超浅埋软弱围岩隧道拱脚稳定性及其控制技术

杨 辉

(福州市城乡建设发展总公司 福建福州 350001)

0 引言

近年来隧道工程规模越来越大，地质情况愈加复杂，施工难度和风险剧增。从实践经验来看，在软弱围岩结构隧道进行施工过程中，拱脚部位变形较为严重，因此必须对拱脚部位进行变形监测与稳定控制，进而保证隧道整体结构可靠性[1-3]。隧道拱脚为开挖拱与未开挖岩体或路面的交界部位，当隧道采取分部开挖时，拱脚随开挖断面变化而变化。从力学分析，拱脚部位在隧道开挖拱中起到了对拱形断面支撑基础的作用[4]。自20世纪90年代以来，国内大量双线铁路公路修建，隧道断面越来越大，地质情况也愈加复杂，施工的软弱围岩隧道拱脚沉降问题也日益突出，相应的，已有相关研究成果见诸报道[5-7]。贾剑青等运用有限元模拟分析了隧道深埋段支护结构稳定性以及围岩塑性区的变化特点[8]。王小凤，李崇莲，马朋涛等结合工程实践对拱脚稳定性进行分析并提出了一些控制措施[9-11]。韩同春结合永宁高速高宝隧道施工过程中发生的拱脚塌方事故，分析隧道拱脚塌方的原因及所采用的加固措施[12]。李文江等采用数值分析的方法，结合现场监测资料，对软弱围岩拱脚稳定性控制技术进行分析[13]。

本文以某工程暗挖隧道施工为背景，以土力学和塌落拱理论为依据，以监控数据为最终判断标准，对隧道拱脚进行力学分析及其稳定性控制技术讨论总结，为今后相似工程提供借鉴。

1 工程概况

某工程南北双洞双线布置。选取南线K1+300～K1+330和北线K1+250～K1+280段为分析对象，此两段暗挖隧道均处于Ⅵ级超浅埋软弱富水围岩地质，主要围岩力学参数表如表1所示，埋深约11m。隧道开挖现场如图1所示。

图1 隧道开挖现场图

场地内自上而下分别为杂填土①、 淤泥③、 (含砂砾)粘土④、 卵石(碎石)⑤和残积砂质黏土⑥， 开挖断面上部主要为淤泥③和(含砂砾)粘土④， 下部为卵石(碎石)⑤和残积砂质黏土⑥， 各土层在水平及垂直方向分布，均匀性差。其中砂卵石层中的孔隙承压水，水量丰富，由山体侧向补给，并受大气降水及地表渗流影响较大，隧道单位长度设计正常涌水量0.7～3.52m3/d。

表1 主要围岩力学参数表

2 拱脚受力状态分析

2.1 隧道力学状态分析

(1)隧道开挖后力学状态

隧道开挖后，开挖断面空间形成开挖拱，开挖洞周界面围岩土体一侧解除约束，洞周围一定范围内围岩应力重新分布。分布规律为洞周围岩表面仅存在切向应力，处于单向应力状态，向围岩土体内部发展，逐步恢复到原有应力状态，如图2所示。

图2 隧道开挖后洞周界面切向应力分布图

洞周界面切向应力：

σt=σy((1-2cos2φ)+λ(1 +2cos2φ))

σy—洞周围岩土体竖向应力；

φ—洞周围岩土体摩擦角；

λ—洞周围岩土体侧向压力系数，是摩擦角φ的函数，试验测得。

(2)喷锚支护完成后洞周力学状态

洞身开挖完成后，及时进行喷锚支护。喷锚支护体系附着于洞周围岩表面，与围岩共同作用，形成新的支护受力体系。随着洞周围岩土体的变形发展，支护结构在控制围岩的变形过程中，自身将受到由于围岩的变形所产生的围岩压力作用。支护结构新的受力体系受力如图3所示。

图3 以塌落拱理论分析支护结构受力体系

侧壁稳定时：h=b/f

侧壁不稳定时：

h=(b+H·tan(45°-φ/2))/f

b—洞室跨度之半；

h—塌落拱等效高度；

f—围岩的坚固性系数，又叫似摩擦系数；

H—隧洞开挖高度。

以上是洞周围岩稳定与失稳两种情况时洞周支护结构可能出现的受力情况。文中所选分析对象均处于超浅埋施工范围，简化计算的浅埋洞室围岩压力计算公式如下：

qv=γH(1-HK1/2b1)

γ——围岩重度(KN/m3)；

H——洞顶覆土厚度(m)；

K1——滑动体ABCD两侧AD和BC面上摩阻力系数，K1= tan2(45°-φ/2)tanφ；

b1——滑动体底宽，b1=b+htan(45°-φ/2)。

2.2 拱脚力学状态分析

隧道开挖后，如图2所示，洞周应力重新分布，在洞周一定范围内形成应力拱，以及在隧道初期支护完成后，如图3～图4所示，支护结构形成的支护拱，都是支撑洞周围岩土体维持隧洞空间平衡稳定的拱形受力体系。

图4 浅埋洞室围岩压力计算简图

以拱的受力特性来简化分析隧道施工中拱脚部位的受力情况，进而分析总结其稳定性控制技术，具有一定科学性和合理性。

拱的受力特点为，在荷载作用下，拱的拱脚部位不仅会产生竖向反力，还会产生水平反力，且不合理的拱轴，在拱的界面上还会产生弯矩和剪力作用。根据土体的力学特性，洞周应力拱和支护拱要保持稳定，须满足两个条件：①任一拱截面上弯矩和剪力作用不得使拱发生变形破坏；②拱脚不得下沉和滑动破坏。

3 隧道拱脚稳定性控制技术

3.1 控制拱脚沉降

拱脚沉降主要包括两个部分：一是拱架连接间隙和拱脚与支撑基面间隙；二是拱脚基础沉降变形。对于拱架连接间隙和拱脚与支撑基面间隙控制，可采取以下措施。

3.1.1拱架连接安装竖直、紧密

每环拱架安装采用吊垂线进行垂直度校正，避免拱架倾斜后承受偏心荷载，产生弯矩，发生变形破坏。拱架连接板连接紧密，必要时加垫钢板或钢筋，以消除变形发展空间。

3.1.2拱脚支垫于坚实的基础上

在洞身开挖时，拱脚位置预留20cm～30cm，采用人工开挖清理松散渣土至原状土，放置拱脚支垫构件(型钢、混凝土块或石块等材料制成)，并放置平稳，接触面密实。该工程中采用槽钢扩大拱脚+混凝土楔形块进行支垫，取得了良好效果。

对于拱脚位置地基沉降变形从以下两个方面进行控制：

(1)提高基础承载能力

①在不改变土体力学性能时，即地基承载能力不变的情况下，采取扩大拱脚提高拱脚承载能力，扩大拱脚操作简单，且可以制成单独构件，进行重复利用。

②改变土体力学性能，提高地基承载能力，主要技术措施包括：注浆法、挤密法、冷冻法等。

(2)减小拱脚上部荷载

上文所述，支护拱所受荷载主要来自洞周塌落拱范围内围岩土体自身重力及地下水静水压力。其中围岩土体自重大小分洞身侧壁稳定与否两种情况，且支护拱所受荷载大小还与土体本身性质(内摩擦角、粘聚力等)依据隧道洞顶覆土厚度等有关。以此分析着手，减小拱脚上部所受荷载主要从以下几个方面考虑：

①增强洞身侧壁稳定性，降低塌落拱高度

洞身开挖前可对洞身两侧土体进行超前预加固(包括地表或洞内注浆或降水等)，改良土体力学性能，洞身开挖后能够自稳；

控制超欠挖，并及时进行初喷，保护洞周应力拱的形成；

避免侧壁墙角积水浸泡及地下水渗流降低侧壁土体力学性能，导致失稳。

②提高洞顶覆土的自稳能力，降低塌落拱高度

施工前进行地表或洞内超前预加固(水泥搅拌桩、高压旋喷桩、洞内水平旋喷桩及超前支护等工艺技术)，地下水位较高时，可采取地表降水。

③控制掌子面挤出变形，以免导致洞顶失稳

掌子面挤出变形会导致掌子面前后洞顶土体凌空失稳，尤其软弱围岩隧道施工中，掌子面挤出变形导致拱顶沉降十分显著。施工中控制掌子面挤出变形的手段包括：掌子面超前注浆加固、预留核心土或者CD/CRD分部开挖等。

④设置锁脚锚杆(管)，分担荷载

锁脚锚杆(管)隧道施工喷锚支护工艺的一项重要技术措施，由于其工艺简单易行、效果明显，且经济高效，施工中得到了广泛应用。锁脚锚杆(管)在分担荷载和在接续下部开挖拱脚悬空时临时承担全部荷载，起到了控制变形沉降关键性作用。锁脚锚杆(管)承载机理较为复杂，主要体现为与围岩土体的摩擦力和本身材料的锚固抗剪能力。根据软件模拟分析和工程实践表明，锁脚锚杆(管)的作用效果主要与注浆效果、设置角度和长度有关。

针对该工程地质情况，采取的技术措施为：地表高压旋喷桩预加固，在隧道洞身两侧采用双排Φ800@600高压旋喷桩作为止水帷幕、改良洞周侧壁和初支体系锚固基础，加固深度为拱顶上4m至仰拱底下1m；洞身范围采用Φ800@800高压旋喷桩加固洞顶开挖轮廓线以外3.0m土体，改良洞顶覆土并形成拱形支护壳体，淤泥水泥土芯样抗压强度代表值1.3MPa(16d龄期)，内聚力提高2.5倍至约25kPa，内摩擦角提高3.6倍至约25°，坚固性系数从约0.5提高至约1.5。围岩坚固性、摩阻力及自承能力成倍提升(达到砂土状强风化花岗岩经验值)，围岩压力降低20%。并局部间歇采取长桩加固至洞内淤泥层底，稳定开挖掌子面，对掌子面挤出变形有扼制作用。

3.2 控制拱脚水平位移

(1)拱脚水平外移控制

支护拱在荷载作用下，拱脚不仅有竖向反力，还有水平反力，故拱脚在洞周围岩压力下存在水平外移的趋势。根据拱的上述力学特性，依据施工实践证明，在洞身开挖时，上导坑的矢跨比不得小于1/3。

后阴即肛门，为大肠的下口，又称魄门、谷道。魄门为粕之通道，魄门即粕门，饮食糟粕由此排出体外，所以称为魄门。

(2)拱脚水平内移(收敛)控制

一般情况下，围岩土体能够提供的支撑反力要大于支护拱的外移动力。隧道施工收敛变形监测是必测项目。拱脚水平内移的原因，是洞周围岩压力较大，使拱架截面产生较大弯矩，发生变形。导致水平内移的围岩压力主要为水平压力。

控制洞周围岩水平压力主要有以下措施：

①对洞身两侧土体进行超前预加固(包括地表或洞内注浆或降水等)，改良土体力学性能，降低其侧向压力系数；

②控制超欠挖，并及时进行初喷，防止风干收缩变形失稳；

③避免侧壁墙角积水浸泡及地下水渗流降低侧壁土体力学性能，导致失稳；

④设置锁脚锚管，并注浆，在土体内形成锚固体，对支护拱架提供锚拉力，抵抗围岩水平压力；

⑤洞内两侧拱脚位置设置水平支撑。

针对该工程地质情况，采取的措施为：沿线路两侧各设置管井降水，间距8m，降水井深入隧底以下10m或进入中风化层5m，与开挖边界水平距离不小于4m，降低水位至工作面以下1m为宜。优化施工工法，原交叉中隔壁工法优化为3台阶山形预留核心土环形开挖+中台阶临时仰拱。

4 隧道变形控制效果分析

上述措施实施后，拱脚变形得到有效控制，选取南线K1+310和北线K1+260两个断面的拱顶沉降和周边收敛现场测试图如图5～图6所示。可以看出上台阶开挖至中台阶临时仰拱封闭成环，拱顶沉降不大于3mm/d，最大累计变形35mm左右，拱脚水平收敛位移2mm/d，累计变形15mm；拆除临时仰拱至衬砌仰拱施作完毕，拱顶沉降3～5mm/d，累计变形50mm，拱脚水平收敛位移3mm/d，累计变形30mm。从该工程的实施效果来看是可行的。

图5 拱脚水平收敛

图6 拱顶沉降

5 结论

把隧道开挖后和喷锚支护后的结构受力体系简化为应力拱和支护拱进行力学分析，并以土力学、拱的受力特性以及塌落拱理论为依据，分析总结拱脚的变形失稳原因，有针对性采取相应的技术措施，从该工程的实施效果来看是可行的。

参考文献

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