高速公路隧道软岩变形控制与分析

郜安安

（山西路桥第六工程有限公司一分公司，山西 晋中 030600）

隧道施工受到地质情况和周边环境的影响，造成现场施工情况多变。软弱围岩自稳能力差，自身强度低，在受到隧道施工扰动后变形量大，容易造成隧道结构出现大变形[1]。由于隧道地质情况复杂，施工现场可能出现由于围岩变形量大、速度快等问题，造成支护结构开裂，侵入建筑限界，甚至出现塌方事故。新奥法施工采用动态施工管理，根据施工现场围岩的基本情况实时调整施工参数，保证隧道支护结构的稳定性。基于207国道左权至黎城界公路工程桥上隧道现场施工实践，在施工中由于软弱围岩产生了较大变形，导致围岩结构开裂。通过对隧道内地质情况进行详细调查，对支护参数进行了优化设计，并选取有代表性的测点进行监控量测，分析拱顶下沉、周边位移和围岩压力的变化情况，为确定隧道支护结构的稳定性提供参考。

1 软岩隧道支护原理

隧道开挖后，改变了软弱围岩的受力状态，围岩应力快速释放出来。当围岩应力超过岩体强度后，围岩结构产生塑性化，进而产生较大的变形。为了抵抗围岩塑性变形，必须采取有效的支护结构进行加固，减少围岩应力的影响。将软弱围岩的重力、膨胀力等向隧道内部运动的力的合力记作，其表达式[2]为：

2 依托项目简介

207国道左权至黎城界公路工程桥上隧道位于山西省左权县桥上村，隧道轴线走向约200°。洞体左线全长2 247 m，进口段里程桩号为LK33+710，洞口底板设计高程为1 036.744 m，出口段里程桩号为LK35+957，洞口底板设计高程为986.819 m，洞体最大埋深113.44 m，位于LK34+800；洞体右线全长1 893 m，进口段里程桩号为RK33+732，洞口底板设计高程为1 035.178 m，出口段里程桩号为RK35+625，洞口底板设计高程为998.236 m；洞体最大埋深115.51 m，位于RK34+800。

桥上隧道所处地段地质构造形迹以褶皱为主，伴生有北东向和北西向的断裂构造。隧址区构造简单，属单斜山，岩层产状300°∠14°。该隧道围岩等级主要为Ⅳ级和V级围岩，以V级围岩为主。岩性为第四系覆盖层、震旦系串岭沟组强风化砂岩，岩体较破碎、围岩自稳能力差，易坍塌，侧壁不稳定，不能裸露时间过长，否则会有掉块或塌方。隧道围岩为软弱围岩，围岩压力持续增加，增长速度最高可达到0.10～0.2 MPa/d，围岩压力较大且不断增加。隧道洞身也产生了较大的变形，造成隧道初期衬砌开裂。施工中对隧道支护参数进行优化，并对优化后的初期支护结构进行监控量测，分析监测数据、变形控制效果。V级围岩地段隧道支护参数如表1所示。

表1 V级围岩地段隧道初期衬砌主要支护参数

3 隧道初期支护参数优化

3.1 锁脚锚杆设计优化

本项目施工采用三台阶开挖法，多次开挖对围岩产生扰动会导致初期支护结构整体下沉、侧移和收敛。在隧道支护结构中设置锁脚锚杆，可有效减少变形。本项目隧道软弱围岩地段锁脚锚杆设计长度为3.5 m，施工中发现支护结构出现了明显的下沉、侧移和收敛变形。由于边墙处的围岩位移和周边位移变形最大，优化后中台阶锁脚锚杆长度为6 m，上下台阶锁脚锚杆长度为5 m。

3.2 钢支撑参数优化

钢支撑可有效提高隧道初期衬砌的刚度，抵抗软弱围岩变形应力。本项目浅埋洞口段采用Ⅰ20a工字钢，布置间距60 cm。施工监控量测数据显示，支护结构拱顶下沉、周边位移变形量均较大。优化后采用Ⅰ22b代替Ⅰ20a工字钢，布置间距为60 cm不变。

3.3 超前小导管优化

超前小导管可有效加固掌子面前方软弱围岩，减少超挖，降低围岩变形，提高施工安全。本项目软弱围岩地段超前小导管设计采用φ42超前小导管，长度为4.5 m，环向间距为40 cm，外插角为8°。施工中出现了较大超挖，监测后围岩压力较大，这是造成初期衬砌变形开裂的主要原因之一。对超前小导管进行优化设计，仍采用φ42无缝钢管，长度为5 m，环向间距为30 cm。

4 围岩变形控制效果分析

4.1 洞身变形控制结果分析

通过对支护参数进行优化，并采取措施进行围岩变形控制，大大提高了隧道围岩的支护效果。为了检验加固后的隧道围岩控制效果，选取有代表性的断面进行拱顶下沉和周边位移量测。选取桥上隧道LK34+210断面作为监测断面，在拱顶设置下沉测点，并分别在拱腰、边墙和墙脚布置周边位移测点，通过跟踪量测确定洞身变形情况如表2所示，洞身变形曲线如图1。

表2 LK34+210断面洞身变形监测结果

图1 LK34+210断面隧道洞身变形分析曲线

分析表2数据和图1曲线，拱顶下沉早期变形量相对较大，变形速率2～3 mm/d，观测期间最大变形量为17 mm，且变形趋于稳定。拱腰周边位移早期变形速率为3～4 mm/d。边墙开挖后变形量和变形速率增大，变形速率达到5 mm/d。仰拱开挖后墙脚周边位移明显增加，开挖当天变形量达到4 mm，仰拱支护完成后洞身周边位移变形速率不断降低，变形趋于稳定，说明初期支护后隧道洞身围岩变形稳定。

4.2 围岩压力监测结果分析

在LK34+210拱顶、拱腰和边墙布置测点，埋设压力盒，监测隧道围岩压力，绘制围岩压力时程曲线如图2、图3和图4。

分析图2曲线，隧道上台阶开挖后，围岩压力不断增大，开挖后5 d内围岩压力超过0.1 MPa后有所下降。边墙开挖后围岩压力再次提高，出现了较大波动。由于支护结构的作用，围岩压力在边墙支护后有所下降，而后虽然有所增加，但变化幅度很小，说明拱顶处围岩压力基本稳定。

图2 LK34+210断面拱顶围岩压力时程曲线

图3 LK34+210断面拱腰围岩压力时程曲线

分析图3曲线，隧道拱腰围岩压力在上台阶开挖支护后，在支护结构的作用下，围岩压力增加幅度较小。边墙开挖后拱腰部位围岩压力不断增加，且增加幅度较大，增速较快，最大增速达到0.03 MPa/d。当隧道仰拱施工完成后，围岩压力增加速度不断下降，且14 d后变形逐步趋于稳定。

图4 LK34+210断面边墙围岩压力时程曲线

分析图3曲线，隧道边墙围岩压力在开挖后迅速释放出来，且增加速度较快，最大速率达到0.03 MPa/d。隧道仰拱开挖后围岩压力明显增加，其中左侧边墙增幅较大，围岩压力接近0.1 MPa。仰拱支护后围岩压力有所降低，且后期围岩压力增速趋缓，并逐步趋于稳定。

综上所示，优化隧道支护参数后，隧道围岩压力明显下降。施工中所产生的扰动是造成隧道围岩压力增大的主要因素，在拱部、边墙、仰拱开挖后隧道围岩压力均产生了一定幅度的增加。但在进行支护后，隧道围岩压力明显下降，说明支护效果良好。在经过一定时间的监测后，隧道拱部、拱腰、边墙的围岩压力已逐步趋于稳定，说明围岩结构支护后处于稳定状态。

5 结语

结合隧道软岩支护原理，以207国道左权至黎城界公路工程桥上隧道工程为研究背景，对隧道支护结构进行优化。通过选取有代表性的监测断面，布置测点观测隧道拱顶下沉、周边位移和围岩压力，分析数据和变化曲线得出以下结论：

a）监测数据表明：隧道拱顶下沉和周边位移的早期变形速度较快，在边墙开挖后变形速度较快，最大变形速率达到5 mm/d，仰拱开挖支护后变形逐渐趋于平缓，说明洞身变形趋于稳定。

b）隧道围岩压力的监测结果表明：隧道拱部、边墙、仰拱开挖后围岩压力均产生了一定幅度的增加，且在支护后隧道围岩压力明显下降。经过一段时间的监测，隧道各部位围岩压力逐步趋于稳定，说明支护达到了预期效果。

c）通过对支护参数优化后的隧道支护结构进行监测分析，拱顶下沉、周边位移和围岩压力均产生了大幅度的下降，且变形基本趋于稳定，说明调整后有效提高了隧道的稳定性，达到了预期的目的。