軟巖公路隧道緊急停車帶變截面段變形特征及加固方法

郭會(huì)杰， 陳麗俊*， 張立鑫， 王智佼， 鐘道川， 楊璐

(1.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院， 西安 710064； 2.甘肅長(zhǎng)達(dá)路業(yè)有限責(zé)任公司， 蘭州 730050)

隨著國(guó)家“西部大開發(fā)”和“交通強(qiáng)國(guó)”的持續(xù)推進(jìn)，中國(guó)的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)在發(fā)展過程中不可避免會(huì)遇到大量的長(zhǎng)大隧道[1-2]。為供車輛臨時(shí)發(fā)生故障或其他原因緊急停車使用，對(duì)于長(zhǎng)、特長(zhǎng)隧道，每隔一定距離需修建緊急停車帶，車道加寬、開挖斷面增大的同時(shí)，變截面段附近一定范圍內(nèi)的圍巖應(yīng)力分布會(huì)變得復(fù)雜，支護(hù)受力和變形增大，造成變截面段施工難度的增加[3-6]，尤其在軟巖隧道施工中，圍巖會(huì)出現(xiàn)明顯的非對(duì)稱變形[7-11]，進(jìn)而影響圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

關(guān)于隧道變截面段受力與變形特征，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者開展了較多研究。霍潤(rùn)科等[12]針對(duì)黃土隧道加寬段初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，通過數(shù)值分析驗(yàn)算了初期支護(hù)參數(shù)的合理性,并結(jié)合監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)。黃林華等[13]對(duì)中風(fēng)化玻屑凝灰?guī)r隧道變截面段的開挖以及支護(hù)進(jìn)行模擬計(jì)算，分析了圍巖應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析了變截面隧道的安全性，獲得了大斷面變截面隧道的最優(yōu)施工方法以及合理支護(hù)參數(shù)。孫志杰[14]采用三維有限元仿真的方法，對(duì)大斷面黃土加寬過渡段支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖變形規(guī)律進(jìn)行了研究，表明了加寬過渡段初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形呈現(xiàn)出的非對(duì)稱性，并提出應(yīng)對(duì)過渡段附近10 m范圍加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。周強(qiáng)[15]對(duì)砂巖隧道加寬段與正常段結(jié)合處的變截面過渡段進(jìn)行了研究，分析了過渡段圍巖的位移、應(yīng)力和塑性區(qū)特征，得出過渡段的最不利受力位置為變截面拱腰。方剛等[16]基于彈塑性有限元法對(duì)變截面大跨隧道段的開挖和支護(hù)全過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，表明了變截面大跨隧道采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法和三臺(tái)階開挖法可有效地控制變截面大跨隧道的應(yīng)力集中和變形。廖雄[17]以成蘭鐵路楊家坪隧道分合修過渡段為依托，研究了高地應(yīng)力條件下大跨變截面隧道施工變形規(guī)律及其變形控制措施。田古生[18]通過對(duì)漩口隧道加寬帶的施工全過程模擬，總結(jié)了灰?guī)r隧道圍巖變截面處變形及應(yīng)力的變化規(guī)律，揭示了變截面對(duì)隧道正常段斷面突變一側(cè)圍巖變形的影響明顯大于另一側(cè)，圍巖在拱腳及拱腰處于相對(duì)不安全的狀態(tài)，在施工時(shí)可適當(dāng)加強(qiáng)該位置的支護(hù)。喬世范等[19]針對(duì)強(qiáng)-中風(fēng)化凝灰?guī)r隧道，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值分析的方法，對(duì)正常段與加寬過渡段施工開挖斷面、施工方法、隧道埋深、跨度變化等多因素影響下隧道圍巖支護(hù)特性進(jìn)行了研究。

通過文獻(xiàn)調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有隧道變截面段的相關(guān)研究文獻(xiàn)主要針對(duì)砂巖、灰?guī)r、凝灰?guī)r等較硬質(zhì)巖隧道，圍巖分級(jí)主要為Ⅳ級(jí)，甚至Ⅲ級(jí)，圍巖變形普遍不大，針對(duì)變截面段的非對(duì)稱變形主要采用加強(qiáng)變截面附近一定范圍內(nèi)初期支護(hù)強(qiáng)度的方法。現(xiàn)有研究較少涉及容易發(fā)生大變形災(zāi)害的軟巖公路隧道，且缺乏針對(duì)軟巖公路隧道緊急停車帶變截面段的有效加固方法。鑒此，現(xiàn)以甘肅渭源至武都高速公路木寨嶺隧道典型軟巖段緊急停車帶為研究對(duì)象，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)軟巖公路緊急停車帶變截面段變形特征及加固方法進(jìn)行研究，以期為類似軟巖公路隧道緊急停車帶變截面段的變形控制提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

木寨嶺隧道位于西秦嶺低中山區(qū)，穿越漳河與洮河的分水嶺木寨嶺，橫跨漳縣、岷縣兩縣，為渭源至武都高速公路的控制性工程。隧道采用分離式雙向四車道設(shè)計(jì)，左線全長(zhǎng)為15 231 m，右線全長(zhǎng)為15 173 m，洞身最大埋深約629 m，屬特長(zhǎng)深埋隧道。隧道設(shè)計(jì)速度為80 km/h，隧道建筑限界凈高為 5 m，正常段建筑限界凈寬為10.25 m，最大開挖寬度為13.6 m，緊急停車帶建筑限界凈寬為13.25 m，最大開挖寬度為16.8 m。

1.2 工程地質(zhì)概況

隧址區(qū)海拔較高，山勢(shì)陡峻，溝谷深切呈“V”字形，自然坡度多大于50°。地面高程為2 416～3 133 m，相對(duì)高差為717 m。山脊巖體裸露，風(fēng)化嚴(yán)重，節(jié)理發(fā)育；山坡為坡積、殘積及第四紀(jì)薄層風(fēng)積黃土覆蓋，水土流失比較嚴(yán)重；溝谷狹窄，少階地。隧道全線圍巖級(jí)別均為V級(jí)，以炭質(zhì)板巖、炭質(zhì)千枚巖和砂紙板巖組成為軟硬互層圍巖為主，薄層狀構(gòu)造，受褶皺影響，節(jié)理裂隙較發(fā)育(圖1)。根據(jù)勘察結(jié)果，圍巖中存在高地應(yīng)力，主應(yīng)力方向?yàn)楸北睎|向，與線路夾角小于26°。圍巖穩(wěn)定性差，初期支護(hù)施作不及時(shí)易產(chǎn)生大變形及大坍塌。地下水主要為基巖裂隙水；施工時(shí)可能出現(xiàn)點(diǎn)滴狀或淋雨?duì)畛鏊?/p>

圖1 典型地層巖性Fig.1 Typical stratum lithology

1.3 隧道支護(hù)及施工工法

木寨嶺隧道緊急停車帶和正常段均采用三臺(tái)階環(huán)形開挖預(yù)留核心土法施工，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌，以十四號(hào)緊急停車帶附近段落為例，原設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)如下：緊急停車帶預(yù)留變形量為 40 cm；4.5 m長(zhǎng)(L)Φ42 mm超前注漿小導(dǎo)管，環(huán)向間距為40 cm，外插角α=10°；HW200鋼架，縱向間距為80 cm，掛Φ8 mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距為15 cm×15 cm，噴30 cm厚C25早強(qiáng)混凝土；65 cm厚C30鋼筋混凝土二次襯砌；正常段預(yù)留變形量為30 cm；4 m長(zhǎng)Φ42 mm超前注漿小導(dǎo)管，環(huán)向間距為 40 cm，外插角α=10°；HW175鋼架，縱向間距為 80 cm，掛Φ8 mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距為15 cm×15 cm；噴28 cm厚C25早強(qiáng)混凝土；50 cm厚C30鋼筋混凝土二次襯砌。隧道緊急停車帶與正常段典型斷面具體支護(hù)參數(shù)如圖2和圖3所示。

圖2 緊急停車帶典型斷面支護(hù)參數(shù)Fig.2 Support parameters of typical section at emergency parking belt

圖3 正常段典型斷面支護(hù)參數(shù)Fig.3 Support parameters of typical section at normal section

2 變截面段變形特征及原因分析

2.1 變形特征

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，隧道左線十四號(hào)緊急停車帶(ZK221+312)附近圍巖主要為薄層狀炭質(zhì)千枚巖，掌子面巖層近乎直立，走向與隧道軸線垂直，巖體松散破碎，且掌子面存在淋雨?duì)畛鏊?圖4)。當(dāng)隧道由緊急停車帶向正常段施工時(shí)，在斷面減小一側(cè)的初期支護(hù)施作后，隧道變形持續(xù)增大，難以穩(wěn)定，變形最大值位于上臺(tái)階右拱腳位置。從整體變形情況看，變截面后正常段初期支護(hù)產(chǎn)生了明顯的非對(duì)稱變形，變形主要集中在變截面后約15 m范圍內(nèi)(圖5)，并在上臺(tái)階右拱腳及右側(cè)邊墻出現(xiàn)了較大面積的混凝土開裂剝落，鋼架扭曲、鋼架接頭板張開、初期支護(hù)局部變形侵限等現(xiàn)象，而不得不進(jìn)行拆換拱處理。而且，拆換拱處理完成至二次襯砌澆筑之前噴射混凝土再次出現(xiàn)較為嚴(yán)重的開裂現(xiàn)象(圖6)，說明在初期支護(hù)閉合成環(huán)后，作用于初期支護(hù)上的圍巖壓力仍在不斷增長(zhǎng)，最終初期支護(hù)因荷載超過其承載力極限而發(fā)生破壞，并且還可能導(dǎo)致二次襯砌承受較大的圍巖壓力，進(jìn)而到影響隧道二次襯砌的長(zhǎng)期安全性。

圖4 左線掌子面圍巖Fig.4 Rock mass of left line tunnel face

圖5 初期支護(hù)變形侵限Fig.5 Invades limit of primary support

圖6 噴射混凝土開裂Fig.6 Cracked shotcrete

2.2 圍巖大變形原因分析

從隧道斷面突變、爆破擾動(dòng)影響、圍巖狀態(tài)和地下水的影響等幾方面進(jìn)行分析，隧道緊急停車帶變截面段發(fā)生大變形主要有如下原因。

(1)隧道斷面突變的影響。隧道由緊急停車帶向正常斷面施工時(shí)，一側(cè)斷面突然縮小，導(dǎo)致變截面一側(cè)(緊急停車帶端頭)的巖體同時(shí)存在縱向以及環(huán)向兩個(gè)臨空面，其所受約束條件與其他斷面具有明顯的差異。在開挖引起的應(yīng)力重分布作用下，緊急停車帶端頭圍巖易由于約束不足而產(chǎn)生較大變形。

(2)隧道爆破開挖擾動(dòng)的影響。緊急停車帶變截面段圍巖受到前期緊急停車帶施工的多次爆破振動(dòng)影響，必然會(huì)加劇變截面段圍巖的松散、破碎和松弛變形，而后期正常段爆破開挖也會(huì)加劇這一側(cè)圍巖的松散和破碎，使得圍巖穩(wěn)定性不斷下降，并導(dǎo)致該側(cè)初期支護(hù)承受較大的松散荷載而發(fā)生破壞。

(3)圍巖狀態(tài)與地下水的影響。變形破壞段落圍巖以薄層狀炭質(zhì)千枚巖為主，夾少量炭質(zhì)板巖和砂質(zhì)板巖，局部褶皺明顯，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，開挖擾動(dòng)后呈層狀碎裂結(jié)構(gòu)或碎裂結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性較差，且該區(qū)域地下水較為豐富，炭質(zhì)千枚巖遇水后易軟化，強(qiáng)度會(huì)急劇減小，使得圍巖穩(wěn)定性進(jìn)一步降低。

綜上，緊急停車帶端頭所受約束作用較弱，且斷面突變一側(cè)圍巖受到爆破施工的多次擾動(dòng)，加上地下水對(duì)圍巖的軟化作用，導(dǎo)致該側(cè)圍巖產(chǎn)生了較大的松弛變形，并引起了初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、破壞。對(duì)此，需對(duì)軟巖隧道緊急停車帶端頭進(jìn)行專門加固。

3 不同加固方案的數(shù)值模擬研究

關(guān)于軟巖隧道緊急停車帶變截面段的加固方法，以往主要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)變形情況，大多采取圍巖注漿加固和拆換拱等處理措施，但效果往往差強(qiáng)人意。鑒于小孔徑樹脂卷快速錨固預(yù)應(yīng)力錨索(簡(jiǎn)稱“小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索”)在交通軟巖隧道大變形控制實(shí)踐中取得的良好效果[20-24]，現(xiàn)提出采用小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)軟巖隧道緊急停車帶變截面段進(jìn)行加固。下面對(duì)不同加固方案的加固效果進(jìn)行數(shù)值模擬研究，為現(xiàn)場(chǎng)加固方案的確定提供參考。

3.1 數(shù)值計(jì)算模型的建立

圖7 三維計(jì)算模型Fig.7 Three-dimensional calculation model

數(shù)值模擬計(jì)算采用FLAC3D有限差分軟件，為消除邊界效應(yīng)對(duì)隧道開挖的影響，依據(jù)圣維南原理，隧道距邊界的最小尺寸取大于3倍洞徑[25]，故模型取：縱向(y軸)沿隧道開挖方向取100 m(加寬斷面50 m，正常斷面50 m)，水平方向(x軸)130 m，垂直方向(z軸)從基底向上取100 m。模型左右以及前后邊界施加水平約束，底部邊界施加垂直約束，頂部為自由邊界。隧道圍巖采用solid單元模擬，視為服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性材料，初期支護(hù)采用shell單元模擬，超前小導(dǎo)管及鎖腳錨管采用beam單元模擬，預(yù)應(yīng)力錨索采用cable單元模擬。三維計(jì)算模型如圖7所示。隧道埋深約為450 m，屬深埋隧道，初始地應(yīng)力根據(jù)設(shè)計(jì)勘測(cè)資料施加。為簡(jiǎn)化計(jì)算，初期支護(hù)鋼架及鋼筋網(wǎng)采用抗彎剛度等效的原則對(duì)初期支護(hù)噴射混凝土力學(xué)參數(shù)進(jìn)行加強(qiáng)。圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及相關(guān)規(guī)范選取，具體參數(shù)見表1、表2。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

3.2 不同加固方案的數(shù)值模擬

模擬施工步驟為先進(jìn)行加寬段施工，再進(jìn)行正常段施工，均采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法，每步掘進(jìn)1.6 m。分別對(duì)以下4種不同工況進(jìn)行模擬。

工況一：采用原設(shè)計(jì)支護(hù)方案，緊急停車帶端頭不采取專門加固措施。

工況二：在原設(shè)計(jì)支護(hù)方案基礎(chǔ)上，在緊急停車帶端頭表面增設(shè)縱向預(yù)應(yīng)力錨索。

工況三：在原設(shè)計(jì)支護(hù)方案基礎(chǔ)上，在緊急停車帶端頭起沿正常段縱向16 m范圍內(nèi)，增設(shè)環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨索。

工況四：在原設(shè)計(jì)支護(hù)方案基礎(chǔ)上，同時(shí)增加緊急停車帶端頭的縱向預(yù)應(yīng)力錨索和正常段16 m范圍內(nèi)的環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨索。

模擬中錨索長(zhǎng)度均采用10 m，其中自由段長(zhǎng)度為8.5 m，錨固段長(zhǎng)度為1.5 m，施加預(yù)應(yīng)力為 300 kN，各工況錨索的具體布置數(shù)量與位置見圖8所示。

圖8 預(yù)應(yīng)力錨索布設(shè)位置示意圖Fig.8 Position schematic diagram of prestressed anchor cable

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，對(duì)4種不同工況下變截面段正常斷面的圍巖豎向位移及水平位移情況進(jìn)行分析，如圖9和圖10所示。提取拱頂及兩側(cè)中、上臺(tái)階拱腳關(guān)鍵點(diǎn)處的圍巖最大豎向位移與最大水平位移分別列于表3和表4。

由圖9及表3可知，工況一中圍巖豎向位移在變截面后約15 m范圍內(nèi)呈現(xiàn)出明顯的左右不對(duì)稱性，具體表現(xiàn)為左側(cè)的變形明顯大于右側(cè)，同一斷面內(nèi)圍巖豎向位移最大值發(fā)生在上臺(tái)階左拱腳；從變形的縱向分布來看，上臺(tái)階左拱腳處的豎向位移沿隧道縱向變化最為明顯，其值隨著與變截面距離的增大而出現(xiàn)先增再減的分布規(guī)律，最大值出現(xiàn)在變截面后約8 m位置處，達(dá)45.1 cm。工況二、三、四由于采取了加固措施，變截面一側(cè)各點(diǎn)的豎向位移均有了不同程度的減小，其中工況四的位移控制效果最好，豎向位移最大值減小至31.5 cm，位置同樣位于上臺(tái)階左拱腳，左右兩側(cè)拱腳的非對(duì)稱變形顯著較小，且圍巖豎向位移沿隧道縱向分布較為均勻。

由圖10和表4可知，工況一中圍巖最大水平位移值出現(xiàn)在兩側(cè)中臺(tái)階拱腳，同一斷面左側(cè)拱腳的位移值明顯大于右側(cè)，最大值達(dá)29.3 cm，這種趨勢(shì)隨著斷面遠(yuǎn)離變截面而逐漸減小；工況二的水平位移分布規(guī)律與工況一大致相似，但各點(diǎn)處位移值略有降低；采用工況三和工況四時(shí)，中臺(tái)階左拱腳處的水平位移明顯減小，分別降低到21.8 cm和 20.2 cm，斷面水平位移基本呈對(duì)稱分布。

圖10 圍巖水平位移云圖Fig.10 Horizontal displacement nephogram of rock mass

表3 最大豎向位移Table 3 Maximum vertical displacement

表4 最大水平位移

通過對(duì)圍巖豎向和水平位移的對(duì)比可以看出，采用工況一方案時(shí)斷面左右兩側(cè)呈現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱變形，受變截面影響而導(dǎo)致斷面左側(cè)的圍巖位移明顯大于右側(cè)，上臺(tái)階拱腳部位變形已經(jīng)嚴(yán)重超過了設(shè)計(jì)預(yù)留變形量；采用工況二方案時(shí)對(duì)圍巖變形有一定控制作用，但效果并不明顯；工況四方案由于同時(shí)采用了縱向與環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨索，加固效果最為明顯，有效控制了變截面一側(cè)的圍巖位移，斷面變形基本呈對(duì)稱分布，除上臺(tái)階左拱腳略微超過了開挖預(yù)留變形量外，其他各點(diǎn)均滿足變形要求。在實(shí)際施工中可考慮增加錨索數(shù)量或適當(dāng)增大預(yù)留變形量，以防止變形侵限。

5 加固方案的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

隧道左線十四號(hào)緊急停車帶在變截面處施工時(shí)出現(xiàn)了初期支護(hù)變形侵限和破壞的問題而不得不進(jìn)行拆換拱處理，嚴(yán)重影響了施工安全和進(jìn)度。右線施工滯后于左線，當(dāng)隧道施工至右線十四號(hào)緊急停車帶(K221+220)時(shí)，觀察發(fā)現(xiàn)該處地質(zhì)條件與左線較為類似，圍巖主要為薄層狀炭質(zhì)千枚巖，巖層接近直立，略微向臨空面傾斜，走向與隧道軸線呈大角度相交，巖體松散破碎，局部存在一定的滲流地下水，圍巖整體穩(wěn)定性較差(圖11)。

圖11 右線掌子面圍巖Fig.11 Rock mass of right line tunnel face

考慮到左右線兩處緊急停車帶位置較為接近，圍巖情況基本類似，若右線緊急停車帶變截面處(樁號(hào)K221+195)僅采用原支護(hù)方案進(jìn)行施工則會(huì)有較大的施工風(fēng)險(xiǎn)，在隧道右線十四號(hào)緊急停車帶變截面段施工時(shí)采用了預(yù)應(yīng)力錨索加固的方案。根據(jù)不同加固方案的數(shù)值模擬研究，現(xiàn)場(chǎng)選用了在原設(shè)計(jì)施工方案基礎(chǔ)上，同時(shí)增設(shè)“縱向錨索+環(huán)向錨索”的加固方案，錨索數(shù)量與布置位置如圖8(c)所示，緊急停車帶端頭打設(shè)縱向預(yù)應(yīng)力錨索6根，變截面后的正常斷面在上、中臺(tái)階拱腳的每一榀鋼架間隔分別打設(shè)1根和2根，圖12為預(yù)應(yīng)力錨索的現(xiàn)場(chǎng)施工圖。施工工法采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法，為防止初期支護(hù)變形侵限將預(yù)留變形量調(diào)整為40 cm。在每循環(huán)噴射混凝土施作完成并達(dá)到一定強(qiáng)度后在混凝土表面打設(shè)錨索，錨索施工采用氣動(dòng)式錨桿鉆機(jī)鉆孔，Z2360樹脂錨固劑進(jìn)行錨固，隨后用錨具固定錨墊板，相鄰錨索之間采用高強(qiáng)W型鋼帶連接，并采用專用的張拉機(jī)具對(duì)錨索施加預(yù)應(yīng)力。

圖12 預(yù)應(yīng)力錨索現(xiàn)場(chǎng)施工圖Fig.12 Construction conditions of prestressed anchor cable

從支護(hù)作用原理上分析，借助初期支護(hù)和鋼帶，在初期支護(hù)表面施作的環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨索可將施加的預(yù)應(yīng)力充分?jǐn)U散至圍巖中，對(duì)圍巖產(chǎn)生主動(dòng)擠壓作用，同時(shí)能夠提高初期支護(hù)及圍巖的整體穩(wěn)定性和承載能力，進(jìn)而與隧道襯砌結(jié)構(gòu)共同抵抗圍巖荷載。此外，環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨索還能起到約束初期支護(hù)拱腳位移的作用，避免上、中臺(tái)階和中、下臺(tái)階鋼架連接板處等薄弱部位的變形侵限。而緊急停車帶端頭設(shè)置的縱向預(yù)應(yīng)力錨索可加強(qiáng)對(duì)端頭圍巖的縱向約束，提高端頭圍巖的穩(wěn)定性。顯然，通過采用縱向+環(huán)向布置的預(yù)應(yīng)力錨索加固方案，則可使緊急停車帶端頭附近圍巖整體處于三向應(yīng)力狀態(tài)，可以有效抑制圍巖松弛變形，進(jìn)而提高緊急停車帶端頭變截面段圍巖的整體穩(wěn)定性。

為研究加固方案對(duì)隧道變形的實(shí)際控制效果，在隧道變截面段選取典型斷面(斷面K221+190)，采用全站儀對(duì)隧道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降和水平收斂進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。圖13和圖14分別為斷面K221+190各測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降和累計(jì)最大水平相對(duì)收斂的時(shí)態(tài)曲線。

圖13 累計(jì)沉降變形時(shí)態(tài)曲線Fig.13 Time curves of cumulative settlement deformation

圖14 累計(jì)最大水平相對(duì)收斂變形時(shí)態(tài)曲線Fig.14 Time curves of cumulative maximum horizontal relative convergence deformation

由圖13和圖14可知，各測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降曲線變形規(guī)律大致相同，上中臺(tái)階開挖后圍巖變形進(jìn)行快速發(fā)展階段，這一階段產(chǎn)生的變形占總變形量約66.9%～79.2%，下臺(tái)階支護(hù)施作完成后圍巖變形速率明顯減小，沉降變形進(jìn)入緩慢發(fā)展階段并逐漸趨于穩(wěn)定，上臺(tái)階左拱腳的沉降變形最大，累計(jì)變形量為28.4 cm，大于拱頂?shù)?7.2 cm和上臺(tái)階右拱腳的23.8 cm，隧道左右兩側(cè)不可避免地存在一定的差異沉降，但并不明顯；隧道水平相對(duì)收斂在中臺(tái)階施作后6 d內(nèi)變形快速增長(zhǎng)，到下臺(tái)階初期支護(hù)落底完成后變形速率有所減緩但仍以約1.3 cm/d的速率持續(xù)增長(zhǎng)，到仰拱施作完成后變形逐漸趨于穩(wěn)定，累計(jì)最大水平收斂變形量為33.8 cm，數(shù)值模擬所得到的水平收斂為35.5 cm，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值較為接近。

圖15為采用原設(shè)計(jì)方案和加固方案的現(xiàn)場(chǎng)施工效果對(duì)比，通過采取上述縱向+環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨索的加固方案，右線緊急停車帶變截面段的圍巖變形得到了有效控制，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)整體完好，各測(cè)點(diǎn)的圍巖變形均未超過預(yù)留變形量，滿足了隧道的變形控制要求，保證了二次襯砌的施作厚度滿足設(shè)計(jì)要求，初期支護(hù)變形侵限、破壞問題得到了有效解決。

圖15 新舊方案施工效果對(duì)比Fig.15 Comparison of construction effect between original scheme and new scheme

6 結(jié)論

以甘肅渭源至武都高速公路木寨嶺隧道工程為依托，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)軟巖公路緊急停車帶變截面段變形特征及加固方法進(jìn)行了研究，得到了以下主要結(jié)論。

(1)隧道由緊急停車道向正常段施工時(shí)，正常段距離緊急停車帶端頭約15 m范圍內(nèi)斷面突變一側(cè)圍巖變形明顯大于另一側(cè)，位移最大值出現(xiàn)在上臺(tái)階拱腳，并且出現(xiàn)了噴射混凝土開裂、鋼架扭曲和局部變形侵限現(xiàn)象。

(2)緊急停車帶變截面一側(cè)圍巖受到了爆破施工的多次擾動(dòng)，同時(shí)緊急停車帶端頭所受支護(hù)的約束作用較弱，加上受地下水影響，導(dǎo)致變截面一側(cè)圍巖產(chǎn)生了較大的松弛變形。

(3)縱向預(yù)應(yīng)力錨索+環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨索的加固方案明顯優(yōu)于單純采用縱向預(yù)應(yīng)力錨索或環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨索的加固方案，可使緊急停車帶端頭附近圍巖處于三向應(yīng)力狀態(tài)，提高圍巖整體穩(wěn)定性。

(4)縱向預(yù)應(yīng)力錨索+環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨索的加固方案可以有效抑制緊急停車帶端頭附近圍巖松弛變形，提高變截面一側(cè)圍巖整體穩(wěn)定性，減小變截面段圍巖非對(duì)稱變形。