单薄破碎软岩隧洞喷锚支护设计研究

李 涛

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

1 隧洞地质概况

隧洞(隧道与巷道)喷锚支护设计主要有工程类比、理论计算、监控量测及其收敛变形数值分析相结合等3种基本方法。工程类比法应用相对较为广泛，是在围岩分类基础上的经验法，与工程实践存在较大关联；理论计算法受复杂多变的围岩地质状况影响大，岩体模型与其物理力学参数合理选择难度大，计算准确反映施工方式与支护时机等因素亦难，通常仅为参考；现场监控量测及其收敛数值分析相结合法主要是对围岩和支护体系的稳定性分析，并非设计的单一根据。为此，结合单薄破碎、强度低、易风化、遇水易崩解软化的泥质云母片岩隧洞喷锚支护监测数值分析设计方法的工程实践，针对性解决不具显著塑性流变特性的单薄破碎软岩隧洞监控量测及其收敛数值分析、信息反馈，以及围岩和支护体系稳定性判别等问题，并对其进行喷锚支护设计研究。

隧洞主洞埋深20.0～60.0m，属浅埋隧洞，1条压扭性大断层穿越洞线，工程区属贫水区，岩层褶皱断裂及节理裂隙发育，岩石破碎，平拱直墙型断面开挖毛洞跨度9.0m，总高6.7m，直墙高4.4m，顶拱高2.3m。采用平拱直墙型断面施工辅助平支洞为试验洞，毛洞跨度1.8m，高1.9m，拱墙喷锚支护，底板铺垫干硬性混凝土，洞身不进行二次衬砌。试验洞穿越前寒武系地层深变质岩，岩性主要为单薄泥质云母片岩，单层层厚一般为0.5～2.0cm，最薄0.15cm，围岩属IV类。经试验研究，岩石单轴饱和抗压强度为0.42MPa，抗拉强度0.03MPa，弹性模量0.53MPa，变形模量0.12MPa，泊松比0.33，抗剪强度内摩擦角31.2°，凝聚力0.14MPa，岩体波速均值3890.0m/s，抗剪强度τ与正应力σ关系曲线如图1所示。

图1 岩体τ-σ曲线

主洞及试验洞围岩工程地质主要特性为单薄破碎软岩，埋深浅，强度低，无地下水；易风化为粉状，风化深近10.0m，层间充填物及节理裂隙切割体微少；岩层倾角与洞轴线交角较大；遇水易崩解软化；岩体构造应力已释放；岩层层间挤压紧密，开挖临空后层间懈弛，震动后松弛加剧。

2 监控量测及其收敛数值分析结合法

监控量测及其收敛变形数值分析结合法是将定性与定量、类比与分析、现场监控量测相结合的隧洞喷锚支护设计方法，是以围岩分类为基础，监测及其收敛数值分析为主体，并作为信息反馈的主要依据，辅助理论计算，综合判别隧洞围岩及其支护体系稳定性的可靠方法。先行采用工程类比法设计，并根据隧洞围岩工程地质特性，按适宜的理论计算方法分析围岩及其支护体系稳定性，验证先期喷锚支护设计技术参数，然后在开挖施工过程中对围岩与支护体系进行监测及其收敛数值分析，按其成果及时调整先期喷锚支护设计参数和施工措施，以适应开挖不断揭示的围岩状况，以及围岩和支护体系稳定状态，并着重对岩性、岩体结构、节理裂隙、声波、地下水活动等进行详尽地质编录，及时对稳定状态作出评估。

2.1 理论计算及有限元分析研究

通过理论计算及有限元分析掌握试验洞围岩性状、验证喷锚支护先期设计参数，理论计算按围岩与支护共同作用理念，采用非线性有限元分析将围岩视为全向同性、均质接续弹塑性介质，仅考虑自重应力作用，隧洞断面简化为圆型，按半无限体中的圆孔洞平面应变问题建立计算模型。理论计算主要内容为无支护与支护后懈弛区、塑性区、弹塑性区的位移与应力，计算工况为初始应力场、开挖与支护3种状态。为验证先期设计安全性，有限元分析模型按半无限体中的直墙圆拱孔洞平面应变问题建立。计算深度取隧洞埋深42.5m(即毛洞跨度的4.72倍)，洞底下部及洞身外侧取90.0m(即毛洞跨度的10.0倍)，按半无限体离散为470个四边形单元及4个三角形单元，共507个节点，三角形单元按四边形单元处理。理论计算及有限元分析与实测对比研究成果见表1。计算分析研究表明，支护作用及效果显著，塑性区支护后位移大为降低，围岩稳定状态明显改善。

表1 理论计算及有限元分析与实测对比成果

2.2 监测断面及项目

隧洞围岩及支护体系监控量测断面布置于具代表性围岩及特殊地质洞段，避免开挖掌子面及洞口“空间约束效应”影响，间距一般大于1.5～2.0倍毛洞跨度。试验洞及主洞中布置3个监测断面和1个辅助观察断面，每断面分为2～3个测试断面，如图2所示。隧洞监测项目主要包括洞周收敛与位移、顶拱下沉，围岩内部与地层位移、洞顶地表沉降；围岩应力-应变；锚杆轴力与喷层应力；岩体声波，监测项目、方式、内容、频次等见表2。

图2 监测断面布置(单位：m)

表2 监测项目及内容与频次

2.3 监测成果分析及信息反馈研究

2.3.1监测成果分析

隧洞围岩及支护体系监控量测成果分析研究表明：

(1)围岩扰动区：开挖对洞顶地表基本无影响。

(2)“空间约束效应”影响范围及位移：开挖掌子面前方距监测断面近1倍毛洞跨度时围岩即受轻微扰动，掌子面距后方监测断面约1.5～2.0倍毛洞跨度时，掌子面的空间约束效应基本消除；开挖掌子面至监测断面时洞顶周边位移量约占总量的1/4，洞内位移量约占总量的50.0%～80.0%。

(3)围岩位移及应变变化规律：位移及应变经18～20d的快速增长后趋于平缓， 35～40d后基本稳定，后续开挖及支护施工对位移-时间曲线有较大影响，产生阶梯型突变形态。

(4)支护体系受力状况：锚杆轴力及喷层应变的变化规律与位移相似，但因支护体系的约束效应，应力仍持续上升且变位受限而滞后10～20d，支护体系具一定安全度。

(5)声波测试及围岩懈弛深度：实测围岩纵波波速均值为3890.0m/s，岩体完整性系数为0.67，结合围岩内部位移、径向应变及锚杆轴力等因素综合判别，围岩懈弛深度洞身顶拱部约1.62m、侧墙部约1.31m。

2.3.2信息反馈

隧洞围岩及支护体系监控量测成果分析研究表明，围岩位移及懈弛深度顶拱大于侧墙，坍塌主要发生于顶拱，顶拱为重点支护部位。洞壁位移不均且两侧不一致，最大位移发生于顶拱中部为5.0mm，其后为右侧拱脚4.5mm，侧墙最小且上大下小，如图3所示。因此，结合监测及其收敛数值分析研究成果，将侧墙先期支护设计调整为上部喷锚，下部取消锚杆仅喷混凝土，顶拱仍维持喷锚网支护，并向侧墙下延30.0cm。

图3 隧洞围岩位移量分布(单位：mm)

依据隧洞围岩懈弛深度研究成果，并结合拉拔试验及地质编录成果，对支护体系系统锚杆布置、杆体直径及长度相应适当调整，洞身顶拱由先期设计间排距1.0m×1.0m、Φ18长3.0m，调整为间距1.2m、排距1.25m、Φ18长2.8m与Φ16长2.2m梅花型间隔交替布置，侧墙同时调整为Φ16长1.8m，间排距同顶拱。

根据隧洞围岩及支护体系监控量测成果，先期喷锚支护一般需紧跟开挖掌子面，因毛洞具一定自稳性，先期支护可滞后掌子面2个施工循环实施。考虑先期支护后围岩位移速率不超过0.023mm/d，已基本趋于稳定，后期喷锚支护施作时机在先期支护40～50d后进行，距开挖掌子面大于2倍毛洞跨度。

3 围岩稳定及支护研究

3.1 岩体地质力学特性

隧洞围岩及支护体系监控量测成果分析研究表明，单薄破碎泥质云母片岩主要具弹塑性性状，且强度低，根据压力-变形曲线特性，岩体在较小压力下即产生塑性变形，5.5MPa压力时弹性变形仅占总变形的17.2%，无显著流变性状，如9#测试断面在垂直恒压5.0MPa时，22h的岩体相对位移量仅为0.07mm，如图4所示。围岩具层间无充填挤压紧密，且分布较均匀特性，围岩声波测试表明，水平与垂直层面纵波波速差值较小，岩体各向异性系数仅为6.2%，围岩可视为各向均质同性的接续弹塑性介质。根据试验洞9#测试断面岩体承压变形试验研究所得出的洞周地表沉降曲线如图5所示，围岩具较显著的压力变形局限性，可采用局部变形理论计算分析。

图4 9#测试断面时间-变形曲线

图5 9#测试断面地表沉降曲线

3.2 围岩变形破坏准则

隧洞围岩抗剪试验研究成果表明，岩体抗剪强度τ与剪切破坏面上正应力σ间的关系式如下：

τ2=a+bσ

(1)

关系式为二次抛物线型的包络线，如图6所示，线上各点C、φ值变化为坐标函数，为确定围岩破坏准则的一般解析式，可将式(1)改写为：

图6 二次抛物线型包络线

(2)

以2β表示包络线上M点法线对曲线坐标水平轴(正应力σ轴)的倾角，则建立如下方程组：

(3)

依据二次抛物线型包络线，以τ、σ、2β表示主应力σ1、σ3，则建立如下方程组：

(4)

将(2)(3)式代入(4)式，再消减σ可得下式：

(5)

式中，τ—岩体抗剪强度，MPa；σ—剪切破坏面上的正应力，MPa；R—围岩单轴抗压强度，MPa；A、B—待定系数，B=A0.5；K—岩体抗压及抗拉强度换算系数，取10.0～20.0。

当σ1、σ3、R已知时，可由(5)式求得系数A，代入(2)式即得岩体变形破坏准则的一般表达式。

3.3 支护设计原则

隧洞围岩及支护体系监控量测成果分析研究表明，围岩位移及懈弛深度顶拱大于侧墙，拱脚和墙脚等应力集中部位变形较大。平拱直墙型断面隧洞横向变形坍塌主要发生于顶拱，顶拱是支护的重点部位，顶拱与侧墙支护参数需区别对待，应力集中部位加强支护，断层破碎带洞段或局部失稳部位，应局部强支护。

3.4 支护时机与空间效应利用

充分发挥围岩自承能力并力求岩体不产生破坏性懈弛，是“新奥法”喷锚支护原理的基本理念，既尽其所能维持围岩原始强度，又控制适度变形。喷锚支护施作分期、时机及其参数主要根据围岩性状与变形特性确定，围岩及支护体系监控量测成果分析研究表明，单薄破碎泥质云母片岩喷锚支护应分两期实施，先期支护保证围岩稳定，后期支护主要为提升安全度。顶拱喷网先期支护有效拟制围岩大变形，控制适度变形保持整体性，充分发挥围岩自承能力，减轻作用于支护体系上的变形地压，限制懈弛地压，为开挖及后期支护施工安全提供时间和空间。试验洞支护实践表明，先期支护喷混凝土厚50.0～80.0mm安全有效。

当喷混凝土支护不能确保围岩稳定时，需严控围岩变形实施先期支护，围岩及支护体系监控量测成果分析研究表明，对于单薄破碎泥质云母片岩隧洞，先期支护体系采用锚杆具合理性，先期喷混凝土支护后安设锚杆，既发挥锚杆作用，又可利用“空间约束效应”减轻围岩扰动，洞身顶拱增设钢筋网支护是必要的。

围岩变形压力与支护刚度及施作时机等多因素相关联，喷层不宜过厚，一般不大于15.0cm，适当增长加密锚杆是增强支护体系的主要措施。当岩体含水率高导致围岩变形量大，且具显著流变性时，喷锚支护按“先柔后刚”原则设计，及早实施衬砌并封底。隧洞开挖围岩临空并受掌子面持续前推影响，其性状随时间延续而改变，特别是应力重分布期变化尤为显著。因此，隧洞施工过程中不同时段施作支护效果存在差异，需根据开挖揭示的围岩动态变化，适宜时机实施支护方可取得最优支护效果。

总体研究分析，隧洞支护应遵循“先期及时，后期适时”原则，适时的支护时机确定主要以施作洞段距开挖掌子面距离，以及施作时间与该洞段开挖贯通时间的差值为依据，两者需同时兼顾。当围岩稳定时，先期支护可适当滞后，但需控制不超过开挖贯通时间及洞长的1/3(即小于等于t0/3与小于等于L0/3)，如图7所示。围岩及支护体系监控量测成果分析研究表明，单薄破碎泥质云母片岩隧洞系统锚杆若作为先期支护体系，需在先期喷混凝土达设计强度约25.0%～35.0%(约为1d)时安设；若作为终期支护体系，不应滞后开挖贯通时间及洞长(即小于等于t0与小于等于L0)安设。后期喷混凝土支护一般应在位移变形趋于稳定(即时间及洞长至t1与L1)后实施，利于喷层防裂及防水。

图7 隧洞开挖后围岩位移μ-时间t/洞长L关系曲线

围岩及支护体系监控量测成果分析研究表明，对于单薄破碎泥质云母片岩隧洞，合理利用开挖掌子面“空间约束效应”，并减轻围岩扰动，是达成适时及有效支护的重要措施。隧洞开挖采用光面爆破减弱围岩扰动，“台阶法”开挖上下台阶洞长差值不大于1/4～1/5“空间约束效应”影响范围(一般不小于5.0m)，以利用“空间约束效应”减轻下台阶开挖对围岩扰动，先期及后期支护系统锚杆布设不应超越“空间约束效应”影响范围。

3.5 围岩稳定性判别方法及标准

首先依据位移-时间曲线形态定性判别隧洞围岩稳定性，然后采用位移速率定量判别，均速显示围岩趋于失稳，加速显示即将失稳，减速显示趋于稳定，零速显示稳定。排除施工因素，若位移-时间关系曲线产生弯折点，以及位移速率均值超允许位移时，围岩处于不稳定状态。围岩及支护体系监控量测成果分析研究表明，对于单薄破碎泥质云母片岩，稳定性按允许位移速率50d内均值不高于0.02mm/d，允许总位移量不高于10.0mm的标准判别，若采用收敛位移判别，则按允许位移加倍标准。

3.6 岩层倾角及走向对围岩稳定性影响

单薄层状岩体岩层倾角及走向与洞轴线的交角对围岩稳定性影响显著，影响程度见表3。试验洞围岩岩层倾角不小于45°，岩层走向与洞轴线交角一般约为70°，倾角及交角均较大，围岩稳定性良好。围岩褶皱及裂隙等构造发育部位产生小规模坍塌，岩层倾角较平缓，且走向与洞轴线交角为10°～25°时发生塌方，隧洞勘察设计需注重合理选择洞轴线。

表3 围岩结构面与洞轴夹角对稳定性影响程度

3.7 岩体完整性指标

围岩及支护体系监控量测成果分析研究表明，单薄层状岩体完整性指标应采用相对完整性指标，即如下表达式：

(6)

式中，Rv—岩体相对完整性指标；Vmp—岩体纵波波速均值，m/s；Vmpmax—岩体纵波波速大值的均值，m/s。

Vmp反映岩体结构面对波速的减弱作用，体现完整岩体波速、岩体结构面作用及综合波速，而Vmpmax主要反映完整及受轻微构造影响的混合较完整岩体波速。

4 结论

(1)隧洞(隧道与巷道)喷锚支护设计的工程类比、理论计算、监控量测及其收敛变形数值分析相结合等3种基本方法各有利弊，均有局限性，需相互补充验证。隧洞围岩及支护体系监控量测成果分析研究表明，监控量测及其收敛变形数值分析相结合法具经济合理性，较工程类比法喷锚支护投资降低约1/3。

(2)单薄破碎软岩隧洞采用喷锚支护可行，并取得良好的技术经济成效。

(3)应遵循“先期及时，后期适时”原则确定支护时机。

(4)单薄破碎软岩隧洞喷锚支护需注重岩层性状及其与洞轴线的相互关系，注重洞轴线合理选择及地下水影响。当隧洞埋深与断面较小，无地下水，以及岩层倾角且走向与洞轴线交角较大时，顶拱可采用喷网支护，反之则需采用喷锚网支护，系统锚杆应为先期支护体系，且布设于“空间约束效应”影响范围内。

(5)监控量测及其收敛变形数值分析是软岩隧洞喷锚支护设计的重要方法，需注重收敛位移监测及声波测试，掌控围岩动态，判别稳定性，声波波速反映的岩体相对完整性指标是科学的。

(6)研究成果立足于工程实践，具一定普遍性，可应用于中小断面软岩隧洞喷锚支护设计与施工参考借鉴，对于大跨度、大断面软岩隧洞有待进一步深入研究。