軟弱圍巖特大斷面偏壓隧道圍巖大變形控制措施探討

【摘要】

依托成都市東西城市軸線（東段）工程龍泉山二號隧道為工程背景，通過對超前小導管、系統錨桿的研究，形成了一套適用于軟弱圍巖特大斷面偏壓隧道圍巖大變形系統完整的組合支護方案。研究結果表明，布設整齊的超前小導管在掌子面前方一定范圍內形成類似拱殼的連續體，可主動承擔上方圍巖壓力，改善掌子面圍巖受力環境，同時小導管提供的抗剪力、抗拉力提高了整體的抗剪、抗彎能力，穩定了有滑移風險的巖體；相較于短錨桿，由于長錨桿已打入穩定巖層深處，將松動區巖塊錨固在穩定母體中，更能充分發揮錨桿的懸吊作用；工程實踐表明，采取“4.5 m超前小導管+6 m中空注漿錨桿”的組合支護方案可有效控制圍巖變形，降低隧道拱頂塌方風險。

【關鍵詞】

軟弱圍巖； 偏壓隧道； 大變形； 超前小導管； 組合支護方案

【中圖分類號】U456.3+1【文獻標志碼】A

［定稿日期］2023-08-01

［作者簡介］李燮（1983—），男，本科，工程師，主要從事施工技術工作。

［通信作者］任波（1987—），男，本科，工程師，主要從事工程技術工作。

0 引言

對于軟弱圍巖隧道，施工不當極易造成掌子面失穩塌方、初噴混凝土開裂、鋼拱架彎折等軟巖大變形誘發的不良現象［1-4］，嚴重影響隧道施工，威脅作業人員生命安全。

為此，國內外眾多學者對軟巖隧道的建設展開了大量研究。王亞東［5］采用大型有限元軟件MIDAS模擬了大斷面千枚巖公路隧道開挖支護全過程，通過記錄計算過程中各測點變形歷程，研究分析了千枚巖隧道的變形規律；李子運［6］結合數值計算、現場監測及室內試驗等多種手段研究分析了在不同圍壓下軟巖變形破壞過程，并揭示了隧道軟巖大變形孕育機理和圍巖變形特征；郭小雄［7］依托蘭渝鐵路毛羽山隧道為工程背景，采用數值計算研究分析了擠壓型軟巖隧道圍巖變形特征及破壞機理；雷明鋒等［8］借助模型試驗模擬了不同偏壓角軟巖偏壓隧道的開挖卸荷行為，系統分析了在不同偏壓角下隧道襯砌結構受力、圍巖變形規律，并總結了淺埋偏壓隧道的最終破化特征；Bizjak等［9］采用有限差分法建立數值模型分析了軟巖隧道開挖支護后圍巖應力場和位移場的演化規律，并分析了支護結構受力特征，研究結果表明，支護時間和支護結構剛度對控制隧道拱頂沉降起著關鍵性作用。王鐵男等［10-11］結合數值分析和現場實測的研究手段，通過對比分析在不同注漿范圍下隧道開挖后結構受力及圍巖變形特征比選出了超前小導管環向布設的最優范圍。

綜上，國內外大多學者對軟弱圍巖隧道的變形規律、支護結構受力特征等進行了深入的研究，并取得了顯著成果，而目前專門針對軟弱圍巖特大斷面偏壓隧道圍巖大變形控制的系統性研究還很匱乏，提出一套系統完整的軟巖大變形支護體系迫在眉睫。本文依托成都市東西城市軸線（東段）工程龍泉山二號隧道為工程背景，通過對超前小導管、系統錨桿的研究，形成了一套適用于軟弱圍巖特大斷面偏壓隧道圍巖大變形系統完整的組合支護方案，為類似工程科學組織施工提供依據。

1 工程概況

成都市東西城市軸線（東段）工程龍泉山二號隧道進口端為茶店鎮白果村，出口端為茶店鎮民主村，隧道設計為單洞雙向8車道，設計車速為80 km/h，隧道凈寬17.75 m，凈高5 m，掌子面最大開挖面積為231.4 m2，為國內外罕見的特大斷面隧道。隧道左洞起止里程為LK20+935～LK23+018，左洞全長2 083 m，右洞起止里程為RK20+972～RK23+070，全長2 098 m（圖1）。

如圖1所示，隧道穿越地層巖性以中風化—強風化泥巖為主，局部夾砂巖，整體巖性較差，巖質較軟，巖體較為破碎，圍巖等級主要為V級。開挖卸荷后，圍巖應力集中，為避免隧道因發生軟巖大變形導致拱頂失穩塌方，施工中應加強支護。同時隧道位于構造剝蝕低山地貌的龍泉山背斜西翼，場區起伏較大，高差懸殊，隧道洞身地質構造偏壓特征明顯。

2 小導管超前支護

2.1 超前支護選型

隧道圍巖主要為V級中風化～強風化泥巖，巖性較差，巖質較軟，巖體較為破碎，為避免隧道因開挖卸荷后發生軟巖大變形導而致拱頂失穩塌方，施工中應做好超前支護措施。

小導管作為一種常見的超前支護措施常用于隧道工程施工中［12-14］。超前小導管施作后，掌子面一定范圍內圍巖位移及地表沉降可得到有效控制，這是由于在開挖之前，超前小導管已將掌子面前方不穩定的巖塊連接起來，提高了松散破碎圍巖的整體性；其次，掌子面前方簡單堆積疊在一起的松散圍巖在超前支護作用下形成類似組合梁的整體，開挖卸荷后共同受力變形；同時，小導管提供的抗剪力、抗拉力提高了組合梁的整體抗剪、抗彎能力，穩定了有滑移風險的巖體，降低了掌子面失穩坍塌風險。小導管越長，開挖卸荷后拱頂沉降越小，控制效果越好，越有利于促進隧道掌子面穩定［15-16］。

2.2 超前小導管方案設計

超前小導管長初步設計為4.5 m，采用孔徑50 mm×5 mm的熱軋無縫鋼管，小導管布設范圍為拱頂120°范圍內，均布于隧道邊墻至拱頂部分，管棚插入角初步設計為20°，環向間距為0.4 m，為方便施工，超前小導管前端設計為尖錐狀，整體設計如圖2所示。

2.3 現場工藝

2.3.1 鋼管制作

超前小導管長度設計為4.5 m，為方便注漿，導管設計為有孔鋼花管，每間隔15 cm設置8 mm孔眼，通過孔眼注漿加固周圍土體，同時，為便于施工，將鋼管前端設計為錐形，尾部焊接6 mm加筋箍，注漿時，漿液填充至尾部0.5 m范圍外，鋼管具體制作工藝如圖3所示。

2.3.2 小導管施工

采用氣腿式鑿巖機按照設計方向鉆孔，鉆孔到設計位置后，先用高壓風、水清孔，然后頂進超前小導管，安裝鋼筋籠，封管，注0.8∶1水泥漿液（如地下水豐富，則采用水泥水玻璃雙漿液，水泥漿與水玻璃重量比 1∶0.5），注漿完畢充填M30水泥砂漿。

工藝流程為：開挖至設計位置—鉆機就位鉆孔—鉆孔質量檢驗—頂管—安裝止漿塞封孔—注漿（水泥漿或水泥水玻璃雙漿液）—注漿質量檢驗—安裝墊板—M30砂漿充填，具體施工工藝如圖4所示。

2.3.3 小導管注漿

避免初始漿液濃度過高，注漿采用跳孔注漿的方式進行，由下向上逐步注漿，注漿時還應采用分段注漿的方式，使漿液分布均勻；注漿壓力設為0.5～1.0 MPa，注漿后當注漿壓力達到2.0 MPa時停止注漿；漿液水灰比初步設置為 0.8∶1，根據注漿效果優化調整，注漿量采用式（1）計算：

Q=klm（1+n）（1）

式中：k為加固圍巖體積；l為填充率；m為填充系數；n為損耗系數。

3 錨桿加強支護

3.1 強化支護結構選型

為確保掌子面開挖穩定，有效控制圍巖變形，施工過程中除了采用超前小導管穩定掌子面前方圍巖外，還采取錨桿徑向加強支護圍巖的措施。大量研究表明錨桿具有改善圍巖力學參數，提高圍巖承載能力的作用，減少圍巖變形，可從源頭上解決軟弱圍巖大變形難題［17-18］。對于軟弱圍巖特大斷面偏壓隧道僅采用超前小導管單一支護措施而不能滿足現場需求的現狀，綜合考慮超前小導管結合錨桿的組合支護方式。

3.2 支護方案設計

工程實踐表明，長錨桿對洞周圍巖位移的控制效果更好，更能預防掌子面失穩坍塌。這是由于短錨桿并沒有錨入穩定巖層中，而是全部位于受開挖影響的松動區域內，相比之下，長錨桿已打入穩定巖層深處，將松動區巖塊錨固在穩定母體中，更能充分發揮錨桿的懸吊作用。從錨入穩定巖層深處的長錨桿對圍巖位移的控制效果更佳，更能有效控制掌子面上方圍巖沉降，通過現場錨桿參數比選，最終確定采用4.5 m超前小導管結合6 m中空注漿錨桿的組合支護方案。

如圖5所示，中空注漿錨桿按設計要求采用帶排氣孔的中空錨桿，擬采用雙管注漿，錨桿外徑為32 mm，呈梅花型布設，環縱間距設計為1.2 m×1.2 m，布設范圍為隧道拱墻位置，施工時垂直洞壁徑向打入。

3.3 現場工藝

按照設計圖紙要求布設錨桿后采用開挖臺車和鑿巖機進行鉆孔，成孔后進行清孔。將安裝好錨頭的中空注漿錨桿插入孔底，安裝止漿塞、墊板、螺母，然后連接注漿管，用注漿泵通過尾部向孔內注漿，漿液采用水泥砂漿，注漿壓力控制在0.3～1.0 MPa。注漿順序自下而上逐根進行，注漿后將止漿塞塞入鉆孔，用速凝水泥封孔防止漿液從端部漏出。

如圖6所示，錨桿施作具體工藝流程為：錨桿鉆孔測量放樣—鉆機就位—鉆孔角度定位—鉆孔—高壓空氣、水清孔—鉆孔質量檢查—錨桿打設—中空錨桿注漿—安裝墊板—錨桿質量檢查。

通過對拱頂沉降變形以及隧道洞周收斂變形的實時監測表明，現場施工安全一直處于可控狀態，說明采取“4.5 m超前小導管+6 m中空注漿錨桿”的組合支護方案可有效控制圍巖變形，降低隧道拱頂塌方風險，是合理可行的。

4 結束語

本文依托成都市東西城市軸線（東段）工程龍泉山二號隧道為工程背景，通過對超前小導管、系統錨桿的研究，形成了一套適用于軟弱圍巖特大斷面偏壓隧道圍巖大變形系統完整的組合支護方案，研究得到主要結論：

（1）超前小導管可事先將掌子面前方一定范圍的圍巖擠壓加固，形成一個類似拱殼的連續體，承擔上方圍巖壓力；同時小導管提供的抗剪力、抗拉力提高了整體的抗剪、抗彎能力，穩定了有滑移風險的巖體。

（2）錨桿具有改善圍巖力學參數，提高圍巖承載能力，減少圍巖變形的作用。由于長錨桿已打入穩定巖層深處，將松動區巖塊錨固在穩定母體中，更能充分發揮錨桿的懸吊作用，故而長錨桿對洞周圍巖位移的控制效果更好，更能預防掌子面失穩坍塌。通過現場參數比選，最終確定6 m長中空注漿錨桿作為強化支護措施。

（3）工程實踐表明，采取“4.5 m超前小導管+6 m中空注漿錨桿”的組合支護方案可有效控制圍巖變形，降低隧道拱頂塌方風險。

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