软弱围岩大断面隧道开挖面变形控制技术

张海波

（中铁二十四局集团浙江工程有限公司，310009，杭州∥工程师）

1 工程概况

宁波市象山县野猪山隧道里程YK60+295—YK60+259穿越稳定性差的碎石土和全-中风化基岩围岩，地下水丰富，修正的围岩基本质量指标［BQ］＜250，总体评定为Ⅴ级围岩。该段隧道开挖跨度为13.0 m，开挖高度为10.4 m，每循环开挖进尺1.0 m。该地区夏季施工多出现连续降雨天气，地表水侵入隧道岩体，容易对隧道开挖后围岩稳定性产生不利影响。

该段隧道为低山坡麓，地势起伏。其浅部为残坡积层，以碎块石和含碎石粉质黏土为主。其中碎石约占70%，粒径一般为2～4 cm、最大8 cm；碎石间隙充填胶结一般的黏性土，局部夹有粒径1～2 cm的细角砾。据钻孔资料，下伏基岩为侏罗系上统凝灰岩，为全风化凝灰岩，呈浅灰色；原岩结构构造可见：岩质软，遇水易软化，手捏易碎；局部夹有块径为2～4 cm的强风化碎块；岩芯呈土柱状。该段是典型的软弱围岩土质，各土层性质见表1。

该段隧道开挖跨度大，达13.0 m，施工过程中洞口段易出现掌子面滑塌甚至冒顶事故；隧道围岩为粉质黏土，开挖容易造成围岩沉降过大、失稳、坍塌等危险；该地区雨水充足，土壤含水量较大，对拱部及周围岩体的压力增大，隧道开挖时易出现淋雨状或涌泉状出水。

2 隧道开挖变形模拟

2.1 模型的建立

根据现场的工程情况，该项目的围岩条件取为Ⅴ级。对该工程建立有限元模型（如图1所示），以分析隧道开挖时地表沉降和掌子面的变形情况。为了符合实际的施工情况，该隧道的开挖模拟采用全断面开挖，以此反应隧道开挖围岩的真实变形，且模拟不考虑掌子面的加固。有限元模型的边界条件为：除了上表面，其余面均法向固定。

图1 有限元计算模型

2.2 计算结果

对计算模型选取3处开挖至掌子面的拱顶沉降曲线和掌子面挤出变形曲线，如图2～3所示。从图2可以看出：隧道掌子面至前方1.5 D～2 D（D为隧道开挖的跨度）、后方3 D～4 D位置处，拱顶沉降变化尤为明显。其中：开挖面位置处的沉降变化最为显著，掌子面正上方最大沉降达到17.3 mm；掌子面前方30 m沉降逐渐收敛；掌子面后方4 D以后沉降逐渐收敛，达到43.56 mm。从图3中可以看出：掌子面中心处变形最大，挤出量为24.4～28.6 mm；距离掌子面中心越远的位置，挤出量越小。

图2 拱顶沉降曲线

图3 掌子面挤出变形曲线

从图2～3可以看出，当掌子面不做加固时，隧道开挖引起的拱顶沉降和掌子面变形较大，容易造成掌子面坍塌及拱顶沉降过大等险情。为此，需要对掌子面进行加固，以降低拱顶沉降和掌子面的挤出变形。

3 隧道开挖的变形控制技术

有文献［1-2］指出：Ⅴ级、Ⅵ级的大断面软弱围岩隧道的施工宜采用预留核心土台阶法和单侧壁法。预留核心土台阶法能够提高掌子面的稳定性，降低掌子面的挤出变形，但是当隧道开挖断面较大时，其安全性相对较低，且下部台阶开挖势必影响上台阶支护结构的稳定性。单侧壁法可以探明掌子面前方的土质情况，便于地表沉降的控制，但是工序较多，需要拆除临时支撑，施工进度较慢。

针对野猪山隧道的水文地质特征、工期以及变形控制等要求，该隧道采取变形控制法［3-4］（即新意法）施工，以控制掌子面前后及拱顶的沉降变形保持在理想范围内，实现大断面开挖，加快施工进度。

3.1 玻璃纤维锚杆超前加固

为了避免拱顶沉降过大和掌子面变形过大等险情，该段野猪山隧道施工中对掌子面全断面进行玻璃纤维锚杆的加固［5-6］。应用玻璃纤维锚杆对隧道掌子面进行超前预加固，可减小由于土壤张拉状态改变带来的影响，且与岩芯粘结（胶结）在一起，还可抵消由于开挖引起的部分围束损失。锚杆采用1.2 m×1.2 m方形布置。掌子面锚杆加固模型见图4。为选择锚杆加固长度，对模型进行无加固以及分别加固10 m、12 m、14 m、16 m的情况进行计算。这5种情况的掌子面挤出变形曲线如图5所示。从图5中可以看出：在无锚杆加固情况下掌子面变形较大，掌子面中心变形为27.1 mm；当加固10 m时，中心点处变形为18.2 mm，相比无锚杆加固变形量降低了32.8%；加固12 m时，中心点处变形为12.5 mm，相比无锚杆加固变形量降低了53.9%,加固效果明显；加固16 m时，中心点变形为7.6 mm，相比加固14 m时的变形量只提高了6.0%。为了综合考虑经济效益及施工进度等情况，该段施工采取玻璃纤维锚杆加固长度14 m就可以满足变形控制的要求。

图4 玻璃纤维锚杆加固示意图

图5 锚杆加固掌子面挤出变形曲线

掌子面锚杆的搭接长度对维持掌子面稳定性起到至关重要的作用。文献［6］指出，隧道开挖引起的掌面上方的松散土体将全部作用在隧道掌子面上，隧道掌子面将受到松弛荷载q的作用（如图6所示）,掌子面加固存在一个最小加固长度L。

根据上述计算，该段隧道掌子面锚杆的搭接长度可选为8 m即可以保证掌子面开挖的稳定性。

图6 锚杆搭接长度计算示意图

3.2 超前小导管加固

超前小导管分为两排：第一排小导管打设时外插角控制在10°左右，尾端支撑于钢架上；第二排打设时，钻机钻孔方向为紧贴着工字钢外弧（靠近围岩的弧段），外插角为40°。这样就能避免第一、二排超前小导管重叠现象的发生。

小导管采用外径42 mm、壁厚4 mm、长500 cm的热轧无缝钢管。小导管纵向搭接不小于1.5 m，双排小导管纵向搭接不小于2.0 m。小导管加固示意图见图7。

图7 小导管加固侧视图

小导管加固时还需要严格控制注浆压力及注浆量，并根据现场试验作适当调整。注浆参数见表2。

表2 小导管注浆参数

3.3 大断面开挖与支护

该段隧道掌子面进行超前加固后采取机械大断面开挖并辅以人工配合，每循环开挖进度为1.0 m。考虑锚杆加固长度，隧道每开挖6 m，搭设一环玻璃纤维锚杆，并做好开挖过程中的支护。支护采用厚28 cm的C25喷射混凝土加A6钢筋焊接网和22a工字钢拱架（纵向间距1.0 m）。

4 监测结果

在施工过程中及时进行地表沉降、拱顶沉降及掌子面变形等量测，以避免施工险情。对于掌子面挤出变形的量测，在里程YK60+283打设A、B孔。其中：A孔埋设分别深为3 m、6 m、9 m的3个单点位移计测点，B孔埋设分别深为9 m、12 m、15 m的3个单点位移计测点。实际测得挤出变形如图8所示。从图8中可以看出，距离掌子面越远，挤出变形越小，埋深15 m时挤出变形小至0.36 mm，受开挖影响较小。所以，该段采用长14 m的玻璃纤维锚杆加固能够满足掌子面的变形要求。

隧道开挖时应及时对拱顶沉降进行量测。沉降点距离隧道掌子面后方每5 m布置1个拱顶沉降监测点。对YK60+275～YK60+290里程中的4个监测点进行量测，其沉降曲线见图9。由图9可见，隧道开挖引起的沉降达到11.9 mm，相比无加固措施下的43.56 mm，沉降值降低了72.68%，加固效果明显。

图9 拱顶沉降随时间变形曲线

图10 拱顶沉降与掌子面挤出变形关系

4个监测点处掌子面挤出变形与掌子面处拱顶沉降的关系曲线如图10。同时对285断面和290断面两处断面的数值模拟结果与实际监测数据进行对比可知：掌子面挤出变形和拱顶沉降近似于线性关系，掌子面挤出变形越大，拱顶沉降越大。所以，可以通过掌子面加固措施降低拱顶沉降。从图10还可以发现数值模拟结果与实际监测数据较为吻合，反映了数值模拟的合理性。

5 结语

本文以野猪山隧道工程为背景，结合现场监测数据并通过理论分析和数值模拟等方法，研究了软弱围岩大断面隧道开挖面变形控制技术，得到以下结论：

（1）软岩隧道开挖时由于掌子面的稳定性差，容易造成掌子面滑塌甚至冒顶，所以必须加固掌子面核心土，使得超前核心土成为保证隧道稳定的依托，且加固长度应大于隧道开挖直径，以提高掌子面的稳定性。

（2）通过掌子面变形和拱顶沉降曲线可以看出，两者近似于线性关系：掌子面挤出变形越大，拱顶沉降越大。所以，可以通过掌子面加固措施来降低拱顶沉降。

（3）可以通过拱顶沉降值的大小预测掌子面前方土体的稳定性，以便及时采取加固措施。

［1］ 李鹏飞，赵勇，刘建友.隧道软弱围岩变形特征与控制方法［J］.中国铁道科学，2014，35（5）：55.

［2］ 赵勇.隧道软弱围岩变形机制与控制技术研究［D］.北京：北京交通大学，2012.

［3］ 任伟明，彭丽云.新意法及其预约束施工技术［J］.施工技术，2013，42（1）：83.

［4］ 毛燕飞.基于岩土控制变形分析法的软弱围岩隧道开挖变形控制技术［D］.西安：长安大学，2015.

［5］ 崔柔柔，杨其新，蒋雅君.软岩隧道掌子面玻璃纤维锚杆加固参数研究［J］.铁道标准设计，2015，59（11）：79.

［6］ 李斌，漆泰岳，吴占瑞，等.隧道掌子面锚杆加固参数确定方法［J］.铁道学报，2012，34（10）：115.

［7］ 邓思远，杨其新，蒋雅君，等.软弱围岩大断面隧道环形开挖预留核心土法相关参数研究［J］.城市轨道交通研究，2016（3）：95.