不同断面形式隧道软岩大变形破坏机理及控制技术

殷洪波

摘 要：软岩隧道挤压变形是施工中的突出难题，文章以昆玉铁路宝峰隧道为例，基于现场正洞及斜井隧道大变形情况，结合有限元极限分析法，对比分析了不同断面形式下泥质板岩隧道大变形特征，并针对不同的断面形式，提出了不同的加强支护措施保持隧道的稳定性，为软岩环境下隧道支护提供了参考依据。

关键词：高地应力 大变形 极限分析法

1.工程概况

宝峰隧道穿越云南省昆明市晋宁县与玉溪市红塔区两地，全长7377m，隧道穿越元古界昆阳群板岩夹砂岩地层，该岩层呈褐黄、褐红、灰绿、暗紫灰色，薄层状，泥质结构，受构造影响，隧道地应力较大，为典型软岩隧道。在施工过程中，隧道正洞及斜井均发生了不同程度的大变形。

通过对比正洞与斜井的大变形发现，对于正洞隧道，隧道的拱顶及边墙均有不同程度的大变形发生，且隧道的拱顶沉降值大于单侧边墙的横向变形，即在昆玉铁路宝峰隧道正洞出口处泥质板岩地层中，主要发生的是以拱顶沉降为主导且伴随有边墙变形的初期支护大变形现象；而对于斜井隧道，隧道变形主要因边墙收敛为主，且大部分段落隧道拱顶变形很小。

2.基于极限分析法的大变形机理分析

发生大变形段的隧道埋深在80～120m之间，为了便于分析，取埋深为100m进行计算。以现有围岩及地应力条件为基础，引入强度折减法计算毛洞状态下隧道的破坏形态以及安全系数。计算断面分为两种：一种为正洞曲边墙断面；一种为斜井直边墙断面。围岩采用相同的计算参数，见表1。

强度折减法的实质是在外荷载一定的条件下，不断折减材料强度，直至所分析对象不断逼近其承载极限，也就是发生破坏与不破坏之间的临界状态，此时的材料强度折减系数可以理解成研究对象为防止特定破坏类型所具备的安全富裕度（安全系数）。在计算时应对表征土体抗剪强度的材料参数即土体的内摩擦角（φ）与粘聚力（c）按式（1）进行折减。

式（2）中：τ′-为折减后的土体抗剪强度，kPa；c′-为折减后的土体粘聚力，kPa；φ′-为折减后的土体内摩擦角，°；F-为强度折减系数。

对于剪切破坏机制为主的材料，当材料破坏时，存在一个临界的塑性剪应变值作为界定破坏的依据，因此完全可以通过塑性剪应变来定义一个评价材料变形破坏过程中损伤程度的指标，本次以塑性剪切应变值的发展作为围岩破坏趋势的评价标准，通过围岩剪切强度及剪切模量计算得出当塑形剪切应变>3.4e-3时即可认为围岩破坏，经过计算正洞断面毛洞状态下安全系数为0.6，斜井断面安全系数为0.7。正洞和斜井断面塑性剪切应变云图分别见图1和图2。

分析图1和图2可看出：

（1）对于隧道断面变形，正洞断面中隧道变形主要表现为拱顶沉降，边墙收敛较拱顶沉降程度较轻。斜井断面中以边墙收敛为主，拱顶沉降不明显。整体变形趋势与现场变形基本吻合。

（2）由图1可看出，正洞隧道破坏主要分为两部分：拱部围岩形成的类似于塌落拱的破坏以及边墙处的围岩剪切滑移破坏。形成的塌落拱高度约为1.5倍隧道高度，故若不增加辅助措施，仅靠初期支护，是无法保证隧道施工期间稳定的。

（3）由图2可看出，斜井隧道主要以两侧边墙剪切滑移破坏为主，破坏范围约为1倍隧道宽度，在增加辅助措施时应重点考虑保证边墙处的稳定。

正洞及斜井开挖区域无构造应力，其主应力为围岩自重作用引起的竖向应力，故本工程中隧道大变形的主要原因为在自重应力场作用下边墙两侧剪切滑移破坏而产生的挤压变形，其主要表现形式为边墙两侧向内收敛形成大变形，破坏形式如图2所示（直墙断面形式）。但对于相同条件下的曲墙边墙并未发生严重的剪切滑移破坏，这主要是因为曲墙断面形式对破坏形态的改变：当断面设置为曲墙时，人为将直边墙断面围岩剪切滑移破坏范围挖除，使剪切滑移面由边墙迁移至墙脚，故由墙脚剪切滑移破坏带动拱部整体下移，形成如圖1所示的破坏形式。

3.支护措施讨论

根据上述分析，由于正洞及斜井的破坏形态的不同，其对应的支护控制措施也不尽相同。

本工程中对于正洞的支护控制理念为控制拱部变形以及通过支护措施抑制墙脚发生剪切滑移破坏，故采取的主要方案及措施为：设置三台阶临时仰拱法施工，全环设I22b工字钢钢架，纵向间距0.5m；拱部设φ42mm超前小导管注浆加固，每根长3.5m，环向间距0.3m，纵向间距2m。各台阶脚均设置纵向槽钢和4根φ42mm锁脚锚管，纵向连接钢筋间距0.5m“Z”字形布置，当监控量测数据显示日变形量>5mm或累计变形量>100mm时，应增加横、竖支撑以限制变形，必要时在变形较大部位实施局部径向φ42mm钢花管注浆加固措施。

本工程中对于斜井的支护控制理念为控制斜井边墙位移，通过加强支护刚度、增加锚杆长度等方式防止直边墙处发生剪切滑移破坏，故采取的主要方案及措施为：设置台阶临时仰拱法施工，全环设I22b工字钢钢架，纵向间距0.5m；边墙处打设3.5m长锚杆，当监控量测数据显示日变形量>5mm或累计变形量>100mm时，应增加竖支撑以限制变形，必要时在变形较大部位实施局部径向φ42mm钢花管注浆加固。

由于大变形是围岩岩性、地下水以及地质构造等共同作用的结果，在保证支护强度的同时还应全面考虑：

（1）加强施工期间的综合超前地质预报工作，预判前后施工存在的风险，地质预报以超前探孔为主，在探明前方地质条件的同时，能提前疏排地下水。地下水发育时增加超前探孔至3～5孔。

（2）加强监控量测工作及数据整理分析，其成果信息应及时反馈以指导施工，并根据监测结果适时调整预留变形量；当监测数据显示变形较大时，及时采取横、竖支撑及径向加固等措施限制变形进一步发展。

（3）目前各工区变形以拱部初支突降为主，主要发生在中、下台阶开挖时，现场施工中应加强超前支护、锁脚锚管、系统锚杆、纵向连接筋、纵向垫脚槽钢的施工工艺，确保施工质量。

（4）掌子面存在地下水时，应及时将地下水归槽，各台阶基底积水应及时抽排，避免积水软化基底；各台阶钢架脚与台阶面的空隙应采用混凝土垫块或型钢或木板等垫实，不得悬空或放在虚碴上。

（5）施工中应做到快速施工，快速封闭成环，仰拱、二衬紧跟。

4.结束语

综上所述，不同的断面形式，大变形的表现形式不同。在本工程中，正洞与斜井围岩条件基本相同，地应力条件也基本相同，但曲边墙断面的大变形表现形式为拱顶沉降为主，直边墙断面的表现形式为边墙收敛为主；对于正洞的支护控制理念为控制拱部变形以及通过支护措施抑制墙脚发生剪切滑移破坏，对于斜井的支护控制理念为控制斜井边墙位移，通过加强支护刚度、增加锚杆长度等方式防止直边墙处发生剪切滑移破坏，必要时也宜调整为曲墙结构。

参考文献：

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