断层破碎带公路隧道超前支护效果研究

郑书笛，侯哲生，宋开忠，赵伟通

(烟台大学 土木工程学院 山东 烟台 264000)

作为我国交通网络中重要的组成部分，近年来公路隧道的建设规模越来越大，因此隧道施工过程中遇到的工程地质条件也更加复杂,施工困难和风险也更加严峻[1-3]。处于断层破碎带区的围岩比较破碎，其强度和稳定性也很差。遇到这类工程地质问题的隧道，必须采取有效的超前施工处理措施[4-5]。目前主要的超前支护措施有超前锚杆法[6]、超前长管棚法[7]、超前小导管法[8]、水平旋喷注浆法[9]、机械预切槽法[10]、冻结法[11]等。

其中超前小导管适用于地质条件比较软弱的隧道开挖，且对掌子面的稳定、地表的沉降、围岩的支护与加强都有一定的效果。超前小导管是沿着隧道洞身外轮廓线，采用外径40 mm左右、壁厚3 mm左右的中空小导管以一定的外差角(超前小导管或者双层超前小导管的第一层一般为10°～15°，双层超前小导管第二层一般为40°～45°)打入洞身周围的破碎岩体内，向小导管内打入一定压力的水泥浆液(加入5%左右的水玻璃)，其尾端支撑在钢拱架上，与钢拱架组成共同承载结构，以提高围岩承载力和岩体对结构的弹性抗力。现以位于荣成—乌海高速公路线上的营尔岭隧道工程为依托，采用MIDAS/GTS NX软件分析研究隧道开挖时超前小导管、双层超前小导管措施对周边围岩的不同加固效果，定量分析隧道周边围岩的位移以找出最优化方案。

1 工程概况

1.1 隧道概况

营尔岭隧道位于河北省涞源县境内，是荣成-乌海高速公路线路上的重点控制性工程，为左右线分离式双向六车道高速公路，隧道内建筑界限净宽约14.25 m，净高约5 m。营尔岭隧道左线大约长5 656 m，右线大约长5 677.3 m，全程共有16处行人横洞，7处行车横洞，2处联络风道，1处配电洞室，竖井1座(高度98 m，直径5.2 m)。

1.2 工程地质概况

营尔岭隧道位于中朝准地台燕山沉降带和山西中台隆的结合部位，地质构造较为复杂，隧道穿越区内断层构造发育。前期地质勘查报告表明对隧道围岩影响比较大的断层破碎带主要有F18、F19两条，此外还有一条影响比较小的物探推测带。此三条断层的主要结构为构造角砾岩，构造造成地层错位、岩浆岩脉频繁侵入。其中F18断层破碎带位于侏罗纪白云岩及安山岩接触处，洞身程桩号为YK103+540，主要为平移断层，走向北北东，倾向北西，倾角大约为61°，断层构造长约3 km，影响带宽度大约为15 m。

1.3 隧道施工设计

F18断层破碎带范围内的构造角砾岩岩体极为破碎，围岩自稳能力差，按Ⅴ级围岩进行支护，破碎区两侧附近围岩为微风化白云岩和中风化安山岩，爆破震动过大容易导致大塌方且紧邻破碎区，均按Ⅴ级围岩进行支护。破碎区段埋深约为292 m，属于深埋隧道段，采用双侧壁导坑法开挖，施工过程中初期支护应及时落地封闭，必要时应采取超前支护措施。以喷混、钢筋网、钢拱架、系统锚杆等组成的初期支护与二次衬砌组成复合式衬砌作为隧道的主要支护结构。其中初期支护包括28 cm厚C25喷射混凝土、双层Φ8钢筋网(间距20 cm×20 cm)、20b工字钢拱架(纵向间距60 cm)；复合防水层由350 g/m2土工无纺布、1.5 mm厚单面自粘防水板组成，二次衬砌为60 cm厚C30钢筋混凝土。本工程中双侧壁导坑法的具体施工工序为：①左导坑开挖；②左导坑初支及临支；③右导坑开挖；④右导坑初支及临支；⑤上台阶开挖；⑥拱顶初支；⑦下台阶开挖；⑧仰拱初支；⑨仰拱两侧二衬；⑩仰拱回填。具体衬砌设计及开挖方法如图1所示。

图1 隧道衬砌设计及开挖工序断面图

超前小导管采用外径42 mm,壁厚4 mm的热轧无缝钢管，钢管前端为尖锥状，尾部与Φ6加劲箍焊接，管壁四周钻Φ8 mm注浆孔，小导管尾端70 cm内不设注浆孔。施工时超前小导管外差角取15°左右，环向间距40 cm，超前小导管设计及大样图如图2、图3所示。

图2 隧道超前小导管设计图

图3 小导管大样图

浆液注浆参数:水泥浆与水玻璃体积比1∶0.5,水泥浆水灰比1∶1，水玻璃浓度取35波美度，水玻璃模数取2.4。注浆压力：初压0.5 MPa～1.0 MPa，终压2.0 MPa。单根管注浆量Q计算公式为[12]:

式中:Rk为浆液扩散半径，一般取(0.6～0.7)×环向间距；L为小导管长度；η为围岩空隙率，一般取25%；α为浆液填充率，一般取0.7～1.0；β为浆液损耗系数，一般取1.1～1.4。

2 隧道建模

2.1 建立模型

模型选取隧道F18断层破碎带及附近范围，由圣维南原理[13]和工程实际可知，在3倍～5倍洞跨外的范围，隧道开挖对周围围岩的应力和应变影响一般很小。因此本模型的尺寸在此范围内选取可满足计算精度要求，最终尺寸选取为140 m×130 m×46 m。拱顶距模型上表面约72 m,拱底部距模型下表面约48 m，拱腰距离模型两侧表面约62.5 m。模型边界约束：隧道模型左右两侧边界约束TX水平方向位移，模型底部边界约束TX、TY、TZ三个方向位移，模型前后两个边界约束TY竖直方向位移[14]。其中断层破碎区位于模型中部，倾角61°，隧道洞身破碎区大约位于距进口16 m～30 m处，具体模型如图4、图5所示。

图4 有限元计算模型

图5 超前小导管模型图

2.2 计算参数

莫尔-库仑模型按照理想弹塑性定义，广泛应用于模拟岩土材料，对一般岩土非线性分析来说其结果较为可靠。因此本模型中围岩及注浆加固区采用莫尔-库仑本构模型，通过3D实体单元模拟。初期支护、临时支护以及系统锚杆、小导管采用弹性结构模型，其中初支临支通过2D板单元模拟，锚杆、小导管通过1D植入式桁架模拟。计算参数结合《公路隧道设计规范》[15](JTG D70—2004)及《公路隧道设计细则》[16](JTG/T D70—2010)，具体如表1所示。

表1 计算参数

3 数值模拟与结果分析

模型按照双侧壁导坑法的开挖顺序进行不同工况的模拟，每一步开挖后及时施作初期支护或超前支护。其中开挖后开挖左导坑4 m后开挖右导坑，开挖右导坑6 m后开挖上台阶，开挖上台阶8 m后开挖下台阶。开挖过程中每一开挖进尺为2 m，开挖长度为46 m，一共分为64个施工步。具体工况如下：工况1无超前支护开挖；工况2仅超前小导管支护开挖；工况3超前小导管注浆开挖；工况4双层小导管注浆开挖。

3.1 开挖完成后围岩变形分析

由于隧道开挖过程中拱腰两侧的水平位移和拱顶的竖向沉降是影响隧道安全的重要因素，现选取四种不同工况下隧道开挖完成后周边围岩的水平和竖向位移情况，即最后一个施工步S64阶段的最大水平位移和竖向位移分析，最大绝对位移量以及距离隧道进口的具体距离统计如表2所示。

由表2可知，在距隧道进口25 m的左导坑拱底处，四种工况下拱底围岩的最大竖向拱起量均在32 mm左右，可见超前小导管、超前小导管注浆以及双层超前小导管注浆对隧道拱底的支护作用很小。

工况1与工况2相比较，在距离隧道进口17 m的右拱腰处，围岩最大水平位移量由42.79 mm下降到27.76 mm,相对降低了35.13%，效果明显。左拱腰处围岩的最大水平位移由39.99 mm减少到32.42 mm,相比右拱腰仅降低了18.9%，但最大水平位移位置却由左拱腰17 m处转移到左临支8 m处。工况2下破碎区拱顶的最大沉降比工况1下相对降低了7.41%。

表2 S64施工阶段不同工况下围岩位移量及距进口距离

工况2、工况3、工况4相比较，从最大绝对位移出现位置来看，工况2与工况3的处理效果差别较大，而工况3与工况4的最大绝对位移量以及出现位置两个指标相差几乎不大。工况3下，最大水平位移和负向水平位移以及最大竖向位移依次比工况2下相对降低了12.31%、4.14%、39.01%；工况4下比工况3分别相对降低了2.04%、1.39%、12.37%。可以看出工况3下对围岩的加固效果要明显优于工况2，而工况4下对围岩的加固效果略优于工况3。但工况3、工况4对隧道拱顶的沉降处理效果要远优于前两种工况，且工况4对拱顶的沉降抑制比工况3效果更明显。

四种工况下的最大绝对位移只有竖向拱起量这一指标都发生在左拱底25 m处，位置基本无变化，除此之外其他情况下的最大绝对变形量以及变形位置两个指标基本都发生了变化。为更好的利用控制变量法进一步研究超前支护措施对最不利点的处理效果，现以工况1除拱底之外的三个最不利点为固定参考点，分析这三个最不利点在不同超前支护工况下的水平或竖向位移情况，具体位移量如图6所示。

图6 不同工况下参考点的位移对比

从折线图6来看，工况1即无任何超前支护情况下拱顶的竖向位移以及左右拱腰的水平移最大，三种超前支护方式对最不利点的处理效果超前小导管注浆要优于仅采用超前小导管，而双层小导管注浆要优于超前小导管注浆。

3.2 开挖过程中不同工况对破碎区的扰动

以破碎区内拱顶29 m处、左拱腰17 m处、右拱腰17 m处三个最不利点为例，探究隧道开挖过程中不同超前支护措施对掌子面前方围岩位移的影响。图7为隧道开挖过程中破碎区各点位移变化。

图7 隧道开挖过程中破碎区各点位移变化

由图7可知，隧道拱顶29 m处开挖是在S39阶段，而在S35阶段(隧道拱顶25 m处)四种工况的竖向位移开始出现较大差异，分别为-9.57 mm、-9.31 mm、-6.03 mm、-5.17 mm。从S35阶段到S39阶段工况3、工况4下的竖向沉降相对于工况1、工况2急剧减少，而工况1、工况2的沉降曲线却相差不大，S39阶段过后四条曲线随着围岩开挖应力重分布后之后逐渐趋于稳定。左、右拱腰17 m处的开挖分别在S17、S21两个阶段，其中左拱腰水平位移在S15阶段(左拱腰15 m处)开始出现较大差异，分别为2.49 mm、2.48 mm、1.98 mm、0.97 mm；右拱腰水平位移在S18阶段(右拱腰14 m处)开始出现较大差异，分别为-0.62 mm、-0.62 mm、-0.52 mm、-0.37 mm。

4 结 论

本文以穿过断层破碎带的营尔岭隧道为例，研究分析了超前小导管、超前小导管注浆、双层超前小导管注浆等超前支护措施的支护效果，可以得出以下结论：

(1) 超前小导管、超前小导管注浆以及双层超前小导管注浆等对隧道仰拱处的围岩变形影响较小。

(2) 仅采用超前小导管对极破碎围岩拱腰处的加固效果要优于拱顶处；超前小导管注浆对极破碎围岩拱顶处的加固效果明显优于拱腰处，双层小导管注浆对极破碎围岩拱顶处的沉降处理效果优于超前小导管。

(3) 三种超前支护方式对最不利点的处理效果超前小导管注浆要优于仅采用超前小导管，而双层小导管注浆要优于超前小导管注浆。

(4) 仅采用超前小导管对掌子面前方破碎岩体的加固改善范围较小；超前小导管注浆以及双层超前小导管注浆对掌子面前方4 m内的拱顶范围破碎围岩加固改善效果较为明显，而对于拱腰处，掌子面前方3 m范围内的围岩加固效果较为明显。