双层初期支护在云屯堡隧道高地应力软岩洞段中的应用

钟友江， 刘世杰， 吴建和

(中铁二局集团有限公司， 四川 成都 610032)

0 引言

高地应力软岩大变形隧道具有变形量大、变形速率快、变形持续时间长的特征，因而与一般隧道不同，初期支护的设计和施工普遍遵循“放抗结合”的原则[1-3]。对于如何实现“放抗结合”的设计和施工原则，长期以来广大隧道工程技术人员积极探索，尤其是近几年，通过兰渝铁路、西成铁路等多个大变形隧道的实践总结，逐渐形成了一套有效应对高地应力软岩大变形问题的设计和施工技术。概括起来就是隧道断面采用受力结构更优的圆形或近圆形，初期支护采用双层结构、2次施作，初期支护及早封闭成环，二次衬砌在围岩变形趋于收敛后适时施作。其中的双层支护结构施作是在开挖时预留较大的变形量，为双层初期支护预留足够的施作断面，开挖后立即施作第1层初期支护结构并开展监控量测，在围岩应力部分释放后再适时施作第2层初期支护结构，最终控制其变形速率和累计变形量。

近年来，有关隧道双层初期支护施工技术的研究较多，成果丰富。王洪昌[4]重点研究了双层初期支护的力学传递方式、双层初期支护厚度分配、第2层初期支护施作时机等；黄新梅[5]、司剑钧[6]分别开展了双层支护及双层衬砌试验对比研究，认为双层初期支护和双层衬砌都能有效控制围岩大变形，但双层初期支护更方便现场实施；韩现民等[7]通过对双层初期支护力学效应及支护施作时机的研究认为，第2层初期支护施作最佳时机为内层支护与外层仰拱同时施作；岳英武[8]对兰渝铁路木寨岭隧道大变形的特征及施工控制进行了研究，认为大变形控制应遵循加强支护、及时封闭、第1层初期支护一次到位、第2层初期支护适时施作的原则；刘阳等[9]、张天宇[10]分别通过对兰渝铁路木寨岭隧道、黑山隧道大变形机制进行研究，提出了超前预加固、调整隧道断面、采用长锚杆、提高支护结构强度等大变形控制措施；张德华等[11]依托西成客专阜川隧道炭质页岩段进行的双层支护现场试验，认为第2层支护应以保证第1层支护的薄弱部位不破坏为原则，薄弱部位的径向位移速率可作为判定第2层支护施作时机的依据。

上述研究成果普遍认为采用双层初期支护对于控制隧道大变形是有效的措施之一。但对于双层初期支护中内、外2层钢拱架的布置方式均未涉及，现场做法存在2种方式，一种是与第1层钢拱架交错布置，另一种是与第1层钢拱架叠加布置；另外，对于双层初期支护中的第2层初期支护的施作时机，研究结果也有差异。为更好地指导高地应力软岩大变形隧道现场施工，本文结合成兰铁路云屯堡双线隧道工程，对双层初期支护中内外2层钢拱架的布置方式和第2层支护施作时机进行了分析和研究，以期研究结果为类似工程施工提供参考。

1 工程概况

1.1 工程地质

成兰铁路云屯堡隧道位于四川松潘县境内，处于横断山区东缘，且位于龙门山断裂带、西秦岭断裂带、岷江断裂带构成的“A”形三角形断块中，地质构造复杂活跃；围岩岩性以千枚岩、板岩等软岩为主，揉皱和挤压强烈，裂隙发育，岩体破碎，隧道最大埋深720 m，汶川地震效应显著，进口端地质纵剖面图见图1。

图1 云屯堡隧道进口端地质纵剖面图

设计勘察期间，在D6K228+085左侧8 m处采用水压致裂法测试地应力，终孔深度为456.83 m。实测洞身附近的最大水平主应力值为15 MPa左右，估算的垂向主应力约为12 MPa，最大主应力方向为N31W～N52W,优势方向约为N42W，与隧道走向夹角为16°。

变更设计前，采用声波法，利用SR-RCT松动圈测试仪分别在3号横洞工区的D5K219+057断面和4号横洞工区的D5K219+077断面进行松动圈测试，每个断面左右边墙各布置1个检测孔，孔深20～22 m，孔径100 mm。实测D5K219+057断面的松动圈约为6.0 m，D5K219+077断面的松动圈约为7.5 m。典型的孔深-波速曲线见图2。

1.2 设计优化

前期施工中，云屯堡隧道进口端的3#、4#横洞工区均发生了大变形，拱顶最大变形量达551 mm，出现了钢拱架扭曲、混凝土开裂掉块以及大面积初期支护侵限等问题。究其原因，虽然隧区地应力以水平构造应力为主，但因最大主应力方向与隧道轴线呈小角度相交，且最大水平主应力与垂直主应力差值不大，加上围岩软弱承载力低和施工等因素的影响，隧道开挖后的围岩和初期支护变形以拱顶沉降为主，边墙收敛次之。经参建各方充分研讨，设计优化了隧道断面形式，加大了预留变形量，加强了初期支护，即由单层初期支护优化为双层初期支护结构，并增设了系统长锚杆等。双层初期支护参数见表1。

(a) D5K219+057左侧测试孔 (b) D5K222+057右侧测试孔

图2 孔深-波速曲线

Fig. 2 Relationship between hole depth and wave velocity

表1 云屯堡隧道大变形段双层初期支护参数

2 双层初期支护作用机制及问题的提出

2.1 双层初期支护作用机制

隧道开挖后，围岩由初始应力状态转换为二次应力状态，围岩发生一定的应力释放和塑性变形，初期支护的主要作用是抑制塑形区的发展、阻止应力松弛、控制周边位移等。根据王洪昌[4]对作用在双层支护上的压力pa与支护变形关系的研究可知，双层初期支护受力破坏关系曲线如图3所示。

由图3可知，采用双层初期支护进行支护时，先施作一定厚度的第1层初期支护，其受力特征曲线为AC；围岩释放应力并作用在第1层初期支护结构上，因其抗弯刚度不足以抵抗围岩应力所需，第1层初期支护发生塑性变形，受力特征曲线为CC′；此时，通过施作第2层初期支护与第1层初期支护共同作用，进一步增大初期支护的抗弯刚度，初期支护结构恢复弹性变形，并最终与作用在支护结构上的力pa达到平衡，其受力特征曲线为C′D。

图3 双层初期支护受力破坏关系曲线

2.2 问题的提出

按照双层初期支护的作用机制，第2层初期支护需滞后第1层初期支护施作，即待地应力部分释放和围岩部分变形后及时施作，以达到既允许地应力得到一定程度的释放又不能让地应力的释放破坏第1层初期支护结构的目的。基于此，成兰铁路云屯堡隧道设计文件要求第2层初期支护在第1层初期支护成环后及时施作。对于现场施工来说，第2层初期支护施作涉及2个问题： 1)第2层初期支护的钢拱架与第1层初期支护钢拱架在空间上是采用叠加还是交错布置更有利于变形控制的问题； 2)第2层初期支护施作时机的问题，即第2层初期支护宜滞后第1层初期支护多长距离施作。

3 双层初期支护钢拱架布置方式比较

双层初期支护内外2层钢拱架的布置方式有2种： 1)第2层初期支护钢拱架在第1层钢拱架处叠加布置(如图4(a)所示)； 2)第2层初期支护钢拱架交错布置在第1层钢拱架之间的中间位置(如图4(b)所示)。由于云屯堡隧道设计文件中未明确双层初期支护中2层钢拱架的布置方式，因此在先导试验段施工前采用数值模拟方法对2种布置方式进行了比较研究，通过模拟计算2种布置方式下钢拱架的位移和最大主应力来判断哪种布置方式更好。

(a) 叠加布置

(b) 交错布置

3.1 计算模型的建立

云屯堡隧道大变形段设计断面最大宽度为15.3 m，高度为14.59 m。隧道采用台阶法开挖，上台阶开挖高度为7.6 m，下台阶高度为3.7 m，隧底高度为3.29 m，上台阶与下台阶的台阶长度为8 m，隧底滞后下台阶12 m。结合隧道收敛变形与掌子面距离之间的关系可知，模型长度方向取60 m较为合适。按照圣维南原理，模型隧道两侧宽度和上下高度取2.5倍洞径较为合适，故模型高度取90 m，宽度取90 m，计算模型[12-15]如图5所示。

图5 计算模型

3.2 计算参数的选取

根据云屯堡隧道地勘报告可知，大变形段隧道围岩为富水千枚岩，围岩物理力学参数见表2。根据《铁路隧道设计规范》可知，喷射混凝土的抗压强度为19 MPa，内摩擦角为35°左右。根据规范中的公式可以求出相应的黏聚力C0=4.94 MPa，HW200钢拱架+C30喷射混凝土支护结构的等效弹性模量E、等效黏聚力c和等效抗拉强度ft通过等效换算考虑。初期支护结构物理力学参数见表3。

表2 围岩物理力学参数

表3 初期支护结构物理力学参数

3.3 模拟计算过程

计算过程分为3步，包括： 边界条件的施加、初始应力场的生成、开挖计算。

1)边界条件施加。考虑到计算工况是深埋，且建立的模型尺寸远小于实际埋深，故取边界条件为固定全部边界法向位移。

2)初始应力场生成。根据相关地勘报告可知，该地段水平应力为15 MPa，竖直应力为12 MPa。

3)开挖计算。台阶法工况，下台阶滞后上台阶8 m；开挖循环进尺为0.6 m，其中，第1层初期支护0.2 m布置钢拱架和喷射混凝土，其余0.4 m喷射混凝土；第2层初期支护同样0.2 m布置钢拱架和喷射混凝土，其余0.4 m喷射混凝土；第2层初期支护比第1层初期支护延后10 m布置。

3.4 计算结果

交错和叠加2种布置方式下钢拱架的Z向位移如图6所示，最大主应力如图7所示。

(a) 交错布置

由图6可以看出，交错布置方式下钢拱架Z向最大位移发生在拱顶和拱底，拱顶的最大反向位移为12.52 cm，叠加布置方式下钢拱架拱顶Z向位移为15.84 cm，即交错布置方式下钢拱架双层初期支护产生的位移最小，更有利于隧道开挖。由图7可知，交叉布置和叠加布置方式下钢拱架双层初期支护隧道在开挖过程中均是上台阶拱脚处的竖向应力最大，交错布置方式下钢拱架的最大主应力值为2.33 MPa，叠加布置方式下最大主应力值为2.75 MPa，即交错布置更有利。

(a) 交错布置

(b) 叠加布置

4 第2层初期支护的施作时机

根据云屯堡大变形段隧道现场施工情况，采用台阶法开挖，模拟计算第2层支护滞后第1层支护0、1.6、2.4、3.2、4.0、7.0、10.0、15.0、20.0 m共9种工况下的塑性区、位移和最大主应力，用来比较分析第2层支护的最佳施作时机。模型建立、参数选取和计算过程同第3节。

4.1 塑性区模拟计算

通过进行模拟计算分别得到9种工况下的塑性区图，如图8所示。由图8可以看出，塑性区面积随滞后距离的增加而增加。

4.2 不同工况下的Z向位移、最大主应力模拟计算

通过对9种不同工况下的拱顶位移、拱脚最大主应力进行数值模拟，得到不同工况下的拱顶Z向位移和拱脚最大主应力，如图9和图10所示。

由图9可知，隧道开挖后拱顶位移随第2层支护滞后的距离逐渐增大，但增加的幅度不同，在滞后距离0～7 m内，位移增加较慢；在滞后距离大于7 m后，位移增加较快。由图10可知，隧道开挖拱脚最大主应力随滞后距离的增大而减小。

(a) 滞后0 m (b) 滞后1.6 m (c) 滞后2.4 m (d) 滞后3.2 m (e) 滞后4.0 m

图9 不同工况下的拱顶Z向位移

图10 不同工况下的拱脚最大主应力

5 现场实施情况

根据对双层初期支护钢拱架的布置方式和第2层初期支护施作时机的理论分析和研究结果可知，云屯堡隧道大变形段按照上台阶开挖支护—下台阶开挖支护—仰拱开挖支护—仰拱二次支护—仰拱及填充混凝土—拱墙二次支护—二次衬砌的施工顺序组织施工。

5.1 洞身开挖

考虑到隧道围岩自稳能力差、开挖跨度大、高度大等因素，洞身采用短台阶法开挖，台阶长度控制在8 m左右，如图11所示。此外，由于是先导试验段，为避免初期支护侵限和拆换，预留变形量在设计的基础上加大了15 cm，后期根据量测情况动态调整。

(a) 示意图

(b) 现场施工图

5.2 双层初期支护施工

双层初期支护中的第1层初期支护，由上至下随开挖步序依次施作；第2层初期支护与第1层初期支护的顺序正好相反，按照由下至上的顺序进行施工。在隧底部位第1层初期支护施工的同时，将隧底部位的第2层初期支护一并施工完成，然后根据围岩的变形情况及时施作拱墙部位的第2层初期支护，一般滞后隧底初期支护1～2个循环的距离。安装第2层初期支护的钢拱架时，与第1层初期支护的钢拱架呈交错布置形式。

因云屯堡隧道大变形段系统锚杆中，拱部、边墙、隧底的锚杆长度分别为6、10、5 m，一般的凿岩机既无法满足钻孔深度的需要，更不能保证钻孔角度要求，因此，只有配置锚杆台车或凿岩台车实施系统锚杆钻孔作业才能保证钻孔深度和钻孔角度。为此，在先导试验段施工中，配置了锚杆台车。同时，为解决双层初期支护钢拱架安装工作量大、HW200单节钢拱架重、作业空间大以及人工安装速度慢、安全风险高的问题，还配置了钢架安装机用于钢拱架安装。双层初期支护现场施工图见图12。

(a) (b) (c)

5.3 实施效果

通过采取上述措施，云屯堡隧道大变形问题得到了有效控制。经统计，大变形段一般沉降速率为5～12 mm/d，收敛速率为5～10 mm/d，最大沉降速率为43 mm/d，最大收敛速率为19 mm/d；一般累计变形为230～350 mm，收敛趋于稳定时间一般为30 d，最长可达3个月。采取措施前后变形情况对比见图13。同时，由于变形得到了有效控制，初期支护破坏侵限问题得到了根本解决，采取措施前后整体效果对比见图14。前期频繁发生的初期支护结构拆换现象大大减少，隧道施工较为有序，施工进度显著加快，平均月进尺为20.8 m，其中最小月进尺为15.5 m，最大月进尺为26 m。

经对部分断面进行实测可知： 围岩与支护接触压力累计值为0.15～1.70 MPa，其中，拱腰处接触压力为0.7～1.7 MPa，拱顶处接触压力为0.4～1.4 MPa，总体来说接触压力较大； 钢拱架内力为-47.8～-306.1 MPa，其中，拱顶和拱腰处内力较大，接近或超过钢筋屈服强度，钢拱架受力大；初期支护混凝土内部应力累计值为-2.220～-37.903 MPa，局部接近或超过混凝土设计强度(C35)，表明初期支护混凝土受力大；锚杆拉应力值为18.40～50.50 MPa，受力较小，可能与锚杆注浆质量以及围岩松动圈较大有关。实测D5K219+057断面的围岩压力和钢拱架应力如图15所示。

(a) 采取措施前

(b) 采取措施后

(a) 采取措施前

(b) 采取措施后

(a) 围岩压力

(b) 钢拱架内力

6 结论与建议

1)双层初期支护结构中，第1层与第2层钢拱架宜采用交错布置形式，其更有利于控制高地应力软岩大变形的位移和应力，减少钢拱架扭曲变形和喷射混凝土开裂。

2)采用双层初期支护时，如采用台阶法开挖，宜采用短台阶法，控制台阶长度，为第2层初期支护及时施作创造条件。

3)第2层初期支护应滞后第1层初期支护一定距离施作，并应根据变形量结合第1层初期支护内力参数、地下水等因素综合动态确定。

4)有效控制高地应力软岩大变形不仅需要科学合理的技术措施和施工方法，而且需要严密的现场施工组织和管理，确保快速有序地施工。

5)本次研究中，受现场开挖工法的影响，拱墙的第2层初期支护未能在滞后掌子面7 m内及时施作，这也是实测变形量较数值模拟值大的主要原因。建议下一步对下台阶与隧底同步开挖支护的工法进行研究，实现第2层初期支护在滞后7 m工况下施作的变形控制。