軟巖隧道大變形控制及預(yù)留變形量研究

楊朝棟

(四川綿九高速公路有限責(zé)任公司，四川綿陽621000)

在山區(qū)隧道修建過程中難免遇到地質(zhì)條件較差的軟巖隧道[1]，軟巖隧道受到土體擠壓會產(chǎn)生大變形[2-4]，造成隧道襯砌開裂、侵限等問題，給隧道的施工安全帶來極大考驗(yàn)，因而有必要針對軟巖隧道，通過現(xiàn)場情況以及反饋的信息，對大變形的控制措施以及預(yù)留變形量展開研究。

在大變形控制措施研究方面，汪耀等[5]針對中等強(qiáng)烈大變形采用優(yōu)化支護(hù)、加大預(yù)留變形以及先放后抗等措施控制了大變形，張金龍等[6]通過數(shù)值模擬對注漿、優(yōu)化斷面等措施進(jìn)行了優(yōu)化。在軟巖隧道預(yù)留變形量研究方面，陳雷等[7]結(jié)合昆明北羊街隧道工程，探究了不同埋深及圍巖等級下隧道圍巖變化規(guī)律及預(yù)留變形量。孫國凱[8]結(jié)合數(shù)值模擬以及現(xiàn)場監(jiān)測對淺埋大斷面軟巖隧道的預(yù)留變形量展開研究，得出IV級、V級圍巖的合理預(yù)留變形量。張梅等[9]通過預(yù)留變形法，解決了高地應(yīng)力軟巖隧道施工中的應(yīng)力釋放問題。

綜上，關(guān)于軟巖隧道的大變形的控制及預(yù)留變形量均有一定研究，但研究大多針對某一隧道，控制措施及預(yù)留變形量的適用性有待考證。因而有必要對針對軟巖隧道，更深入系統(tǒng)的研究軟巖隧道大變形的控制措施及合理的預(yù)留變形量。有鑒于此，本文以九綿高速梅家溝以及水牛家軟巖隧道為依托，通過現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)情況以及反饋的信息，對軟巖大變形控制措施及預(yù)留變形量展開研究，提出相應(yīng)的大變形控制措施及不同襯砌類型合理的預(yù)留變形量，為軟巖隧道的安全施工提供參考。

1 工程背景

九綿高速起于四川省和甘肅省交界處的青龍橋附近，止于綿陽市游仙區(qū)張家坪附近，跨越九寨溝縣、平武縣、北川縣、江油市、綿陽市游仙區(qū)。線路全長244.026km，隧道總長121km/42座，沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，生態(tài)敏感，自施工以來，多座隧道出現(xiàn)軟巖大變形問題。

本文主要探究九綿高速中梅家溝隧道以及水牛家隧道2座軟巖隧道。梅家溝隧道圍巖條件較差，土體較軟，在水流作用下易發(fā)生危險；水牛家隧道隧道左右線進(jìn)口段位于斜坡上，斜坡自然坡度30°～45°，坡體植被茂盛，無沖溝發(fā)育，基本無匯水條件，斜坡現(xiàn)狀穩(wěn)定。隧址區(qū)內(nèi)不良地質(zhì)現(xiàn)象主要為危巖崩塌和泥石流。特別是危巖崩塌對隧道進(jìn)出口影響較大。

在軟弱圍巖作用下，梅家溝以及水牛家2座隧道出現(xiàn)了大變形，造成了鋼拱架連接受剪切破壞、初支開裂、剝落等現(xiàn)象，給隧道的施工以及安全帶來了極大的挑戰(zhàn)。

2 大變形控制措施

針對梅家溝以及水牛家隧道大變形的問題，現(xiàn)場采用了一系列措施來抑制大變形(表1)。

梅家溝隧道現(xiàn)場成功處置案例如表1所示，從梅家溝隧道現(xiàn)場的成功經(jīng)驗(yàn)中可以看到增加斜撐，補(bǔ)打中空注漿錨桿，及時施作仰拱，采用長鎖腳錨桿+長短錨桿是控制大變形較為有效的措施。相關(guān)措施如圖1～圖3所示。

表1 梅家溝隧道現(xiàn)場大變形處置措施

圖1 中空注漿錨桿施工

圖2 鎖腳錨桿施工

圖3 長短錨桿+長鎖腳錨桿

水牛家隧道現(xiàn)場成功處置主要有打設(shè)小導(dǎo)管注漿加固、增加仰拱、圍巖注漿加固、進(jìn)行超挖控制、加強(qiáng)拱架縱向連接、二襯臺車早進(jìn)場早襯砌、增大鎖腳及預(yù)留變形量以及采用超短臺階、微臺階與三臺階預(yù)留核心土法等，現(xiàn)場小導(dǎo)管注漿如圖4所示。

圖4 小導(dǎo)管注漿示意

3 基于現(xiàn)場情況的預(yù)留變形量研究

3.1 不同襯砌類型洞周變形統(tǒng)計(jì)

選取梅家溝隧道左右線Da、Db、Dc、Z5af、Dc-1等襯砌類型監(jiān)測斷面共16組的拱頂下沉及周邊收斂時程曲線，分別對左右線相同襯砌類型下的監(jiān)測斷面進(jìn)行速率及累計(jì)值統(tǒng)計(jì)(表2)，上述襯砌類型預(yù)留變形均為300mm。區(qū)別在于：Da采用φ32mm自進(jìn)式錨桿，長800cm，φ42×4mm注漿小導(dǎo)管，外層初期支護(hù)采用I20b工字鋼，拱架間距為0.5m/榀，若變形達(dá)到20cm，且變形沒有收斂趨勢，立即施作內(nèi)層初期支護(hù)，內(nèi)層初期支護(hù)采用I18工字鋼，拱架間距為0.5m/榀。Db采用，φ32mm自進(jìn)式錨桿，長600cm，，φ42×4mm注漿小導(dǎo)管3.5m，初期支護(hù)采用I20b工字鋼，拱架間距為0.5m/榀。Dc采用φ22mm藥卷錨桿，長350cm，初期支護(hù)采用I20b工字鋼，拱架間距為0.6m/榀。Z5af采用φ22mm藥卷錨桿，長350cm，φ25mm自進(jìn)式錨桿長600cm，初期支護(hù)采用I22b工字鋼，拱架間距為0.5m/榀。Dc-1拱頂120°范圍之外設(shè)6m長φ25mm自進(jìn)式錨桿，φ22mm藥卷錨桿，采用工字鋼為I20b，間距0.5m/榀。

從表2可得，本標(biāo)段所監(jiān)測軟巖隧道以收斂大變形為主，累計(jì)值占預(yù)留量的60%～100%，拱頂下沉較小，累計(jì)值占預(yù)留量的20%～40%。不同襯砌類型下，大變形發(fā)生的部位大多出現(xiàn)在掌子面以及下臺階位置，周邊收斂速度顯著大于拱頂下沉速度。

3.2 軟巖隧道預(yù)留變形量統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)前文中的5種襯砌(Da、Db、Dc、Z5af、Dc-1)在梅家溝隧道、水牛家隧道左右線不同監(jiān)測斷面下的拱頂沉降以及周邊收斂累計(jì)變形量(圖5)，以此為基礎(chǔ)確定軟巖隧道下不同襯砌類型的預(yù)留變形量。

通過對上述數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，對不同支護(hù)類型下的建議預(yù)留量作出建議如表3所示。

圖5 軟巖隧道預(yù)留變形量統(tǒng)計(jì)

表3 不同襯砌類型預(yù)留變形量建議值 單位:mm

4 結(jié)論

本文以九綿高速梅家溝以及水牛家軟巖隧道為依托，通過現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)情況以及反饋的信息，對軟巖隧道大變形控制措施及預(yù)留變形量展開研究，提出大變形控制措施及不同襯砌類型下合理的預(yù)留變形量，為軟巖隧道的安全施工提供參考。主要研究結(jié)論有：

(1)為控制大變形，可采用增設(shè)斜撐、采用長鎖腳錨桿+長短錨桿、及時施作仰拱、注漿加固、加強(qiáng)拱架縱向連接、增大鎖腳及預(yù)留變形量以及采用超短臺階、微臺階等。

(2)梅家溝隧道以收斂大變形為主，拱頂下沉較小，收斂大變形以及拱頂下沉占預(yù)留變形量的比值分別為60%～100%和20%～40%。大變形發(fā)生部位主要在下臺階和掌子面。

(3)通過統(tǒng)計(jì)不同襯砌類型下梅家溝以及水牛家隧道左右線不同斷面位置處的拱頂沉降以及周邊收斂累計(jì)值，提出不同襯砌類型的預(yù)留變形量建議值。