软岩隧道初支拱架S 形变形原因分析及对策

李占先

(中铁十四局集团有限公司，山东济南 250014)

0 引言

软弱围岩是指用通常的初期支护及简易的小导管支护不能控制开挖后的围岩变形，而需要采用“有针对性地控制变形对策”(即所谓的辅助工法)的围岩［1-3］。软弱围岩隧道地质条件复杂，施工中不可预测变形的因素较多。目前，国内外很多学者及研究人员针对锚杆及钢拱架对围岩的支护作用效果进行了有益研究［4-6］，尽管很多科研人员和施工人员对其不断研究总结，形成了治理软弱围岩隧道病害的常规技术，但对于软弱隧道围岩钢拱架变形破坏方式及原因仍然认识不清［7-10］。为此，文章结合云桂铁路软弱围岩隧道工程，对硐室初支“S”形变形进行分析和总结，并制定其对策，从而使硐室变形得到有效控制，确保了隧道施工安全。此研究具有重要的现实意义与理论指导意义，可为今后类似软弱破碎围岩工程建设提供参考。

1 工程概况

新建云(昆明)桂(南宁)铁路那达二号隧道为双线隧道，进口里程为DK172+326，出口里程为DK173+250，全长924 m，隧道最大埋深约为72 m。全隧为Ⅴ级浅埋段，除明洞外其余地段均采用Ⅴ级B型复合衬砌。进口13 m明洞，台阶式洞门，出口15 m斜切延伸段，斜切式洞门。隧道地层岩性:上覆第四系全新统坡残积层粉质粘土，下覆基岩为三叠系中统百逢组第四段(T2b4)页岩夹砂岩;地质构造:隧道范围内左侧有右江大断裂，岩层有扭曲，节理较发育，多呈张开型，节理面充填少量褐黄色粘土。隧道最大埋深45 m，地表无较大的起伏变化，绝大部分埋深约32 m，属浅埋隧道。

初期支护参数:全环工型钢钢架(型号为Ⅰ20)及拱部超前大管棚(型号为φ100)或超前小导管预注浆加强支护，拱墙为C25纤维混凝土，仰拱为C25素混凝土，均为26 cm厚，φ8钢筋网(网格20 cm×20 cm)，拱墙锚杆长度为4 m，拱部和边墙分别采用φ25，φ22中空注浆锚杆，边墙φ22中空注浆锚杆。

2 施工过程中变形情况

根据那达二号出口断面DK172+955断面的监测数据分析，其开挖后20 d左右围岩的位移收敛情况如图1所示。

由图1可知:1)DK172+955的拱顶三个点的累计沉降在开挖后3 d出现较大的位移，拱顶1的回弹最大，拱顶2和拱顶3均出现一定程度的回弹，是由于围岩从三向应力状态在较短的时间内转化为平面应力状态，其首先要在应力缺失的一面发生较大的位移，其次围岩的变形对其周围的围岩会起到一个约束作用，围岩与围岩之间会相互制约，从而达到一个新的平衡，这就是围岩的自稳能力。2)隧道的偏压会对洞顶三个点的位移产生不同的影响，围岩应力较高的一侧会抵消一部分围岩的自我约束力继续下沉变形，而围岩应力较低的一侧会受到围岩应力较高一侧的反推作用，产生较大的回弹位移;初期支护增强了围岩的整体强度，并能对围岩提供一定的支护反力，发挥围岩的自我稳定作用，这种围岩和支护结构的相互作用，直到支护提供的阻力与围岩作用力达到平衡为止，是一个空间与时间的变化过程，从而形成一个力学上的隧道围岩稳定结构体系。

图1 DK172+955拱顶累计沉降时程曲线图

客观上该段隧道埋深较浅仅25 m，地表有一自右至左的沟槽，且洞身位于半山坡位置，属地势偏压。洞内围岩强风化，围岩破碎，有地下水渗出，软化了围岩，围岩松动圈增大，自成拱能力降低，初期支护承受了较大的围岩持续变形压力。

对于上述工况采用FLAC3D软件进行数值模拟，本构关系采用摩尔—库仑模型，选用八节点六面体网格单元，单元数为4 521个。

与此同时，针对那达2号隧道围岩稳定性开展了相应的数值模拟研究，图2，图3分别给出了隧道围岩开挖后应力和位移分布图。由图可知:1)在隧道开挖后，初期支护结构承受应力分布不对称;2)由于支护结构受力的不对称性，从而造成隧道围岩变形的不对称。以上分析结论与现场监测数据所得到的结果基本一致。

图2 隧道开挖后竖向、水平应力分布图

图3 隧道开挖后竖向、水平位移分布图

3 应对措施

针对软弱围岩隧道施工过程中，基于支护结构变形、围岩变形及数值分析，揭示了隧道初期支护结构——钢拱架S形变形原因，以此结合现场施工工艺与隧道地质条件，采用以下施工措施:

1)上台阶掌子面暂停掘进施工，且挂网喷锚封闭。

2)中台阶增设工型钢临时仰拱与大拱脚内斜撑，且型钢间挂网喷射混凝土厚24 cm。

3)加强已施工衬砌到掌子面段之间的围岩监控量测，及时掌握围岩变形情况，以便采取应急处理措施。

4)钢架变形段DK155+326.3～DK155+317.1用断面仪检查初期支护断面，看其是否侵限。若侵限，则做换拱处理。当换拱时，考虑到该段已经变形，在换拱前对该段进行径向小导管注浆加固，小导管长度4.0 m，间距0.8 m ×0.8 m，梅花形布置，注浆压力0.5 MPa ～1.0 MPa，1∶1 水泥浆液。注浆完毕后，施工该段仰拱，待仰拱施工完毕后，跳模施工该段衬砌，待前一模衬砌施工完毕后再逐榀拆除侵限段钢拱架，换拱完成后施工该段二次衬砌。

5)当掌子面恢复掘进施工时，为减少爆破震动对围岩的影响，采用破碎锤破除围岩。为增强钢架承受围岩压力的能力，钢架间距由原设计的0.8 m/榀调整为0.6 m/榀，加强钢架整体受力能力，在钢架内侧增设纵向φ22螺纹钢作为连接筋，环向间距1.0 m。

6)控制上、中、下三台阶的长度均在5.0 m以内，初期支护在尽可能短的时间内形成闭合结构，仰拱、衬砌紧跟施工。

7)增加预留变形量，预留量由以前的30 cm，调整至40 cm，允许围岩有较大的变形，防止因变形过大，预留量不足导致初期支护侵限。

4 结语

文章结合软弱围岩隧道实际工程，通过现场监测分析、支护结构变形分析和数值分析等技术手段，揭示了隧道初期支护结构——钢拱架变形机理，进而针对那达2号隧道施工工艺提出了有效的施工措施和注意事宜，遏制围岩的进一步变形，防止安全质量事故的发生。由上述分析得出的结论是:

1)由于喷射混凝土挠度变形小，围岩应力分布不均匀，当围岩应力过大时，使得喷射混凝土不均匀受力，造成变形开裂。

2)初期支护中，由于喷射混凝土、钢架、锚杆、钢板等变形不协调，致使连接钢板以上50 cm～150 cm范围内，钢架刚度不足呈现“S”变形。

3)以上研究成果，对类似工程的施工起到重要的指导和借鉴，具有重要的研究意义和应用价值。

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