軟弱圍巖大斷面隧道開挖面變形控制技術

張海波

（中鐵二十四局集團浙江工程有限公司，310009，杭州∥工程師）

1 工程概況

寧波市象山縣野豬山隧道里程YK60+295—YK60+259穿越穩定性差的碎石土和全-中風化基巖圍巖，地下水豐富，修正的圍巖基本質量指標［BQ］＜250，總體評定為Ⅴ級圍巖。該段隧道開挖跨度為13.0 m，開挖高度為10.4 m，每循環開挖進尺1.0 m。該地區夏季施工多出現連續降雨天氣，地表水侵入隧道巖體，容易對隧道開挖后圍巖穩定性產生不利影響。

該段隧道為低山坡麓，地勢起伏。其淺部為殘坡積層，以碎塊石和含碎石粉質黏土為主。其中碎石約占70%，粒徑一般為2～4 cm、最大8 cm；碎石間隙充填膠結一般的黏性土，局部夾有粒徑1～2 cm的細角礫。據鉆孔資料，下伏基巖為侏羅系上統凝灰巖，為全風化凝灰巖，呈淺灰色；原巖結構構造可見：巖質軟，遇水易軟化，手捏易碎；局部夾有塊徑為2～4 cm的強風化碎塊；巖芯呈土柱狀。該段是典型的軟弱圍巖土質，各土層性質見表1。

該段隧道開挖跨度大，達13.0 m，施工過程中洞口段易出現掌子面滑塌甚至冒頂事故；隧道圍巖為粉質黏土，開挖容易造成圍巖沉降過大、失穩、坍塌等危險；該地區雨水充足，土壤含水量較大，對拱部及周圍巖體的壓力增大，隧道開挖時易出現淋雨狀或涌泉狀出水。

2 隧道開挖變形模擬

2.1 模型的建立

根據現場的工程情況，該項目的圍巖條件取為Ⅴ級。對該工程建立有限元模型（如圖1所示），以分析隧道開挖時地表沉降和掌子面的變形情況。為了符合實際的施工情況，該隧道的開挖模擬采用全斷面開挖，以此反應隧道開挖圍巖的真實變形，且模擬不考慮掌子面的加固。有限元模型的邊界條件為：除了上表面，其余面均法向固定。

圖1 有限元計算模型

2.2 計算結果

對計算模型選取3處開挖至掌子面的拱頂沉降曲線和掌子面擠出變形曲線，如圖2～3所示。從圖2可以看出：隧道掌子面至前方1.5 D～2 D（D為隧道開挖的跨度）、后方3 D～4 D位置處，拱頂沉降變化尤為明顯。其中：開挖面位置處的沉降變化最為顯著，掌子面正上方最大沉降達到17.3 mm；掌子面前方30 m沉降逐漸收斂；掌子面后方4 D以后沉降逐漸收斂，達到43.56 mm。從圖3中可以看出：掌子面中心處變形最大，擠出量為24.4～28.6 mm；距離掌子面中心越遠的位置，擠出量越小。

圖2 拱頂沉降曲線

圖3 掌子面擠出變形曲線

從圖2～3可以看出，當掌子面不做加固時，隧道開挖引起的拱頂沉降和掌子面變形較大，容易造成掌子面坍塌及拱頂沉降過大等險情。為此，需要對掌子面進行加固，以降低拱頂沉降和掌子面的擠出變形。

3 隧道開挖的變形控制技術

有文獻［1-2］指出：Ⅴ級、Ⅵ級的大斷面軟弱圍巖隧道的施工宜采用預留核心土臺階法和單側壁法。預留核心土臺階法能夠提高掌子面的穩定性，降低掌子面的擠出變形，但是當隧道開挖斷面較大時，其安全性相對較低，且下部臺階開挖勢必影響上臺階支護結構的穩定性。單側壁法可以探明掌子面前方的土質情況，便于地表沉降的控制，但是工序較多，需要拆除臨時支撐，施工進度較慢。

針對野豬山隧道的水文地質特征、工期以及變形控制等要求，該隧道采取變形控制法［3-4］（即新意法）施工，以控制掌子面前后及拱頂的沉降變形保持在理想范圍內，實現大斷面開挖，加快施工進度。

3.1 玻璃纖維錨桿超前加固

為了避免拱頂沉降過大和掌子面變形過大等險情，該段野豬山隧道施工中對掌子面全斷面進行玻璃纖維錨桿的加固［5-6］。應用玻璃纖維錨桿對隧道掌子面進行超前預加固，可減小由于土壤張拉狀態改變帶來的影響，且與巖芯粘結（膠結）在一起，還可抵消由于開挖引起的部分圍束損失。錨桿采用1.2 m×1.2 m方形布置。掌子面錨桿加固模型見圖4。為選擇錨桿加固長度，對模型進行無加固以及分別加固10 m、12 m、14 m、16 m的情況進行計算。這5種情況的掌子面擠出變形曲線如圖5所示。從圖5中可以看出：在無錨桿加固情況下掌子面變形較大，掌子面中心變形為27.1 mm；當加固10 m時，中心點處變形為18.2 mm，相比無錨桿加固變形量降低了32.8%；加固12 m時，中心點處變形為12.5 mm，相比無錨桿加固變形量降低了53.9%,加固效果明顯；加固16 m時，中心點變形為7.6 mm，相比加固14 m時的變形量只提高了6.0%。為了綜合考慮經濟效益及施工進度等情況，該段施工采取玻璃纖維錨桿加固長度14 m就可以滿足變形控制的要求。

圖4 玻璃纖維錨桿加固示意圖

圖5 錨桿加固掌子面擠出變形曲線

掌子面錨桿的搭接長度對維持掌子面穩定性起到至關重要的作用。文獻［6］指出，隧道開挖引起的掌面上方的松散土體將全部作用在隧道掌子面上，隧道掌子面將受到松弛荷載q的作用（如圖6所示）,掌子面加固存在一個最小加固長度L。

根據上述計算，該段隧道掌子面錨桿的搭接長度可選為8 m即可以保證掌子面開挖的穩定性。

圖6 錨桿搭接長度計算示意圖

3.2 超前小導管加固

超前小導管分為兩排：第一排小導管打設時外插角控制在10°左右，尾端支撐于鋼架上；第二排打設時，鉆機鉆孔方向為緊貼著工字鋼外弧（靠近圍巖的弧段），外插角為40°。這樣就能避免第一、二排超前小導管重疊現象的發生。

小導管采用外徑42 mm、壁厚4 mm、長500 cm的熱軋無縫鋼管。小導管縱向搭接不小于1.5 m，雙排小導管縱向搭接不小于2.0 m。小導管加固示意圖見圖7。

圖7 小導管加固側視圖

小導管加固時還需要嚴格控制注漿壓力及注漿量，并根據現場試驗作適當調整。注漿參數見表2。

表2 小導管注漿參數

3.3 大斷面開挖與支護

該段隧道掌子面進行超前加固后采取機械大斷面開挖并輔以人工配合，每循環開挖進度為1.0 m。考慮錨桿加固長度，隧道每開挖6 m，搭設一環玻璃纖維錨桿，并做好開挖過程中的支護。支護采用厚28 cm的C25噴射混凝土加A6鋼筋焊接網和22a工字鋼拱架（縱向間距1.0 m）。

4 監測結果

在施工過程中及時進行地表沉降、拱頂沉降及掌子面變形等量測，以避免施工險情。對于掌子面擠出變形的量測，在里程YK60+283打設A、B孔。其中：A孔埋設分別深為3 m、6 m、9 m的3個單點位移計測點，B孔埋設分別深為9 m、12 m、15 m的3個單點位移計測點。實際測得擠出變形如圖8所示。從圖8中可以看出，距離掌子面越遠，擠出變形越小，埋深15 m時擠出變形小至0.36 mm，受開挖影響較小。所以，該段采用長14 m的玻璃纖維錨桿加固能夠滿足掌子面的變形要求。

隧道開挖時應及時對拱頂沉降進行量測。沉降點距離隧道掌子面后方每5 m布置1個拱頂沉降監測點。對YK60+275～YK60+290里程中的4個監測點進行量測，其沉降曲線見圖9。由圖9可見，隧道開挖引起的沉降達到11.9 mm，相比無加固措施下的43.56 mm，沉降值降低了72.68%，加固效果明顯。

圖9 拱頂沉降隨時間變形曲線

圖10 拱頂沉降與掌子面擠出變形關系

4個監測點處掌子面擠出變形與掌子面處拱頂沉降的關系曲線如圖10。同時對285斷面和290斷面兩處斷面的數值模擬結果與實際監測數據進行對比可知：掌子面擠出變形和拱頂沉降近似于線性關系，掌子面擠出變形越大，拱頂沉降越大。所以，可以通過掌子面加固措施降低拱頂沉降。從圖10還可以發現數值模擬結果與實際監測數據較為吻合，反映了數值模擬的合理性。

5 結語

本文以野豬山隧道工程為背景，結合現場監測數據并通過理論分析和數值模擬等方法，研究了軟弱圍巖大斷面隧道開挖面變形控制技術，得到以下結論：

（1）軟巖隧道開挖時由于掌子面的穩定性差，容易造成掌子面滑塌甚至冒頂，所以必須加固掌子面核心土，使得超前核心土成為保證隧道穩定的依托，且加固長度應大于隧道開挖直徑，以提高掌子面的穩定性。

（2）通過掌子面變形和拱頂沉降曲線可以看出，兩者近似于線性關系：掌子面擠出變形越大，拱頂沉降越大。所以，可以通過掌子面加固措施來降低拱頂沉降。

（3）可以通過拱頂沉降值的大小預測掌子面前方土體的穩定性，以便及時采取加固措施。

［1］ 李鵬飛，趙勇，劉建友.隧道軟弱圍巖變形特征與控制方法［J］.中國鐵道科學，2014，35（5）：55.

［2］ 趙勇.隧道軟弱圍巖變形機制與控制技術研究［D］.北京：北京交通大學，2012.

［3］ 任偉明，彭麗云.新意法及其預約束施工技術［J］.施工技術，2013，42（1）：83.

［4］ 毛燕飛.基于巖土控制變形分析法的軟弱圍巖隧道開挖變形控制技術［D］.西安：長安大學，2015.

［5］ 崔柔柔，楊其新，蔣雅君.軟巖隧道掌子面玻璃纖維錨桿加固參數研究［J］.鐵道標準設計，2015，59（11）：79.

［6］ 李斌，漆泰岳，吳占瑞，等.隧道掌子面錨桿加固參數確定方法［J］.鐵道學報，2012，34（10）：115.

［7］ 鄧思遠，楊其新，蔣雅君，等.軟弱圍巖大斷面隧道環形開挖預留核心土法相關參數研究［J］.城市軌道交通研究，2016（3）：95.