细砂卵砾石互层隧道支护体系与围岩变形现场测试

严健，何川，晏启祥，蔚艳庆，严昆鹏

(1. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室， 四川 成都 610031；2. 西南交通大学 峨眉校区土木系，四川 峨眉 614202；3. 四川省交通运输厅 公路规划勘察设计研究院，四川 成都 610031;4. 攀枝花公路建设有限公司，四川 攀枝花 610000)

细砂卵砾石互层隧道支护体系与围岩变形现场测试

严健1,2，何川1，晏启祥1，蔚艳庆3，严昆鹏4

(1. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室， 四川 成都 610031；2. 西南交通大学 峨眉校区土木系，四川 峨眉 614202；3. 四川省交通运输厅 公路规划勘察设计研究院，四川 成都 610031;4. 攀枝花公路建设有限公司，四川 攀枝花 610000)

为避免细砂卵砾石互层隧道施工中发生隧道坍塌、砂涌和冒顶等事故，以在建的国道317线岗托隧道为工程依托，采用现场试验和测试的方法，就超前支护措施适宜性，细砂卵砾石互层隧道地表沉降、洞周变形、围岩深部位移，锚杆轴力、钢拱架内力、围岩-初期支护等支护体系特性进行研究，结果表明：细砂卵砾石互层隧道采用小导管注浆难度大，管棚间隙有砂涌，隧道变形大；采用大管棚配合水平旋喷桩进行超前支护，能有效控制砂涌，围岩变形小。

隧道工程；细砂卵砾石互层；支护体系；围岩变形；现场测试

常见的互层围岩隧道主要是层面近水平状的砂泥岩软硬互层围岩隧道，其地质特点主要是层理明显，水平软硬夹层分布，层厚不均强度差异大。目前，针对近水平状软硬互层围岩隧道，众多学者进行了大量的研究。杜文[1]通过兰渝线四方山隧道平缓砂泥岩互层围岩变形对支护的破坏现象, 分析了互层围岩变形机理。杨斌等[2]以广南高速公路文家垭隧道为分析对象，就近水平软硬互层围岩公路隧道初期支护内力进行了分析。细砂卵砾石是互层围岩中一种较少见的互层形式，其广泛分布于金沙江上游河段[3]，其典型细砂卵砾石互层围岩开挖呈近似水平层状出露。其研究主要集中在施工工法和控制措施、预加固技术等方面。王晖等[4-5]就富水砂层中的施工工法和控制措施进行了研究，肖昌军等[6-12]就干燥粉细砂地层围岩利用超前小导管注浆、水平旋喷技术、大管棚等预加固措施进行了研究。针对细砂和卵砾石共同构成的互层围岩隧道，掌握围岩变形规律和支护力学特性是重点，防止坍塌和控制漏砂是难点，因此，以在建的国道317线岗托隧道为工程依托进行的研究，将对我国正在开展的川藏高速公路和川藏铁路相似地质条件下的隧道工程具有实际意义和参考价值。

1 工程概况

国道317 线(川藏公路北线)岗托隧道为单洞双线隧道，全长852 m，设计高程3 041.08 m。隧址区位四川德格县与西藏昌都地区江达县交界处, 色曲河及金沙江左岸，地形岩性多样，主要以陡缓相间的斜坡地形为主，在宽缓的剥蚀槽状地形处多

分布有绢云石英片岩、板岩，在鳍脊陡坡、悬崖处分布着结晶灰岩及变质砂岩。隧道出口处受到金沙江河谷以及青藏高原地质构造作用影响，围岩构成复杂，主要是由冲洪积卵砾石土、粉细砂层、含卵砾石细砂等构成的第四系松散堆积层。开挖显示粉细砂层与卵砾石层呈五花肉形状间隔交错分布(见图1)。因此，隧道施工难度大，极易发生坍塌和砂涌等事故。

隧道设计采用三台阶预留核心土环形开挖法。采用双层超前小导管支护，施工进尺为 2 m，施工方法和支护结构如图2所示。

单位：m图1 K425+517断面地质剖面图Fig.1 Geological section of K425+517

表1 隧道支护体系参数明细表Table 1 List of parameters of supporting system mm

图2 施工方法和支护结构示意图Fig.2 Construction method and the supporting structure diagram

2014年7月～9月，掌子面掘进离出口67 m附近时，掌子面围岩以细砂卵砾石互层出露，其中细砂层厚1.2～2.5 m，干燥、致密，无粘结性，空隙率小，自稳能力极差，颗粒粒径主要集中在0.075～0.35 mm区间，颗粒较均匀，颗粒级配差，天然含水率仅为2%～5%，呈密实状态，黏聚力低。卵砾石土结构呈稍密～密实状，含卵砾石细砂结构松散～稍密。根据设计采用双层小导管超前支护，在施工中出现了注浆困难，注浆效果差、易爆管等问题；采用普通大管棚出现了管棚变形大，抗弯强度差 ，路面沉降量大等问题。虽然有管棚作用，但隧道开挖后掌子面立即出现砂涌，拱顶砂层呈现漏斗形扩散，短时间内形成堆积体，无阻挡封闭时间，直接对初期支护拱架造成破坏，且在初期支护背后形成大空腔，导致隧道K425+452～466出现了砂涌、塌方冒顶事故共3处。上述问题给工程建设和正常通行的甘白路带来很大的困难和风险。

2 超前支护措施适宜性分析

因岗托隧道出口端工程环境特殊，出口段洞顶为正常通行的甘孜—白玉路，其交通功能重要，设计采用的超前支护措施和支护参数必须满足地表沉降和洞周位移的要求。同时，为隧道安全通过该段围岩并合理发挥初期支护作用，针对施工中出现的隧道变形、砂涌、冒顶等事故，现场试验研究了超前支护措施和参数，并就其应用方案进行了比较归纳(见表2)。现就岗托隧道双层小导管超前支护、普通管棚支护措施、大管棚配合水平旋喷桩措施及其适宜性进行对比分析。

表2 岗托隧道超前支护措施应用情况表Table 2 Pre-reinforcement scheme of Gangtuo tunnel table

2.1 双层小导管超前支护

岗托隧道设计采用双层小导管超前支护，超前小导管能起到超前预支护和注浆导管作用，达到超前加固围岩和止水目的，适合于在软弱、松散地层中施工。φ42 mm 无缝钢管现场加工，小导管前段管壁每隔15～20 cm 交错钻眼用以注浆，眼孔直径在8 mm左右。小导管沿隧道开挖轮廓外纵向向前倾斜安设，打入时外插角分别为缓倾角10°～14°，陡倾角30°～40°。小导管上下两层交错布置，按拱部120°范围布置，环向间距为40 cm，双层每环63根，前端外露300 mm。根据围岩条件进行浆液种类选择，常见的有超细水泥及1∶1 水泥浆，水泥～水玻璃双液浆以及化学浆液，注浆压力一般在0.6 MPa。根据岗托隧道围岩无地下水发育的特点，选用1∶1 水泥浆进行注浆，并现场配合钢拱架使用。

2.2 管棚支护

管棚支护主要起加固围岩，扩散和传递围岩压力，减少隧道开挖释放应力的作用。对控制塌方和抑制地表沉降效果明显。长管棚主要适用于软弱砂砾地层或软岩破碎带地层，隧道进出口位置和穿越重要建构筑物等特殊地段。

在翻转课堂的实践中，教师的角色不仅仅是课程内容的传授者，更多则转变为学习过程的引导者，学生则由原来被动的接受者，转变为积极主动的参与者[3]。

孔口管采用φ108 mm 的热轧钢管制作，按拱部120°范围布置。环向间距为40 cm，双层每环32根，端部外露300 mm，沿隧道开挖轮廓外纵向向前倾斜安设，套拱内焊接钢架。

2.3 长大管棚配合水平旋喷桩

在岗托隧道出口处，长大管棚支护部分方按设计进行，根据现场围岩情况，适当变更管棚长度。将原甘白路临时改线后在原甘白路正下方，管棚外侧60 cm范围内、拱部开挖轮廓线120°范围内先施做2个循环的水平旋喷桩，通过后，将洞口上方线路改回原甘白路下方后。然后再在洞内开挖面前方沿隧道轮廓在拱部开挖轮廓线80°范围内施工正向水平旋喷桩，桩长15 m，桩径60 cm，桩间距35 cm，咬合20 cm，注浆压力35～50 MPa，从而使拱部在砂层围岩中形成55～70 cm 厚的水泥土墙拱形帷幕。

水平旋喷桩从内而外对细砂层和卵砾石层分别具有硬化、搅拌、压缩和渗透的作用，其不仅具有梁效应，同时沿着地层缝隙渗透扩散的水泥浆液还能填充缝隙，从而起到改良土体、防沙涌、抗塌方的作用。水平旋喷桩与大管棚共同作用后使大管棚的抗弯能力得到增强，并弥补了管棚间的缝隙，最终保证了隧道掘进时整个掌子面的稳定。

图3 大管棚配合水平旋喷桩支护示意图Fig.3 Drawing of pipe shed with rotary horizontal jet grouting pile

2.4 3 种方案应用效果对比分析

就该工程实际应用3种超前支护方案的应用结果进行对比分析，结果见表3。

上述支护措施均需要进行注浆使地层形成固结，且具有一定的承载能力。但从表2 可以看出，在采取双层小导管支护时，施工进展缓慢，多次调整注浆参数但注浆量却极小，支护效果非常差。当注浆压力达到0.8 MPa后，小导管爆管，从而无法形成加固体，更无法解决漏砂、砂涌等问题。

采用大管棚时的加固范围可控，但管棚变形大，抗弯强度差，管棚对于细砂层支护效果差，管间隙有砂涌现象。采用水平旋喷桩能弥补砂卵石层断裂砂涌的情况，有效控制漏砂及砂涌，同时配合大管棚工作，形成具有一定承载力的预支护拱，支护效果较好，并能保证洞顶甘白路的正常通行，现结合现场监控量测数据对该工法进行进一步研究。

表3 3种方案应用效果对比Table 3 Contrast of three schemes

考虑岗托隧道埋深小于洞跨的3倍且隧道出口正上方甘白路交通安全，必须进行地表下沉量测[13]。现场根据图4所示进行其他测点布置，图4中字母代表意义如下：B为隧道变形即拱顶下沉和水平收敛监测点；M为沿轴向布置有4个轴力测点的锚杆布置点；T为埋设于围岩与初支之间的土压力盒测点；D为多点位移计测点；G为测钢拱架内力的钢筋计布置测点；C为二衬混凝土结构应变计测点。现场布设的测点用字母后所附数字进行编号。

(a)隧道变形监测点布置；(b)混凝土应变计测点布置图4 选测断面各量测点现场布置示意图Fig.4 Decoration of measuring points on site

3 现场测试结果及分析

3.1 地表下沉

经现场监测数据分析，出口处3个监测断面地表最终变形值如表4所示。地表沉降观测点从左往右编号为1～7，则K425+465断面地表沉降位移曲线和最终沉降值分布如图5(a)和5(b)所示。

表4 地表最终变形值Table 4 Final deformation of surface

4和5号点位于拱顶上方位置。从图9中可以看出：在隧道拱顶附近沉降较大，远离隧道逐渐变小。初期断面地表下沉速率较小，在K425+445断面刚开始施作管棚而没有实施水平旋喷桩时，开挖导致拱部及工作面漏砂，继而导致工作面失稳，出现塌方现象。同时，该断面隧道上部受车辆通行影响亦使断面地表沉降速率发生变化。考虑该处没有实施水平旋喷桩，在该掌子面前方发生砂涌和隧道变形超限后，现场立即停止掌子面开挖并利用现场条件采取相关控制措施，首先，向掌子面打钢管并喷射水泥浆从而临时封闭掌子面。与此同时，采取反压回填紧急预案，除核心土外，利用弃碴回填掌子面，反压回填至上台阶拱脚上0.8 m 处。

在K425+445断面采用大管棚配合水平旋喷桩支护后变形速率降低，但因后期对冒顶的处理中采用浇筑混凝土、降雨、下导开挖和仰拱拱架接退等，导致了地表沉降进一步增大，最终导致地表沉降变形相对较大。

(a)地表下沉降累计曲线图；(b)各测点地表下沉细累计图5 K425+465各测点地表下沉累计图Fig.5 Cumulative settlement of surface ground at K425+465

3.2 洞周位移

通过对布设在岗托隧道出口段81 m范围内的12个断面进行监测，隧道拱顶下沉、水平收敛数据见表4，位移收敛累计及速率曲线如图6～7所示。

对比大管棚配合水平旋喷桩支护实施前后K425+432～K425+476.5共12个断面拱顶沉降监测结果显示，共7个断面拱顶沉降值超过隧道预留变形量值，后期采用支护措施3进行处理后，有8个断面隧道拱顶最终沉降值和水平位移收敛值在隧道预留变形量值30 cm的控制范围内。分析认为，细砂卵砾石互层围岩隧道变形超限和塌方事故的主要原因是卵砾石层变形超限后发生断裂，细砂层不具有抗拉能力且易从断裂的卵砾石层及管间隙漏砂，小导管注浆无法实现预期地层固结的效果，因此，采用大管棚配合水平旋喷桩能使拱顶沉降得到控制，显示出其良好的支护效果。

单位：cm(a)K425+465量测断面水平收敛速率曲线(b)K425+465量测断面水平收敛时间曲线图6 隧道水平位移收敛累计及速率曲线Fig.6 Tunnel horizontal cumulative settlement and settlement rate curves

单位：cm(a)K425+465量测断面拱顶下沉速率时间曲线(b)K425+465量测断面拱顶下沉时间曲线图7 隧道拱顶下沉累计及下沉速率曲线图Fig.7 Tunnel vault cumulative settlement and settlement rate curves

从表5和图6～7还可以看出，即使采用大管棚配合水平旋喷桩支护，12个断面中依然还有3个断面拱顶最终沉降值超限，说明该围岩隧道砂层涌出后地层出现了多个缝隙和空腔，建议今后类似隧道设计时应对预留变形量多加以考虑，同时，利用水平旋喷桩，使水泥浆液沿着地层缝隙渗透扩散填充缝隙和空腔，起到固结围岩的良好效果。

表5 洞周最终变形值Table 5 Final deformation of tunnel

对于变形速率的判定主要根据《公路隧道施工技术细则》[14]，即位移变形速率分别在大于1.0 mm/d时，在0.2～1.0 mm/d时，在小于0.2 mm/d时，其变形可判定为变形急剧增长阶段、变形缓慢增长阶段和变形基本稳定阶段。在开挖初期，岗托隧道拱顶下沉和周边水平收敛变化速率均较大，随着细砂层细砂涌尽，或未扰动砂层因水平旋喷桩体得到加固稳定后，围岩应力释放得以暂时平衡，后期随着管棚支护抗力的增加其变化速率减小。由此可见，对于细砂卵砾石互层隧道，采用大管棚配合水平旋喷桩的断面，洞周围岩的急剧变形期缩短，后期变形基本稳定，但个别断面因受地层和仰拱开挖、拱架接腿影响，洞周最终变形值依然相对较大。

3.3 围岩深部位移

选取典型断面K425+470进行围岩深部位移现场测试，其最终地中位移分布如图8所示。

从以上的最终位移分布图看出：因细砂卵砾石互层围岩稳定性较差，加之仪器设置距开挖面较近，受开挖扰动和围岩应力释放影响，使围岩深部位移较大。根据现场埋设记录和开挖围岩出露显示：埋设段在卵砾层中的多点位移计位移值较大，而埋设在干燥细砂层中的多点位移计显示其位移较小，且呈正负分布。分析认为：卵砾石层约束了干燥细砂层的移动，当地层间力超过砂层与卵砾石层之间最大抗剪强度后，卵砾石层断裂，干燥细砂层出现断崖式塌落，这与拱顶沉降数据和现场情况相吻合。

单位：0.1 mm图8 围岩深部位移最终地中位移分布图Fig.8 Final displacement distribution of deep surrounding rock

3.4 锚杆轴力

图9为K425+465监测断面右拱腰处锚杆轴力随时间变化分析图。图10为K425+465断面锚杆最终轴力分布图。

图9 监测断面锚杆轴力(右拱腰)随时间变化曲线图Fig.9 Time-history curve of anchor axial force of monitoring section(Right hance)

单位：kN图10 监测断面锚杆轴力最终分布图Fig.10 Final distribution of anchor axial force of monitoring section

由图9可以看出：锚杆轴力经历了由施做初期的急剧变化到断面封闭之后逐渐趋于稳定的过程。就图10中轴力最终分布来看，锚杆受力均较小，但锚杆轴力的峰值位于锚杆长度的1/5处(左拱肩16.5 kN)。根据中性点理论[15-16]，轴力峰值应位于锚杆长度1/3～1/2处，这与该理论不相符。由此可见，在细砂卵砾石互层围岩隧道开挖后，主要系统锚杆的力学性质不能有效发挥，而是靠围岩中卵砾石层与管棚配合水平旋喷桩的初期支护来平衡，在干燥细砂层，系统锚杆施工效果不明显，锚杆轴力小，甚至不发生作用；而在卵砾石层中轴力较大。因此，在细砂卵砾石互层围岩中可采用局部增减或长短结合的成组锚杆进行支护。

3.5 钢拱架内力

图11是出口端K425+465断面钢拱架应力分布图。其中虚线表示钢拱架外翼缘应力，实线表示钢拱架内翼缘应力。

单位：MPa图11 钢拱架应力分布图Fig.11 Distribution of stress arch bridge

根据图11可以看出，分布较均匀的压应力是钢拱架的主要应力，拱肩部应力分布较大，值在256～267 MPa范围，边墙、拱脚部位应力分布较小，位于隧道顶部处的应力值最大，为280 MPa，该最大值远小于《GB50017—2003钢结构设计规范》[15]中规定Q235钢材的受拉受压极限强度值375 MPa，表明隧道采用的支护钢拱架在互层围岩条件下仍具有一定的安全储备。进一步分析认为：采用支护措施3后，水平旋喷桩使细砂卵砾石互层围岩具有一定的自稳能力和承载能力，同时，水平旋喷桩与大管棚和钢拱架相互协调、共同承担了外部荷载，虽受地表行车荷载影响，结构也不会因强度不足而失稳破坏。

3.6 围岩与初支接触压力

图12为围岩与初支的接触压力分布图。最大围岩压力最终量值为3.421 MPa左右，最小值0.293 MPa左右，可见与初支接触的细砂层、卵砾石层，作用在初期支护上的接触压力最终量值均较大，且分布不均，分析认为除地质原因外，因隧道上方有既有线甘白路，上方车辆通行对接触压力产生影响，尤其是接近甘白路的左拱肩位置，现场实测接触压力值较大。由于围岩急剧变形和层间松弛所引起的围岩压力变化较大，因此施工中在保证安全稳定的前提下，应尽量避免关闭既有线交通运行，以减少不必要的附加荷载影响。

单位：100 KPa图12 围岩与初支接触压力分布图Fig.12 Contact pressure’s distribution between wall rock and primary support

4 结论

1)细砂卵砾石互层围岩是一种特殊的近水平状互层围岩，采用大管棚配合水平旋喷桩进行超前支护具有效好的适宜性，能挤压、固结细砂和卵砾石层并形成预支护拱，可有效防止坍塌及控制漏砂。

2)采用浅埋暗挖法施工，细砂卵砾石互层隧道地表沉降值和洞周变形值均较大，地表沉降速率因砂涌常发生突变，当地层间力超过砂层与卵砾石层之间最大抗剪强度后，卵砾石层断裂，干燥细砂层出现断崖式塌落。

3) 水平旋喷桩与大管棚共同承担外部荷载，因此钢拱架内力较小，而锚杆与围岩间的黏结力差异明显，在干燥细砂层锚杆轴力小，甚至不发生作用，而在卵砾石细层中轴力较大，因此，应采用局部增减或长短结合的成组锚杆进行支护。

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The filed-testing on surrounding rock deformation and supporting system in inter-bedded strata sand-gravel tunnel

YAN Jian1,2，HE Chuan1， YAN Qixiang1，WEI Yanqing3, YAN Kunpeng4

(1. MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China；2. Department of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Emei 614202,China；3. Sichuan Province Transportation Department Highway Planning,Survey,Design and Research Institute，Chengdu 610031, China；4. Panzhihua Highway Construction Co, Ltd , Panzhihua 610000, China)

In order to avoid the occurrence of accident such as collapse, sand flow, roof caving , this paper presents a study of the GangTuo tunnel in the 317 national highway. Field experiments analysis and field measurement are presented in this paper to investigate the suitability of pre-reinforcement, the variation laws of surface subsidence ,tunnel deformations and the final displacement distribution of deep surrounding rock, axis forces of anchors, contact pressures between surrounding rock and primary support, and the internal forces in arch frames. The results show that for the inter-bedded strata sand-gravel tunnel , the small ductules grouting is difficult, the pre-grouted pipe shed could induce large deformation and the sand flow will take place in the pipe shed clearance. The sand flow and the large deformation can be controlled effectively by means of the pipe shed with rotary horizontal jet grouting pile.

tunnel engineering；inter-bedded strata sand-gravel；supporting system; surrounding rock deformation；field measurement

2016-02-14

国家自然科学基金资助项目(U1134208，U1361210，51378434)； 国家科技支撑计划项目(2013BAB10B04)；西南交通大学峨眉校区基金资助项目(SWJTU10101B10096019)

严健(1979-)，男，四川西昌人，博士研究生，从事高海拔高寒地区隧道施工及结构防冻研究；E-mail:sharefuture33@163.com

TU45

A

1672-7029(2016)12-2455-08