软弱围岩隧道掌子面稳定性模拟分析与加固处治措施

■林荣光

（福州中咨工程咨询有限公司，闽侯　350108）

软弱围岩隧道掌子面稳定性模拟分析与加固处治措施

■林荣光

（福州中咨工程咨询有限公司，闽侯350108）

本文以省道304线尤溪西城至八字桥公路改建工程吊公岭隧道、湆头岭隧道为工程背景，采用有限元分析软件对掌子面稳定性进行模拟分析，在对掌子面加固、提高初支强度等措施效果分析的基础上，依托工程采用管棚法对掌子面进行加固，效果良好，可为同类工程施工提供一定的参考。

软弱围岩隧道施工掌子面稳定支护加固

0　前言

隧道软弱围岩的安全施工不仅要满足工程工期要求，也是避免人员伤亡和经济损失的有效保障。如何解决软弱围岩中隧道施工安全问题，提高围岩的自稳能力，保证开挖及后续作业的正常进行，是隧道施工成败的关键。

1　工程概况

吊公岭隧道、湆头岭隧道两座隧道长分别为900m和560m，隧道建筑限界为：净宽7.5m，净高5.0m。其中吊公岭隧道进口落于R=610m圆曲线内，出口落于R=650m圆曲线内，围岩分级：Ⅴ级209m、Ⅳ级级203m、Ⅲ级480m；湆头岭隧道进口位于直线段，出口落于R=800m圆曲线内，围岩分级：Ⅴ级160m、Ⅳ级190m、Ⅲ级200m。隧址区洞口段隧洞围岩以强风化花岗岩和残积土为主，自稳能力差，当日或数日可发生松动变形，进而发生坍塌；隧洞洞身段围岩以中风化花岗岩为主，属较硬岩，裂隙发育一般，围岩以巨块状结构或大块状结构为主，部分节理发育较密集，跨度5m，一般有自稳能力，数日或数月内可发生松动变形、会产生局部坍塌；局部围岩为花岗岩和粉砂岩断层接触带，裂隙发育、围岩破碎，结构为碎镶嵌结构为主，并有断层泥，无自稳能力，易发生大塌方。总体围岩级别偏低以Ⅳ、Ⅴ类围岩为主。

以上隧道施工过程中，V级围岩段落局部掌子面由于存在地质断层及局部涌水量过大等原因发生过中小规模的崩塌，由于发现及时、预判准确，采取合理有效的加固措施，使掌子面崩塌问题得到及时有效的解决，确保了施工安全与工程质量。

2　软弱围岩对掌子面稳定性模拟分析

为研究吊公岭隧道、湆头岭隧道施工围岩稳定性问题，采用数值分析手段，建立三维模型模拟分析隧道相同条件下相向和单向施工引起的围岩应力与位移场特征。

2.1模型建立

采用FLAC3D对隧道临近贯通段进行模拟分析，建立如图1所示模型（60m×60m×70m），隧道拱顶至地表取2倍隧道开挖高度（10m）。模型边界条件：底部为固定边界，四侧面为法向约束边界，上部边界到地表的岩体以自重荷载的形式作用在上部边界。为消除边界影响，沿隧道纵向两端各开挖 6m，初始时两个掌子面相距58m。

围岩采用实体单元模拟，选用弹塑性本构关系，服从莫尔库伦屈服准则；壳单元模拟初支结构，采用弹性本构关系。超前小导管及系统锚杆均按简化处理，围岩参数适当提高。

相向施工的模拟步骤为：进出口同时开挖，上台阶进尺为1m，核心土、中下台阶及仰拱进尺均为2m，初期支护落后开挖面1个循环。上台完成2个进尺后，核心土、中下台阶及仰拱依次开挖1个进尺，如此循环开挖。同时进行相同条件下，单向开挖模拟。

2.2模型计算分析

分析围岩稳定性时，以计算所得塑性区或位移扰动区等多方面指标进行综合分析和判断的方式为主。从塑性区发展、围岩变形及应力重分布等方面，分析相向施工隧道围岩稳定性。

2.2.1围岩塑性区

图2为隧道纵剖面塑性区随着两个掌子面距离减小的变化，图中L表示两个掌子面之间的距离。

当两个掌子面距离较远时，围岩塑性区扩展至掌子面前方5m处，此时相向施工无相互影响。随着掌子面之间距离减小，围岩塑性区扩展范围逐渐增大。当L=18m时，塑性区延伸至掌子面前方 6m处；L=16m时，塑性区延伸至掌子面前方7m处；L=14m时，塑性区纵向贯通。

当塑性区纵向贯通后，若仍相向开挖，塑性区将继续在横向扩展。随着两个掌子面之间的距离继续减小，塑性区沿着拱腰斜向外扩展，然后沿着边墙墙角处向斜下方延伸，呈X形分布。

2.2.2围岩位移分析

隧道超前核心土体变形是围岩变形的真正诱因，包括挤压突出变形、预收敛变形和收敛变形，隧道塌方多发生在核心土体滑动之后。下文对相向施工隧道临近贯通时围岩变形规律进行分析。

（1）拱顶沉降

两个掌子面中间里程断面拱顶沉降随掌子面距离的变化，以及相同条件下单向施工时该断面的拱顶沉降变化曲线列于图3。相向开挖，当掌子面距该断面为8m时，该断面的拱顶沉降量增长显著；当距离为5m时，拱顶沉降量陡增，围岩存在失稳的征兆。而单向开挖时，该断面拱顶沉降量增长平缓。

（2）掌子面挤出变形

图4为两个掌子面不同间距时掌子面的挤出变形（水平位移），同时列出单向开挖时掌子面挤出变形曲线，图中k为两个掌子面之间距离与开挖跨度之比。相向施工时，两个掌子面可能发生影响，其规律为：随两个掌子面的临近，挤出变形将增大，且距离越近，挤出变形增长越明显；当掌子面距离为12m时，掌子面挤出变形最大值剧增至3.2cm。

双向施工时，掌子面间围岩变形受两开挖面的共同影响，其变形大于两个掌子面各自影响效果的线性叠加。当两个掌子面距离小于16m时，围岩变形将会剧增，发生大变形。

3　掌子面稳定性的预判

3.1影响掌子面稳定性预判的因素

（1）地下水对掌子面影响

地下水对掌子面影响很大，一般说掌子面涌水量100L/min时，可作为稳定和坍塌临界的判断基准，在500L/min以上几乎都是坍塌。

（2）隧道埋深对掌子面影响

隧道埋深对掌子面的自稳性也有重大的影响。与深埋段相比，隧道浅埋段围岩多为软弱堆积物，岩土风化层，围岩难以形成承载压力拱，自稳定性差。施工不当易出现地表位移增大、表层开裂，并可能导致掌子面失稳。

3.2掌子面稳定性的预判

预判掌子面的稳定性，需知道在不同围岩类别掌子面可能产生崩塌原因及规模。主要造成掌子面围岩崩塌有类别有：在强风化的围岩中，会产生比较大的崩塌，有涌水会使崩塌的规模更大；在断层围岩中，根据断层的破碎程度可能产生小规模的崩塌，也可能出现大规模的崩塌，崩塌可能出现一次，也可能出现多次；在有层理的容易崩塌的围岩中，会产生大规模的崩塌，根据层理的强度、融水状况，在几小时内会产生多次崩塌，也可能瞬时发生大规模崩塌；在互层围岩中，崩塌一般是小规模的，可能由于少量的涌水使固结度低的砂性土层流出，残留的泥岩也会成块状剥落，崩塌的程度因岩石的固结度、层里的间隔、层理面的固结度、岩层的滞水水量、水压等不同而不同，崩塌的时间多在状况急剧变化的时期发生。

4　掌子面稳定的管棚加固方法

掌子面稳定是施工开展的前提条件，掌子面稳定性与开挖断面的大小、开挖工法、辅助措施密切相关。在掌子面无法自稳的情况下，施工中应要采用减小开挖断面、缩短开挖进尺，辅以超前预支护措施，必要时对掌子面增设正向超前锚杆或小导管，网喷混凝土等加强措施。

根据本隧道实际地质情况，洞口段采用管棚法作为超前预支护措施，管棚法是沿隧道开挖断面外轮廓，预先以一定间隔与隧道钻孔，插入钢花管并压注水泥浆或水泥砂浆，加固土体，使管棚和围岩构成形成一个拱壳状的棚架体系结构，用于稳定围岩，使其加固开挖面前方的地层，从时间、空间上能有效地抑制掌子面前方围岩产生过大变形。其支护原理可归纳以下几个方面。

（1）梁效应

在掘进时，先行设置的管棚钢管在掌子面前方围岩与后方已施作初期支护的支撑下，形成梁式结构，有效地抑制掌子面前方围岩产生过大变形，控制围岩松弛。

（2）土体改良效应

通过钢管内压注水泥浆，可改善围岩自身强度，提高围岩自身的稳定性。洞口管棚法施工示意图如图5所示。

管棚法一般采用直径108mm、壁厚6mm、节长4m、 6m的热轧无缝钢管作为管棚，钢管环向间距50cm，倾角1～3°，入土长度20m，采用C25砼套拱作为的导向墙。施工时，钻机立轴方向必须准确控制，每钻完一孔便顶进一根长钢管，施工顺序为自下而上，拱部管棚施工前架设拱部管棚施工平台。管棚施作时应先钻设钢花管，注浆凝固后再钻设无孔钢管。在无孔钢管的钻孔过程中应检查钢花管的注浆质量，当注浆质量达到要求时，再安装无孔钢管，并注浆使管周浆液饱满；当注浆质量达不到要求时，则安装钢花管并进行补充注浆。管棚注浆加固一般应做现场试验确定注浆参数，注浆参数采用注浆量、注浆压力双标准控制，确保加固圈相互咬合搭接，能形成拱形结构。

本次加固内容主要分为初期支护和超前支护两个方面，具体施工方法如下。

4.1初期支护及时封闭成环

在软弱围岩中，初期支护及时施作并封闭成环，可有效形成支护整体强度，控制围岩变形，避免施工过程中局部支护强度不足导致的围岩失稳。

（1）修筑临时仰拱

台阶法开挖时，修筑临时仰拱就是使上台阶单元及时封闭成环，形成环向受力，有效发挥初期支护整体受力效果，阻止支护变形，在本隧道Ⅳ、Ⅴ类围岩施工中，通过上台阶修筑临时仰拱的方法，收效比较好，如图6所示。

（2）拱脚加固

上断面拱脚位置是软弱围岩施工的重点，拱脚稳固，可避免拱脚位移过大而导致拱脚内缩，拱顶下沉，为确保拱脚稳固，施工中应在上台阶拱脚位置设置锁脚锚杆、注浆小导管或托梁或钢管桩等相应加固措施。

4.2洞身超前支护

洞身段落超前支护一般采用沿隧道外轮廓施作超前锚杆、超前注浆小导管等，用以加固掌子面前方围岩的方法，必要时可增设钢插板等。

（1）掌子面正向加固锚杆

在掌子面软弱，存在明显滑塌可能的情况下，应在掌子面上施工平行于隧道轴线的正向锚杆，锚杆长度视滑塌情况施设，通常应不小于一倍开挖洞高，为便于掌子面机械化施工可采用玻璃纤维锚杆进行加固。

（2）注浆小导管

注浆小导管是向掌子面附近的围岩注浆，以改善围岩，保证掌子面稳定的方法，实践证明，掌子面斜上方对隧道的稳定具有很大的影响，因此，开挖前改善此部分的状况，对增强隧道的稳定性是极为重要的，小导管注浆不仅是掌子面稳定的对策，也是改善隧道稳定性的对策，是隧道软弱围岩开挖支护的重要手段。

（3）钢插板

钢插板是在崩塌性显著的围岩中，以较大面积支护拱顶的手段，钢插板的宽度一般采用15cm，长度为1.2～1.6m，间隔3cm打入，一般都在拱顶120°范围内施设。

（4）超前锚杆

斜锚杆是作为支护结构的一部分轴力构件而发挥作用，用以改善拱顶斜上方的围岩，在已坍塌的围岩中，作为支护拱顶的辅助方法。

斜锚杆通常与系统锚杆同时施工，向掌子面的斜上方以50～80cm的间距，打入异型钢筋，锚固材料采用砂浆，锚杆长度3～4m，仰角30～60°。

（5）单管

用于没有凝聚力的围岩，以防止拱顶松弛、崩落。一般采用34～48mm的钢管，以30～60cm的间距和5～30°的仰角打入，打入长度一般为掘进进尺的2～3倍。

此方法的主要问题是在有砾石（孤石）或固结好的围岩中应用困难，其次是钢管下方的围岩容易崩落，超挖过大，为了减少超挖，可减小打入角度，使钢管从支护构件中通过。

5　加固措施及效果分析

5.1加固措施

弱围岩隧道相向施工，掌子面距离达极限距离时，围岩可能发生大变形甚至失稳。当吊公岭隧道、湆头岭隧道两个掌子面距离达极限距离时，为保证隧道施工安全，结合对掌子面数值模拟分析和掌子面管棚加固方法，主要加固措施有：（1）封闭其中一个掌子面，单向开挖直至贯通，同时尽早封闭初期支护；（2）提高初期支护强度，如加密钢支撑，加大喷射混凝土厚度；（3）对掌子面采用管棚加固，提高掌子面围岩强度，对掌子面一定范围内进行注浆。

5.2效果分析

为分析不同措施对提高围岩稳定性效果，采用上文建立的模型，按照单向开挖计算，4种工况为：工况1，支护参数不变，不进行掌子面加固；工况2，提高支护强度，钢支撑间距加密为0.5m，喷射混凝土厚度增为30cm；工况3，注浆加固掌子面，掌子面围岩参数提高一定程度；工况4，支护参数按工况2调整，掌子面按工况3进行加固。其中，加固范围为两个掌子面间岩柱，加固后围岩参数为假定值。

（1）塑性区分布

选取两个掌子面中间里程处断面进行塑性区分析。计算结果表明，若不采取加固措施，掌子面前方塑性区贯通，并将持续扩展（工况1）；若提高初支强度，可一定程度上控制塑性区的扩展范围及速度，但效果不明显（工况2）；若对掌子面进行注浆加固，塑性区得到很好的控制，塑性区的扩展范围和速度明显减小，扩展范围减小比例达95%（工况3）；在对掌子面注浆加固的基础上同时提高初支强度，对进一步控制围岩塑性区发展无效（工况4）。

提高初支强度，对控制塑性区效果不明显，而加固掌子面可有效减小塑性区的发展范围及速度。

（2）围岩变形

4种工况下，两个掌子面中间里程断面拱顶沉降分别为6.5、5.5、5.4、5.0cm，可知2种应对措施对减小拱顶沉降效果相当，拱顶沉降减小15%～17%，2种措施同时采取可进一步控制围岩拱顶沉降，沉降减小比例达23%。图7为两个掌子面相距8m时，各工况下掌子面挤出变形。若不采取加固措施，掌子面挤出变形最大值达4.4cm；若提高支护强度，挤出变形明显减小，最大值减小为3.5cm，减小约20%；若对掌子面进行加固，掌子面挤出变形减小更明显，最大值减小为3.2cm，减小约27%。

因此，仅提高初支强度，对提高贯通段围岩稳定性效果不显著；对掌子面进行注浆加固，能较好地提高围岩稳定性；同时采取2种措施，效果更好。

6　结语

在吊公岭隧道、湆头岭隧道施工中，通过对掌子面的稳定模拟和加固措施的对比分析，结合“良围岩、爱护围岩”的原则及借鉴以往隧道施工宝贵的经验，提高了隧道施工安全，保证了隧道工程质量。掌子面稳定加固方法是以支护手段为中心，在隧道施工循环范围内实施的施工方法。在同一条隧道，同一地质的情况下，其自稳性也是有差异的，因此，在选择辅助法施工时，必须研究现场的实际情况，选择适当的方法，“因材施教、有的放矢”。希望文中的一些经验能为软弱围岩段的施工提供参考价值。

［1］朱永金，李文江，赵勇.软弱围岩隧道稳定性变形控制技术［M］.北京：人民交通出版社，2012.

［2］关宝树，赵勇.软弱围岩隧道施工技术［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［3］中华人民共和国行业推荐性标准.JTG/T F60-2009，隧道施工技术细则［S］.北京：人民交通出版社，2009.