软岩隧道水平收敛异常段支护结构优化研究

黄尚锦 叶欣欣 沙龙

中交第一公路勘察设计研究院有限公司 昭通市交通建设工程质量安全监督局

摘 要：九绵高速青龙桥隧道进口段围岩主要为炭质板岩夹薄层灰岩，岩体极破碎。基于CD法施工存在工效较低的问题，施工单位提出三台阶法施工以加快施工进度。隧道施工过程中，中台阶开挖完成后，部分区段初期支护水平方向收敛异常，局部有拱顶掉块现象，对隧道结构安全和洞内施工安全影响极大。针对现场情况，采用数值模拟方式分析施工存在的问题，同时对增设临时仰拱、加强缩脚锚杆等措施进行模拟，分析支护结构变形规律。通过现场实测数据验证，建议采用三台阶法施工时增设临时仰拱和加强缩脚锚杆。研究成果为该项目后续区段施工提供了有效解决方案，可为类似项目提供参考和借鉴。

关键词：极软岩隧道;水平收敛;临时仰拱;施工安全;

随着我国国民经济快速发展，基础建设日新月异，高速公路隧道建设里程在2019年底就已达1.9×104 km/19 000座[1]。由于隧道工程地质环境有复杂性及不确定性，且受施工技术水平、质量控制等方面的影响，隧道工程建设过程中会遇到各种工程问题[2]。因为不良地质问题所引发的隧道支护结构水平方向收敛过大，导致初支开裂、鼓包、掉块的现象屡屡可见，轻则引起工期延误、造价提高，重则影响隧道的结构安全和施工安全。

1 工程概况

九绵高速是国家高速公路 甘肃平凉至四川绵阳高速公路(G8513)在四川境内的部分。线路起于阿坝州九寨沟县与陇南市文县交界处的青龙桥，止于绵阳市游仙区张家坪，与京昆高速相交，与绵遂高速对接，设计总里程为244 km, 按照四车道高速公路技术标准建设。九绵高速因连接西部科技城绵阳与世界自然遗产九寨沟而广受关注。因沿线地质条件复杂、生态环境敏感，隧道建设难度极大。

青龙桥隧道位于甘肃省陇南市文县石鸡坝乡遍地坪村与四川省阿坝州九寨沟县郭元乡青龙村之间，穿越山脊。右线长1 883 m, 进洞口设计标高为1 167.11 m, 出洞口设计标高为1 208.84 m。右线隧道最大埋深约544.46 m。左线长1 930 m, 进洞口设计标高为1 166.73 m, 出洞口设计标高为1 207.66 m。左线隧道最大埋深约551.12m。隧道整体位于白水江右侧，县道X484(甘肃境内)、省道S301(四川境内)位于隧址区白水江左右侧150～1 200 m处。

1.1地层岩性与地质构造

工程区在大地构造位置上，隶属于扬子地台与松潘甘孜地槽褶皱系、秦岭地槽褶皱系的交汇部位，地质构造复杂。地块内褶皱较发育，规模较大、延伸数十至近百公里，且分布有多条断层，断裂延伸长度为10～50 km。隧址区主要受褶皱和断裂影响，围岩岩质较软，岩体较为破碎。

根据区域地质资料、工程地质测绘和勘察成果资料，场地出露地层主要有第四系全新统冲洪积层 (Q4al+pl)卵石，泥石流堆积层(Q4sef)碎石，坡积层(Q4dl)角砾、碎石、块石；第四系上更新统冲洪积层(Q3al+pl)卵石。下伏基岩围岩为二叠系下统第三岩性段(P2-31)炭质板岩、板岩夹薄层状石灰岩。青龙桥隧道进口段由二叠系下统第三岩性段强风化炭质板岩、强风化板岩夹薄层状石灰岩组成。板岩属于较软岩，板状结构，薄层状构造，岩体节理发育，完整性差，失水后易干裂。

1.2水文地质

隧址区内地表水主要为山涧沟谷中因大气降水汇集而成的暂时性流水及小径流常流水，并沿山麓斜坡汇入山下沟谷中，受季节调控较为明显。地下水以河谷阶地孔隙水为主，除受大气降水补给外，也与河水呈互补关系，分布面积相对较大，具渗透性强、富水性好、沿河(沟)谷呈条带状分布的特点。岩裂隙水主要为风化裂隙水，分布于线路两侧山地的基岩中，富水性受气候、地形地貌、节理裂隙发育程度等因素控制。

2 隧道设计和施工基本情况

2.1隧道设计概况

青龙桥隧道ZK1+055～ZK1+030进口采用的衬砌类型为A5q, 支护参数如下：?22药卷锚杆长度为300 cm, ?8钢筋 尺寸为20 cm×20 cm; I18型钢钢架为60 cm/榀；C25喷射混凝土厚24 cm; 预留变形量为12 cm; C30钢筋混凝土厚50 cm; 钢架临时拱脚采用?22药卷锚杆作为锁脚锚杆，每组2根，共6组，长度为3 m, 见图1。

图1 隧道衬砌支护设计方案

2.2隧道施工现场情况

青龙桥隧道施工时，原设计施工工序为CD法施工。隧道现场施工时，掌子面工作空间较小，大型施工设备使用受限，隧道的开挖以及支护主要依靠人工完成，因此施工速度较慢，工效较低。同时由于围岩较软，岩体破碎，隧道施工工序衔接较多，拆除临时支护及受力转换所产生的施工风险较高。因此结合现场基本情况，施工单位提出将工法优化为三台阶开挖法。一方面可以采用大型施工装备，进行开挖和运渣；另一方面，三台阶法施工可以通过灵活控制台阶宽度，起到有效控制变形的效果。经过多方论证后，隧道施工现场对工法进行调整优化，设计单位提出加强衬砌参数的要求，采用注浆导管进行加固，同步加强监测和做好防护预案。

隧道采用三台阶法施工后，在局部地段，效果较好，施工速度较快，初期支护及时施做，可以有效控制围岩变形。部分区段施工时，受雨季降水影响，围岩强度较低，中台阶开挖完成以后，初期支护变形较大，初支产生裂缝，如图2所示。

图2 隧道初期支护裂缝照片

3 施工过程模拟

为了进一步分析隧道施工中存在的问题，有效控制水平方向收敛位移，采用Midas GTS NX 地层分析法建立二维计算模型，模拟计算该段隧道开挖情况。隧道模型及其附近围岩是受开挖影响的主要区域，在隧道及支护范围内逐渐向外侧过渡。内部结构以及附近围岩的 格划分较细密，边界土体的 格划分稍大。主要目的在于既可减少模型运算时间，又能突出主要研究对象。

3.1初始施工过程模拟

围岩采用摩尔-库伦模型计算，隧道二次衬砌采用实体单元模拟。系统锚杆采用植入式桁架进行模拟。隧道施工过程依次为上台阶开挖，施做上断面初期支护；中台阶开挖，施做中台阶两侧初期支护；隧道开挖下台阶以及仰拱，施工下断面初期支护；随后施工二次衬砌及仰拱。计算结果如图3～图7所示。

图3 隧道上台阶开挖水平收敛云图

图4 隧道中台阶开挖水平收敛云图

图5 隧道下台阶开挖水平收敛云图

图6 隧道二衬施做完毕后水平收敛云图

图7 中台阶开挖后初期支护水平收敛云图

根据隧道三台阶施工过程水平收敛的相关结果云图，可以看出隧道上台阶及中台阶开挖完成后，水平收敛较大；中台阶开挖后，初期支护水平收敛约为29.4 mm; 下台阶开挖以后，水平收敛为43.1 mm; 随后二次衬砌施做完成，围岩变化基本稳定，水平收敛最大值为42.8 mm。

3.2辅助施工措施

3.2.1加强缩脚锚杆

结合隧道开挖后洞室形状和初支支护施做范围分析，考虑到上中台阶初支施做完成后，无法形成有效承载拱，结构受力复杂，尤其是在初期支护拱脚部位，由于应力集中，缺乏有效的约束，因此初期支护未形成封闭有效的承载结构，故而可能存在初期支护水平收敛异常的问题[3,4,5]。基于此情况，采用加强锁脚锚杆措施，便于控制初支拱脚位移。对软件中模型进行调整，计算得到隧道施工过程中水平收敛情况。中台阶开挖水平收敛图如图8、图9所示。

图8 加强锁脚锚杆后中台阶开挖水平收敛云图

基于软件模拟结果，隧道施工采用加强锁脚锚杆措施后，中台阶开挖后围岩水平收敛值由 29.4 mm 缩减为24.8 mm, 可以看出加强锁脚锚杆对隧道开挖导致初期支护水平收敛情况略有改善。

3.2.2设置临时支撑

通过对施工过程进行模拟，对开挖和支护相互作用过程进行分析，隧道支护的机理如下：隧道开挖对围岩稳定状态产生扰动，围岩需要重新达到应力平衡状态，因此通过在开挖边界施工支护结构，约束围岩变形并形成新的应力平衡[6,7,8,9,10]。为了控制初支水平收敛，因此采用设置临时支撑加固方案。三台阶法施工设临时支撑的主要施工工序为上部开挖及支护。本区段钢拱架间距为0.6 m, 因此选择两榀钢架作为一个循环。随后施工上台阶初期支护，即由钢筋 、喷混凝土、钢拱架、锁脚锚杆、系统锚杆等共同组成初期支护。然后在拱脚位置施工临时横向支撑。选用I16工字钢作为临时支撑，与初期支护钢架连接，从而实现初支闭合成环。

图9 加强锁脚后中台阶开挖初支水平收敛云图

设置横向临时支撑后，隧道开挖支护顺序不变。中台阶开挖后，补充施做横向支撑，在二衬施工前拆除。软件模拟计算得到隧道施工过程中水平收敛情况如图10、图11所示。

图10 施做临时支撑后中台阶开挖水平收敛云图

图11 施工临时支撑后中台阶开挖初支水平收敛云图

隧道上中台阶施工时，因为初期支护处于未封闭状态，因此极易引起应力集中从而导致围岩变形过大。设置临时支撑可以实现初支临时封闭，待下台阶开挖初支闭合以后拆除临时支撑施做二衬。基于软件模拟结果，隧道施工采用增设临时横撑措施，初支水平收敛值由29.4 mm缩减为19.0 mm, 可以看出初支水平收敛情况大为改善。

3.3辅助施工措施分析

结合青龙桥隧道施工的实际情况，采用三台阶法施工时，在软岩条件下，极易发生围岩变形过大的情况。针对三台阶开挖及加强锁脚锚杆、增设临时支撑措施进行模拟分析，进而分析临时加固措施对水平收敛异常的改善效果。依据数值模拟结果分析可知，加强锁脚锚杆的方法可以减小隧道施工导致的围岩变形和隧道初支收敛问题。相比而言，增设临时横撑对减小开挖洞室的水平收敛变形更加有效，故在隧道断面较大或者水平收敛较大时，采用临时横撑对控制水平收敛、保证洞室稳定具有更好的效果。

4 结语

随着隧道机械化施工程度越来越高，隧道开挖和支护方式也面临着巨大的变化。随之而来，对隧道设计也提出越来越多的挑战。在软岩条件下，从安全角度考虑，自然是应该采用多步序、小开挖断面、支护结构能够紧跟并且及时闭合的CD法以及CRD法施工。但是多步、序开挖、小作业空间使得一些大型的机械设备使用受限，因此从提高隧道施工速度和工效角度来说，优化隧道施工步序、满足大作业面施工的实际需求日益突出。当然，这也衍生出隧道开挖和支护存在衔接不畅的问题[11,12]。

参考文献

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