双层钢架式隧道初期支护的分析与应用

李军伟

(广州诚信公路建设监理咨询有限公司,广东广州 510420)

双层钢架式隧道初期支护的分析与应用

李军伟

(广州诚信公路建设监理咨询有限公司,广东广州 510420)

伴随着我国经济建设的高速发展,全国交通路网建设呈现迅猛发展的态势,路网设计中也不断涌现出长大山岭隧道、城市浅埋隧道、海底隧道等建设难度较大的地下工程。我国是目前世界上隧道数量最多、地质最复杂、发展最快、工程施工穿越各类工程地质最多、施工难度最大、施工水平最高的国家。可以肯定的说隧道工程在我国的交通运输领域会有更加广阔的发展。本文中,笔者依据多年隧道施工管理经验,在结合结构理论分析和工程实践的基础上,对双层钢架式初期支护在隧道施工穿越软弱、无自稳能力围岩时的应用加以阐述。

双层钢架 软弱围岩 新奥法 柔性支护

隧道工程是不可逆的，一旦施工完成就不具备拆除重建的条件，而且施工过程中遇到的未知因素多，所有设计、施工方案必须科学合理。根据“新奥法”理论，围岩和支护结构共同受力以保持稳定，钢拱架、喷锚等柔性支护可以适应围岩在开挖后自稳过程中沉降变形，而最终二者形成一个受力整体，因而在隧道施工过程中需要控制围好岩变形并让其保持稳定。隧道施工过程中，可能遇到各种各样的复杂地质问题，地貌与气候、地质构造、岩体结构、岩体性质、地质环境等都会对其产生影响，而最长见的不利地质条件就是浅埋段、断裂破碎带、溶洞填充等围岩软弱、无自稳能力的情况。围岩软弱、甚至无自稳能力的情况下，初期支护既要有足够的强度、又要能够协调围岩趋于稳定中的变形，而双层钢架式隧道初期支护在一定程度上解决了这样的问题。

1 围岩及支护受力分析

“新奥法”理论将岩体视为连续介质，结合黏、弹、塑性理论，根据在岩体中开挖隧道后从变位产生到岩体破坏要有一个时间效应的性质，适时构筑柔性并能与围岩紧贴的支护结构来保护围岩的天然承载力，变围岩本身为支护机构购的一部分，使围岩与构筑的支护结构共同形成坚固的承载环，进而形成长期稳定的地下工程。按照“新奥法”理论，隧道二次混凝土衬砌作为安全储备和承受部分流变荷载、地震作用等，施工过程中必须按围岩稳定性情况进行初期支护参数的调整，确保其有足够的刚度和强度，并与围岩形成一个整体共同受力。

工程实践中，初期支护在软弱、浅埋、破碎等底层中施工时发生大变形、甚至破坏塌方的实例较多。究其原因，在这类情况下，围岩并未按理论参与受力，初期支护的计算实际受力与实际受力不符，按计算受力确定的支护强度无法满足支护需要。在上述地质情况下，为保证初期支护安全，必须采用较强的刚性支护、并尽可能加快支护速度。

2 双层钢架式初期支护方案和优点分析

2.1 双层钢架式隧道初期支护方案

第一层钢架采用型钢钢架以保证支护强度和刚度，第二层钢架采用格栅钢架以保证施工速度和后期整体强度。每层钢架均需要布设锁脚锚杆、挂钢筋网、喷射混凝土。由于围岩软弱，隧道开挖形成的平衡拱高度很大，拱部需要设计很长的锚杆才能打入稳定围岩中起到锚固作用，施工难度大、时间长、再次扰动围岩，存在不安全因素，故而拱部不设置系统锚杆。

2.2 优点分析

软弱、破碎等围岩自承能力较小，并在开挖后迅速下降，围岩形变压力迅速转化为松弛压力，很快进入松弛状态，即趋于失稳。采用导管、注浆等超前支护，可以使围岩自承力有一定提高，开挖后不会瞬间垮塌，为初期支护赢得时间。第一层钢架采用型钢钢架并设置锁脚锚杆、喷射混凝土，这种结构刚度大、强度高，在很大程度上能够限制软弱、破碎围岩的形变，并为后续第二层钢架施工争取时间。

第二层钢架采用格栅钢架，并设置锁脚锚杆、喷射混凝土，具备以下优点:(1)格栅钢架制作安装速度快。据统计，安装1榀型钢钢架的时间，同等条件下可安装4榀格栅钢架。采用格栅钢架可以加快施工速度，使支护尽早参与受力，进而增加整体支护强度、减少围岩变形和失稳的可能性。(2)格栅钢架在横断面x、y两个方向上具有等强度、等刚度、等稳定度，并具有相对柔性，容许围岩适度变形能力优于型钢钢架。(3)格栅钢架本身重量较轻，在能够大幅度提高施工速度的同时，减轻了支护自身的重量，能更好的提供支护阻力。(4)工程造价低，节约成本。

3 工程实践

某隧道初期支护发生大的沉降变形，在及时采取了在洞内加设50cm/榀套拱、周边注浆、增加竖向及斜向支撑等补强措施后，仍发生了坍塌事故。后经对坍塌段的补勘发现该段顶部地层为强风化砂岩，洞身处围岩为砂岩和灰岩，而且灰岩面存在大小不等的土洞或溶洞，最大空洞直径约13米，溶洞填充物大部分为粉质粘土，并含较多碎石土。

该隧道塌方处的坍塌物为典型的松散、软弱、破碎、无自稳能力围岩，施工难度大。经过专家论证，塌方处的施工初期支护采用双层钢架式。具体方案为:第一层钢架采用I22b型钢钢架，间距40cm，φ 8钢筋网20×20cm，喷射C20混凝土28cm，4.5m长φ25钢筋锁脚锚杆;第二层钢架为φ22钢筋加工成20×20cm格栅钢架，间距40cm，喷射C20混凝土20cm，4.5m长φ25钢筋锁脚锚杆。施工开挖方案采用双侧施工壁法，开挖前采用φ50小导管1×m布置并注1:1水泥浆进行超前支护。施工过程中控制开挖进尺，并加强监控量测工作。

从现场实际施工情况来开，施工顺利，施工过程中初期支护变形稳定，监控量测数据显示，二次衬砌施作前拱顶最大累计下沉量仅59mm，远远低于设计预留变形量200mm。

4 结语

双层钢架式隧道初期支护在隧道施工穿越软弱、破碎、松散底层时，是一种有效的支护方式，能够保证施工的顺利、安全。隧道工程是一个非常复杂、未知数很多大系统工程，施工过程中总会遇到各种各样的地质条件，怎样在不利的地质条件安全顺利施工，是所有隧道工程技术人员应该思考和总结的问题。通过不断总结经验、实践创新，相信我国的隧道工程事业的发展必将更加快速、和谐。

[1]《公路隧道施工技术规范》(JTG F60-2009).

[2]《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004).

[3]杨会军,王梦茹.隧道围岩变形影响因素分析[J].铁道学报,2006 (3):92-96.

[4]王梦茹.中国隧道及地下工程修建技术.人民交通出版社.