偏压隧道进洞施工控制技术研究

张传平 傅鹤林 洪志伟 侯伟治

摘要：文章针对偏压隧道进洞确定的开挖方法，结合数值分析中的围岩受力特性，提出了改善隧道所受偏压效应的控制技术：锚索框格梁加固边坡控制技术、外侧地表注浆增强外侧抗力控制技术、不对称锚杆支护隧道控制技术。

关键词：偏压隧道;进洞;施工;控制技术

文献标识码：U455.4-A-37-124-6

0 引言

隧道进口段围岩常具有浅埋、偏压、风化严重等特点，若施工处理不当，极易造成洞口边、仰坡滑动和洞内塌方等事故，从而影响隧道正常施工和人员安全[1-2]。

文献[3]和文献[4]采用数值模拟和现场实测等手段对偏压隧道的施工力学特性进行了探讨，发现偏压常引起局部应力集中从而导致结构的非对称变形;文献[5]和文献[8]利用数值模拟手段，分析了开挖顺序对围岩及结构变形的影响，为偏压段隧道的设计及施工提供了指导;杨超等[9]利用FLAC3D程序对平寨隧道施工过程进行了三维仿真分析，比较了中横洞内出和正面开挖两种进洞方式下左洞洞口围岩变形和应力变化情况;苏兴矩[10]基于厦蓉高速公路扩建工程龙门隧道洞口严重偏压、斜交超过30°等不利地形情况，提出了半明拱进洞施工方案，并建立三维有限元模型，分析了半明拱结构的施工力学响应。

从隧道的结构受力分析可知，隧道在施工过程中仍受到内外侧荷载不均匀的偏压影响，受力主要集中在深埋侧的墙角处，这对隧道结构的安全是很不利的。对于偏压隧道的施工，要采取一定的控制措施来减小隧道结构所受的偏压荷载，更好地改善其所受偏压的不利作用。国内外对偏压进洞采取的控制措施主要有挡土墙技术、抗滑桩技术、掌子面封闭技术、地表注浆技术、防护网技术等，本文主要从边坡、浅埋侧抵抗力、隧洞支护三方面对隧道的偏压进洞控制措施进行研究，提出了锚索框格梁对边坡土体的控制、外侧地表注浆增强外侧抗力的控制、不对称锚杆对隧道支护的控制三项控制措施，并通过数值模拟结果与现场监测值的对比分析，验证其合理性。

1 锚索框格梁对边坡土体的下滑控制

锚索框格梁是一种复合型的支挡结构，主要由现浇的钢筋混凝土梁和梁交叉点处的锚索两部分组成，能够综合利用锚索的抗拉性能和混凝土的抗压性能。锚索框格梁的构造如图1所示。

锚索对边（滑）坡土体进行深层加固，而锚索所受到的拉力由交叉点处的框格梁分担，使坡体受压，主动稳定边坡。与独立的锚索加固相比，现浇的钢筋混凝土框格梁与预应力锚索组成的复合支挡结构的整体性和协调性更好，改善了坡体的受力，减小了边坡土体的下滑力，从而能改善地形偏压对隧道结构的影响。

1.1 锚索框格梁的加固机理

锚索框格梁加固技术是预应力锚索和框格梁两种加固方法的组合使用，综合利用了深层加固和浅层护坡两种加固方法的优点，充分发挥了锚索和框格梁这两种材料的性能，其加固示意图如图2所示，锚索的细部构造如图3所示。

1.1.1 锚索框格梁中预应力锚索与土体的相互作用机理

锚索施加预应力之后，锚索与周围稳定岩土体之间会产生剪切应力即抗拔力，抗拔力主要由灌浆材料与周围岩土体间的粘结作用所承受。随着灌浆材料的渗透，使周围岩土体固结成一个整体，进而可以改善锚固区域内软弱岩体的力学性质，而且孔壁周围岩体的临空面粗糙，使得环绕于锚索周围的砂浆体可以与周围的岩体很好地粘结在一起，形成一个共同受力的整体。在预应力锚索的轴向拉力作用下，岩层抗力就通过这种牢固的粘结力被调动起来，发挥抵抗边坡岩土体下滑的作用。当锚索与孔壁周围的岩土体之间有相对滑动的趋势时，两者相互接触的部分将会产生与滑动趋势相反的摩擦力，这种力的作用主要以径向应力和剪应力的方式在岩土体中相互传递，最终传递至稳定岩层中。

单纯的预应力锚索结构中，在锚头周围部分的岩土体常处于高应力状态，使得其周围的土體承受较大的挤压力，产生较大的压缩变形，增大了预应力的损失，达不到对周围岩土体加固的预期效果。锚索框格梁中预应力锚索将锚头作用于混凝土框格梁上，将集中应力分别传递给横梁和纵梁共同承担，分散了锚头附近岩土体的集中应力，减小了锚头附近的挤压变形，控制了预应力锚索结构的预应力损失。

1.1.2 锚索框格梁中框格梁与土体的相互作用机理

在滑坡加固中，单纯的框格梁不能用于边坡的支挡加固中，它需要与锚索或锚杆共同使用，组成复合的支挡结构体系后才能发挥作用。在这种复合支挡结构体系中，框格梁同其周围岩层之间会产生相互作用，主要表现为以下几个方面：

（1）框格梁在传递受力方面，通过混凝土梁将预应力锚索所施加的力均匀地传递给坡面，同时框格梁增大了力与坡面相接触的面积，改善了锚索在锚头处的应力集中效应，更大程度地增加了破碎岩土体的稳定性。

（2）框格梁是一种复合支挡结构，通过混凝土梁与预应力锚索的共同作用，可以组成一个由表至里的支挡加固体系，将边坡土体上的预应力锚索连接成为一个网状的预应力组合结构进行受力，提高了预应力锚索在改善边坡稳定性中的均匀受力。

（3）框格梁沿边坡进行布置且紧贴于坡体，在预应力锚索作用下，大范围地控制了坡体的整体变形，在框格梁之间可设置植被、砌体防护等，形成一个整体的支挡围护结构，防止了岩土体的风化，从更长远的角度控制了边坡岩土体的稳定性。

从边坡的受力层面进行分析，由于锚索承受了拉力，限制了土体的变形，增大了滑坡体的摩擦角，既提高了边坡的滑动阻力，也对边坡进行了主动加固，减小了其下滑力，达到了加固的效果。从边坡的变形角度进行分析，锚索框格梁结构可以很好地改善边坡土体的稳定性能，增强了边坡土体的整体刚度，能够很好地利用深层岩体的自稳能力对边坡起到加固的作用。

1.2 锚索框格梁的优点及适用条件

锚索框格梁是一种结构轻盈、支护效果明显的新型复合支挡结构，这种新型复合支挡结构主要有以下几个优点：

（1）主体结构轻盈，对坡脚处的面积占用较少。锚索框格梁的主体沿边坡进行布设且紧贴坡体，减小了在施工过程中所需的施工场地。针对在高速公路修建过程中人工开挖的路堑边坡，可以很大程度地减少工程量，节约工程造价。

（2）能够形成整体的受力体系，受力合理，可以充分利用锚索和钢筋混凝土梁这两种结构的优点。复合锚索框格梁在工作阶段的受力特征为锚索受拉力，框格梁受压力。施加在锚索上的力通过锚索传递给边坡的深层稳固岩体，同时在锚索的作用下，框格梁各连接处的节点将产生正的压应力，这种压应力通过钢筋混凝土梁分散递给整个坡体，避免了节点处的应力集中。锚索、框格梁和边坡土体三者形成了一个紧紧联系在一起的整体受力体系，提高了边坡岩土体的稳定性，减小了坡体下滑力。

（3）能够配合周围环境，造型美观，对山体的植被不产生影响。在框格梁内可以直接回填土体并种植植被，也可挂细钢筋网并喷射混凝土对边坡表面进行加固，再辅以回填土体进行绿化，达到保护和美化环境的作用。

锚索框格梁的加固原理是基于深层岩体的自稳能力，因此深层岩体的自稳能力是决定锚索框格梁适用性的关键条件，所以锚索框格梁主要适用于深层岩体自稳能力较好的地质条件。对水位较高，边坡受水的浸润作用较严重的地质条件应该慎用。边坡受水的浸润作用不仅会影响岩土体的抗剪强度，其对锚索也会具有腐蚀作用，受水的浸润作用严重更有可能会影响到深层岩体的自稳能力，进而影响锚索的锚固作用，对整个框格梁的受力体系造成破坏。

1.3 草籽岗隧道边坡土体的锚索框格梁设计

为减小隧道在开挖过程中所受的偏压作用，在参考草籽岗隧道的地质资料并结合工程特点的基础上，借鉴国内外類似工程经验，对隧道隧址区的边坡采用锚索框格梁进行加固，减小边坡土体的下滑力，从而达到改善隧道结构所受的偏压影响效应。

框格梁采用矩形的形式进行布设，横纵向间距为5 m（横向）×5 m（纵向），横梁、纵梁皆采用C30混凝土，单根锚索长度为20 m，预应力锚索（7×15.20 mm钢绞线）的单根设计承载力为1 000 kN，锚索张拉至600 kN锁定。孔径≥150 mm，锚固段长度为10 m，孔内注入M25水泥砂浆或水灰比0.5的纯水泥浆。预应力钢绞线采用符合《预应力混凝土用钢绞线》[11]国家标准生产的具有高强度低松弛性质的预应力钢绞线，公称直径为15.2 mm，公称面积为140.00 mm2，公称质量为1 101 kg/km，标准抗拉强度为1 860 MPa，弹性模量为1.95×105 MPa。

2 外侧地表注浆增强外侧抗力的控制

注浆是较为常见的围岩加固措施，通过围岩注浆可以充填岩土体中的裂隙，增强围岩的受力能力，进而增大其地层抵抗力，改善衬砌结构上所作用的永久荷载。

2.1 地层可注性分析

草籽岗隧道隧址区的地层为凝灰岩体，下伏基岩主要为第四系全新统覆盖层（Q4）、燕山期凝灰岩、全风化凝灰岩、强风化凝灰岩及凝灰岩的风化残、坡积作用形成的粉土、砾砂等。主要为中粗粒黑云母凝灰岩，受燕山晚期岩浆侵入挤压的作用，岩石的次生节理裂隙发育，破碎严重。第四系全新统覆盖层（Q4）抗冲刷能力弱，遇水易软化，自稳能力差;强风化岩岩体风化剧烈、岩质软弱，边坡及仰坡开挖时，会有局部失稳的可能，且在地表水的冲刷作用下，岩土体可能产生滑坡、岩体碎落等现象。草籽岗隧道为浅埋偏压隧道，所穿越的地质条件复杂，岩层以强风化凝灰岩为主，节理裂隙发育，进口段第四系覆盖层厚度小，在地表水的渗透及冲刷下，岩土体会有产生坍塌、碎落的危险。因此，针对这种岩体破碎的地质条件，可以采用压密注浆、渗透注浆等注浆方式来改良和加固地层，提高地层的稳定性及浅埋侧的抗力。

2.2 地表注浆方案研究

注浆方式的确定主要依据草籽岗隧道隧址区的地质条件、机械设备要求、施工环境的限制和施工方法的选择等，选择适合草籽岗隧道的经济、合理、有效的注浆方案。考虑到隧道洞口段的覆土层厚度小、埋深较浅，地层的岩土体破碎，进行钻孔注浆难度不大，因此，在洞口浅埋侧采用地表垂直的注浆方式对浅埋侧隧道岩土体进行改良加固。利用中导管和小导管对地表进行注浆，随着浆液对土体的渗透，使得强风化凝灰岩岩土体间孔隙被填充，浆液包裹着凝灰岩的风化残、坡积而形成的粉土、砾砂，共同形成支撑骨架进行受力，提高外侧岩土体的抵抗力。同时使中导管的端头深入到稳定的岩层内，在浆液的固结作用下，多根导管和岩层之间可以形成一个排桩受力整体，进而有效地提高外侧土体的抵抗力，阻止岩土体板块的滑动，减小隧道所受的偏压作用。

2.3 注浆参数研究

2.3.1 注浆孔的终孔间距

注浆的目的是使浆液与岩土体固结，形成整体骨架进行受力，达到提高地层抵抗力的效果。根据岩土体注浆加固的交圈理论，在对岩土体进行地表注浆设计时应考虑到注浆浆液的扩散半径，使注浆终孔的布设在断面上没有浆液的注浆盲区。因此，在对草籽岗隧道外侧地表注浆时，多排孔采用梅花形布置，注浆孔布置如图4所示，注浆孔的终孔行距a和排距b应满足式（1）～（2）的要求：

a≤3R（1）

b≤3R/2（2）

式中：R——浆液扩散半径（m）。

2.3.2 浆液扩散半径及布孔方法

考虑到现场的地质条件、钻机钻孔的工作效率、实际的注浆效果等，并根据室内和现场试验，确定草籽岗隧道地表注浆的浆液扩散半径为2 m，垂直注浆孔的布设采用梅花桩形布置，间距为2.5 m。

2.3.3 注浆压力

渗透注浆是指浆液通过压力来克服岩层中的阻力进入岩土体地层并进行扩散和固结，同时将岩土体空隙中存在的水和空气排出。渗透注浆对注浆孔进行的是全孔一次性完成注浆。参考国内外的工程经验，注浆压力值计算公式如式（3）所示：

P注=P水+（1.0～2.0）MPa（3）

式中：P注——注浆压力;

P水——水压力。

裂隙水注浆中的裂隙阻力、水压力以及浆液的粘滞力主要是通过顶水注浆来克服，进而可以将水向远方推送，其值为：

P注=P水+P阻+（1.0～2.0）MPa（4）

式中：P阻——管道阻力。

挤密、劈裂注浆是指浆液通过较高的灌浆压力作用对岩土体的结构产生劈裂破坏，进而与岩土体固结。其注浆压力计算主要为：

P注=P水+P阻+（2.0～4.0）MPa（5）

草籽岗隧道外侧地表注浆压力的选择：地表垂直注浆压力为2～5 MPa，当需要进行局部和补注浆时，其注浆压力为1～3 MPa。

2.4 草籽岗隧道外侧地表注浆设计

参考草籽岗隧道的地质资料并结合工程特点，为减小隧道在开挖过程中所受的偏压作用，借鉴国内外类似工程经验，对隧道的外侧地表进行了注浆加固设计。

隧道中心线的左侧浅埋段采用地表注浆加固技术改善围岩岩性，通过对隧道浅埋侧强风化凝灰岩置入注浆钢管（89 mm，壁厚为6 mm）并灌入选取好的注浆浆液，进而对浅埋侧岩土体进行加固，提高外侧抗力，控制偏压滑动。注浆范围为隧道开挖轮廓线外5 m范围内，利用潜孔钻机对浅埋侧岩土体进行钻孔，钻孔的孔径为110 mm，孔内置入预先选好的注浆管（89 mm，壁厚为6 mm）并进行灌浆，对地层岩土体进行注浆加固。注浆管的底部应插入到隧道拱底的起拱线所在水平面位置，注浆管采用直径×壁厚=89 mm×6 mm的无缝钢管，注浆管间距按2.5 m×2.5 m呈梅花形布设，边墙外侧与围岩注浆圈底部相连。

3 不對称锚杆对隧道支护的控制

锚杆是地下工程和岩石边坡支护的常用构件，对节理裂隙发育的岩土体能起到很好的加固作用，并维护其稳定性。锚杆是一种可以利用高性能抗拔材料和粘结介质的作用，将所需要支护的岩层或土木工程的构筑物可靠地锚固在较稳定深层岩体中的装置。

3.1 锚杆的支护机理

锚杆是岩层加固中的一种杆件体系结构。锚杆的受拉性能强，通过锚杆的作用可以克服岩土体抗拉能力差的缺点。锚杆支护限制了岩土体脱离原体，增加了岩层间的粘聚性，改善了岩体的力学参数粘聚力c和内摩擦角φ。锚杆的锚固作用主要通过对围岩施加径向作用力和切向作用力来实现，既能通过这种径向力的作用，使得岩土体由稳定性较差的受力状态转变为稳定性较好的双向、三向受力状态，增强隧道结构的安全性和稳定性，又能结合锚杆对岩层软弱结构面的贯穿作用，利用其切向力的作用来提高软弱结构面的强度和稳定性，进而可以改善隧道结构的受力特性。因此在隧道工程建设中，锚杆这一支护形式发挥了支护和加固两方面的作用。根据锚杆的作用机理，可以概括为以下几方面：（如下页图5所示）。

（1）悬吊作用。锚杆的一端固定在稳定性较好的深层岩体中，通过锚杆的作用将另一端松动破碎的岩体连接在一起，悬吊在坚固稳定的深层岩体中，从而加强了围岩的稳定性。

（2）组合梁作用。在层状性的围岩中，锚杆可以通过拉力将几个层状性的地层组合成为一个受力整体，形成组合梁。

（3）成拱减跨作用。在隧道横断面上，通过对锚杆位置的合理布置，可以将稳定性差的岩体分成很多小的区域，每个小的区域可以以锚杆的位置为边界，形成多个小的拱域，进而替代隧道在开挖过程中形成的大拱，起到减小跨度，改善隧道拱体受力特性的作用。

（4）加固作用，也是锚杆的一项最基本的作用。将锚杆呈放射状布置在隧道的周围，可以使隧道周边的松散岩体紧密地挤压在一起形成连续性受力的压缩带，在压缩带中能够产生径向的压应力，进而给压缩带外围围岩提供径向支撑力，增强破碎岩体的稳定性。

3.2 锚杆的布置原则

锚杆的布置形式主要分为局部布置和系统布置两种。局部布置主要适用于坚硬而且裂隙发育或有潜在龟裂和节理的岩体;系统布置主要用于需对围岩进行整体加固的软弱破碎岩层。在实际工程中应根据具体的现场施工条件，锚杆实施局部和系统布设两种方式相结合的方案。当原岩应力主要表现为垂直应力时，压应力则主要集中在洞身两侧的岩层中，因此两侧的岩层附近处会形成最大剪应力，隧道的两侧将会出现围岩塑性区，锚杆设计时应在隧道的两侧布置锚杆。当原岩应力主要表现为水平应力时，隧道的塑性区则主要为拱顶部位的岩层，在进行锚杆的设计时，对顶部布设的锚杆宜进行加密。若拱圈周围的岩层有危险碎石或岩块，则宜对围岩的节理和软弱结构面进行加固，以防脱落和掉块。

（1）锚杆数量和间距。锚杆数量、锚杆间距的布设主要以喷层的作用得到充分利用为依据且施工方便。合理布设的锚杆数量原则上要能够使初喷达到稳定状态，为了避免锚杆中间的破碎岩层产生脱落和掉块，设计上要求锚杆的纵、横向之间间距要小于锚杆长度的一半。

（2）锚杆的长度和直径。锚杆长度的选用原则是能充分地发挥锚杆受拉性能，使锚杆达到最大限度的锚固效果，并应同时满足经济、合理的要求。因此，从受力方面应当使锚杆在支护过程中所受到的拉应力值σt尽可能地接近锚杆抗拉强度的允许值[σt]，同时应使锚杆锚固在稳定围岩中，锚杆选取的长度值应比围岩松动区域的半径值要大。为了使锚杆钢材的抗拉承载能力能够得到充分的利用，工程中选取的锚杆钢材多为直径16～22 mm的螺纹钢筋。

3.3 草籽岗隧道不对称锚杆支护设计

据开挖过程数值模拟的位移场与应力场分析可知，在右侧拱顶和拱肩部分存在较大的位移和应力，表现出明显的偏压效应。为减小隧道在开挖过程中所受的偏压作用，在参考草籽岗隧道的地质资料并结合工程特点的基础上，借鉴国内外类似工程经验，对隧道的支护设计采用不对称锚杆支护设计，在边墙锚杆（长度为3.5 m）对称布置的基础上，对右侧拱顶和拱肩处加设长度为6.5 m的中空砂浆锚杆进行支护，环向间距为1 m，呈梅花型布设，具体不对称锚杆支护设计示意图如图6所示。

4 结语

（1）阐述了锚索框格梁加固措施的加固机理及其优点和适用条件，并针对草籽岗隧道的地形资料提出了具体的锚索框格梁加固设计方案。

（2）为增强隧道外侧（浅埋侧）岩土体的抗力，提出了通过外侧地表注浆的处治措施，分别就注浆方式、注浆施工设计流程、注浆效果的影响因素等控制技术进行了研究，并针对草籽岗隧道提出了具体的外侧地表注浆设计方案。

（3）为减小偏压隧道结构所受的偏压荷载效应，分别就锚杆的支护机理、锚杆的布置原则进行了分析研究，对草籽岗隧道提出了施加不对称锚杆的隧道支护控制措施，并提出了不对称锚杆的具体支护设计方案。

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收稿日期：2021-03-08

基金项目：中建八局项目“超浅埋大跨偏压隧道上跨既有高鐵隧道绿色施工关键技术研究”（编号：JC-FBHF-2020-842）

作者简介：张传平（1986—），工程师，主要从事施工技术管理工作。