不同斷面形式隧道軟巖大變形破壞機理及控制技術

殷洪波

摘 要：軟巖隧道擠壓變形是施工中的突出難題，文章以昆玉鐵路寶峰隧道為例，基于現場正洞及斜井隧道大變形情況，結合有限元極限分析法，對比分析了不同斷面形式下泥質板巖隧道大變形特征，并針對不同的斷面形式，提出了不同的加強支護措施保持隧道的穩定性，為軟巖環境下隧道支護提供了參考依據。

關鍵詞：高地應力 大變形 極限分析法

1.工程概況

寶峰隧道穿越云南省昆明市晉寧縣與玉溪市紅塔區兩地，全長7377m，隧道穿越元古界昆陽群板巖夾砂巖地層，該巖層呈褐黃、褐紅、灰綠、暗紫灰色，薄層狀，泥質結構，受構造影響，隧道地應力較大，為典型軟巖隧道。在施工過程中，隧道正洞及斜井均發生了不同程度的大變形。

通過對比正洞與斜井的大變形發現，對于正洞隧道，隧道的拱頂及邊墻均有不同程度的大變形發生，且隧道的拱頂沉降值大于單側邊墻的橫向變形，即在昆玉鐵路寶峰隧道正洞出口處泥質板巖地層中，主要發生的是以拱頂沉降為主導且伴隨有邊墻變形的初期支護大變形現象；而對于斜井隧道，隧道變形主要因邊墻收斂為主，且大部分段落隧道拱頂變形很小。

2.基于極限分析法的大變形機理分析

發生大變形段的隧道埋深在80～120m之間，為了便于分析，取埋深為100m進行計算。以現有圍巖及地應力條件為基礎，引入強度折減法計算毛洞狀態下隧道的破壞形態以及安全系數。計算斷面分為兩種：一種為正洞曲邊墻斷面；一種為斜井直邊墻斷面。圍巖采用相同的計算參數，見表1。

強度折減法的實質是在外荷載一定的條件下，不斷折減材料強度，直至所分析對象不斷逼近其承載極限，也就是發生破壞與不破壞之間的臨界狀態，此時的材料強度折減系數可以理解成研究對象為防止特定破壞類型所具備的安全富裕度（安全系數）。在計算時應對表征土體抗剪強度的材料參數即土體的內摩擦角（φ）與粘聚力（c）按式（1）進行折減。

式（2）中：τ′-為折減后的土體抗剪強度，kPa；c′-為折減后的土體粘聚力，kPa；φ′-為折減后的土體內摩擦角，°；F-為強度折減系數。

對于剪切破壞機制為主的材料，當材料破壞時，存在一個臨界的塑性剪應變值作為界定破壞的依據，因此完全可以通過塑性剪應變來定義一個評價材料變形破壞過程中損傷程度的指標，本次以塑性剪切應變值的發展作為圍巖破壞趨勢的評價標準，通過圍巖剪切強度及剪切模量計算得出當塑形剪切應變>3.4e-3時即可認為圍巖破壞，經過計算正洞斷面毛洞狀態下安全系數為0.6，斜井斷面安全系數為0.7。正洞和斜井斷面塑性剪切應變云圖分別見圖1和圖2。

分析圖1和圖2可看出：

（1）對于隧道斷面變形，正洞斷面中隧道變形主要表現為拱頂沉降，邊墻收斂較拱頂沉降程度較輕。斜井斷面中以邊墻收斂為主，拱頂沉降不明顯。整體變形趨勢與現場變形基本吻合。

（2）由圖1可看出，正洞隧道破壞主要分為兩部分：拱部圍巖形成的類似于塌落拱的破壞以及邊墻處的圍巖剪切滑移破壞。形成的塌落拱高度約為1.5倍隧道高度，故若不增加輔助措施，僅靠初期支護，是無法保證隧道施工期間穩定的。

（3）由圖2可看出，斜井隧道主要以兩側邊墻剪切滑移破壞為主，破壞范圍約為1倍隧道寬度，在增加輔助措施時應重點考慮保證邊墻處的穩定。

正洞及斜井開挖區域無構造應力，其主應力為圍巖自重作用引起的豎向應力，故本工程中隧道大變形的主要原因為在自重應力場作用下邊墻兩側剪切滑移破壞而產生的擠壓變形，其主要表現形式為邊墻兩側向內收斂形成大變形，破壞形式如圖2所示（直墻斷面形式）。但對于相同條件下的曲墻邊墻并未發生嚴重的剪切滑移破壞，這主要是因為曲墻斷面形式對破壞形態的改變：當斷面設置為曲墻時，人為將直邊墻斷面圍巖剪切滑移破壞范圍挖除，使剪切滑移面由邊墻遷移至墻腳，故由墻腳剪切滑移破壞帶動拱部整體下移，形成如圖1所示的破壞形式。

3.支護措施討論

根據上述分析，由于正洞及斜井的破壞形態的不同，其對應的支護控制措施也不盡相同。

本工程中對于正洞的支護控制理念為控制拱部變形以及通過支護措施抑制墻腳發生剪切滑移破壞，故采取的主要方案及措施為：設置三臺階臨時仰拱法施工，全環設I22b工字鋼鋼架，縱向間距0.5m；拱部設φ42mm超前小導管注漿加固，每根長3.5m，環向間距0.3m，縱向間距2m。各臺階腳均設置縱向槽鋼和4根φ42mm鎖腳錨管，縱向連接鋼筋間距0.5m“Z”字形布置，當監控量測數據顯示日變形量>5mm或累計變形量>100mm時，應增加橫、豎支撐以限制變形，必要時在變形較大部位實施局部徑向φ42mm鋼花管注漿加固措施。

本工程中對于斜井的支護控制理念為控制斜井邊墻位移，通過加強支護剛度、增加錨桿長度等方式防止直邊墻處發生剪切滑移破壞，故采取的主要方案及措施為：設置臺階臨時仰拱法施工，全環設I22b工字鋼鋼架，縱向間距0.5m；邊墻處打設3.5m長錨桿，當監控量測數據顯示日變形量>5mm或累計變形量>100mm時，應增加豎支撐以限制變形，必要時在變形較大部位實施局部徑向φ42mm鋼花管注漿加固。

由于大變形是圍巖巖性、地下水以及地質構造等共同作用的結果，在保證支護強度的同時還應全面考慮：

（1）加強施工期間的綜合超前地質預報工作，預判前后施工存在的風險，地質預報以超前探孔為主，在探明前方地質條件的同時，能提前疏排地下水。地下水發育時增加超前探孔至3～5孔。

（2）加強監控量測工作及數據整理分析，其成果信息應及時反饋以指導施工，并根據監測結果適時調整預留變形量；當監測數據顯示變形較大時，及時采取橫、豎支撐及徑向加固等措施限制變形進一步發展。

（3）目前各工區變形以拱部初支突降為主，主要發生在中、下臺階開挖時，現場施工中應加強超前支護、鎖腳錨管、系統錨桿、縱向連接筋、縱向墊腳槽鋼的施工工藝，確保施工質量。

（4）掌子面存在地下水時，應及時將地下水歸槽，各臺階基底積水應及時抽排，避免積水軟化基底；各臺階鋼架腳與臺階面的空隙應采用混凝土墊塊或型鋼或木板等墊實，不得懸空或放在虛碴上。

（5）施工中應做到快速施工，快速封閉成環，仰拱、二襯緊跟。

4.結束語

綜上所述，不同的斷面形式，大變形的表現形式不同。在本工程中，正洞與斜井圍巖條件基本相同，地應力條件也基本相同，但曲邊墻斷面的大變形表現形式為拱頂沉降為主，直邊墻斷面的表現形式為邊墻收斂為主；對于正洞的支護控制理念為控制拱部變形以及通過支護措施抑制墻腳發生剪切滑移破壞，對于斜井的支護控制理念為控制斜井邊墻位移，通過加強支護剛度、增加錨桿長度等方式防止直邊墻處發生剪切滑移破壞，必要時也宜調整為曲墻結構。

參考文獻：

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