明此处钢架外侧受拉，变化趋势先迅速增加，最高达到15.24 kN，然后开始减小，最后逐渐稳定在13 kN左右。稳定后可以看出，外侧钢拱架受力大小是拱顶>右拱肩>左拱肩>右拱脚。

由图10看出，隧道上台阶开挖后，钢拱架拱顶及左、右拱肩受力前期也是迅速增大，峰值达到-21.86 kN，下台阶开挖期间，钢拱架受力不断减小，待初支施作完成并闭合成环后，受力又开始增加，增加速率逐渐减慢，施作二衬后基本达到稳定，峰值在-26 kN左右。左拱脚变在下台阶开挖后先迅速增加到15.2 kN，后逐渐减小，由受拉变为受压，最终稳定在17 kN左右。内侧右拱脚变化规律与外侧类似，始终受拉，先迅速增加达到12.60 kN，后在仰拱施作后迅速减小，二衬施作后逐渐稳定在8 kN左右。稳定后可以看出，内侧钢拱架受力大小是拱顶>左拱肩>右拱肩>右拱脚>左拱脚。

4 隧道施工大变形控制技术

针对水牛家隧道出现的轻微变形与中等大变形，现结合大变形特征、原因及受力规律，采用有针对性的改进措施。

采取优化断面形状的措施以增强围岩的自支承作用，为了释放围岩中的弹性变形现加大预留变形量，确保初支结构不会发生失效破坏而增加初支护强度，增加锚杆长度的目的是控制拱顶沉降与水平收敛。具体改进措施详见表１。

通过以上措施的采用，逐步控制住了围岩的大变形，轻微与中等大变形隧道设计横断面如图 11与图 12所示。

5 结论

从对九绵高速水牛家隧道断面展开锚杆轴力、围岩接触应力、钢拱架受力监测分析，得出几点结论：

（1）隧道各个部位锚杆轴力前期会较快增长，个别会出现轴力下降的情况，后期逐渐稳定，最长的稳定时间为25天。隧道左、右侧对称位置锚杆表现为明显的不对称性，是由于千枚岩具有一定倾角造成的。

（2）上台阶开挖后，围岩与初期支护进行重分布導致围岩应力急剧增大；下台阶的开挖减少了隧道内的下部支撑，应力短期内减小；二次衬砌施作后，提供了强有力的支护作用，围岩压力有所增加。开挖过程中，围岩压力最大值为0.78 MPa，趋于稳定时间约为65天。

（3）钢拱架内外侧变化趋势，同围岩压力类似，钢架受力也存在着一个先突变，再回弹，最后趋于平缓的时间分布特点。内外侧钢架力最大值分别为26.8 kN、26.2 kN，均处于受压状态，稳定时间为60天左右。

（4）施工中要尽量缩短悬空时间，及时施作支护，及早封闭，保护好支护系统。采用优化断面形状、加长锚杆、加大预留变形量以及增加初支强度等方式，有效控制住围岩的大变形。

参考文献

［1］侯国强. 成兰铁路茂县隧道大变形特征及施工技术［J］. 隧道建设， 2019，39（5）：868-875.