大断面公路隧道初支优化与变形控制

摘要 膨胀土容易引起收缩破坏，对隧道施工质量造成了很大危害，为了限制其变形，可在工程建设中提高钢拱架强度并预留变形量。文章以钢拱架取代了钢格栅，以提高钢拱架强度。提高预留变形量到25 mm，在后续建设中有效抑制了隧道变形。试验结果表明：隧道变形的主要原因为围岩变形、初支抑制围岩变形的能力不足和初期支护预留变形量不合理。通过使用钢拱架可有效抑制隧道变形率，相对于钢格栅降低了35%。通过提高预留变形量，可改善隧洞稳定性，从而抑制其变形。通过提高预留变形率，可减少二衬混凝土用量，进而起到了降低工程造价的作用。

关键词 膨胀土;隧道;变形;控制

中图分类号 U445.7 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）12-0163-03

收稿日期：2022-03-22

作者简介：周海林（1986—），男，本科，工程师，研究方向：公路工程。

0 引言

膨胀土主要成分为黏土矿物，水对其体积影响大，具有亲水性，在吸水后体积改变较小，而在失水后收缩量较大。膨胀土存在显著的胀缩性，对工程的安全性与稳定性有着严重的影响。

邢发红等[1]以某地区膨胀土隧道为研究对象，利用有限元软件计算其安全系数及位移。总结影响膨胀土隧道稳定性的因素。杨军平等[2]开展干湿循环试验，研究膨胀土隧道的内力及变形规律。丁小平[3]以某地区隧道为例，分析膨胀土对施工过程的影响，总结了施工过程的注意事项，以保证施工的安全性。陈纤等[4]对膨胀土进行有限元分析，并对比正交试验结果，分析影响隧道稳定性的关键因素。

该文以西南地区某大断面公路隧道为研究对象，分析施工过程中存在的问题。通过在施工中增大钢拱架刚度和预留变形量，抑制膨胀土隧道的变形量。分析上述措施对膨胀土变形的改善效果，优化施工方案。为膨胀土隧道施工提供了理论支持与参考依据。

1 工程概况

某公路隧道位于我国西南地区，受西南地区地形限制，隧道通过地区为山区，地形复杂，地势高低起伏不平，冲沟沟谷为V形。地质构造十分复杂，地层为主要为第四系全新统洪积砂质黄土，滑坡堆积块石土;上更新统风积砂质黄土和细圆砾土;中更新统冲积砂质黄土，下伏第三系泥岩夹砂岩。隧道局部穿越膨胀土地段。该工程膨胀土自由膨胀率20%～60%，膨胀力5～40 kPa，饱和吸水率12%～29%，对隧道围岩稳定性影响较大。

2 膨胀土施工难点及现场情况分析

2.1 施工难点分析

2.1.1 预留变形量确定困难

由于膨胀土隧道的变形程度及变形量难以预测，在实际工程中，变形预留量问题成为施工过程中的难点。膨胀土吸水后体积会显著增大，当预留变形量不足时，会导致初支受膨脹土挤压而发生开裂的情况，影响隧道的稳定性和施工过程的安全性[5]。如采用较大的预留变形量，施工过程中需要更多的建筑材料，导致工程造价较高，无法保证工程的经济性。

预留变形量是保证膨胀土隧道安全性与经济性的重要因素。在保证施工过程安全性的基础上，降低工程的造价，需要合理选择预留变形量。

2.1.2 支护参数选择困难

目前隧道设计大多采用复合式衬砌。初支常采用型钢结构。由于膨胀土具有胀缩性，且其膨胀与收缩的程度与环境的温度和湿度有关，变形程度与受力情况较为复杂。为确定土体的相关施工参数，需经试验测试相关内容，导致膨胀土隧道支护参数难以确定。

2.2 现场施工情况分析

2.2.1 膨胀土段隧道变形情况

隧道DK133+750～780段为膨胀性围岩。在施工过程中围岩出现环向裂缝。钢架结构边墙和拱脚发生变形。混凝土结构发生剥落情况。上述施工问题对施工过程的安全性存在巨大影响，严重影响后续施工的开展，对施工过程产生了不利影响。

对围岩变形情况进行观测，断面变形量监测结果如图1。由图可知，在DK133+780断面，上台阶收敛量最大，为280 mm。在DK133+765断面和DK133+765断面有下台阶收敛量最大值，为250 mm。在DK133+765断面，有最大拱顶沉降量，为220 mm。因此，需重点关注DK133+765断面和DK133+765断面，合理控制此处断面的变形量是施工过程的关键问题。根据上述隧道变形量，选择合理预留变形量对施工的安全性与经济性有着重要影响。

2.2.2 隧道变形原因初步分析

通过上述对各断面的变形量监测数据的分析可得，隧道变形的主要原因为：

（1）围岩变形。由于前期地质勘探测得膨胀土的相关参数与工程实际有差异。为保证施工过程的安全性，针对该工程围岩泥岩开展室内试验，研究相关力学性能及工程参数[6]。经室内试验可得，该工程膨胀土膨胀力为83.7 kPa，膨胀率为71%。由于其膨胀力和膨胀率较大，导致该工程局部变形严重。

（2）初支抑制围岩变形的能力不足。隧道常采用钢架，间距1.2 m。在土体性质较好的地段，根据隧道设计进行施工，施工状况良好。在遇到膨胀土地段时，围岩出现环向裂缝。钢架结构边墙和拱脚发生变形。钢筋混凝土结构发生剥落情况，钢筋外鼓凸出。由于钢格栅尺寸在钢筋变形后发生变化，钢架底部对接较为困难。上述原因导致初支不稳定，是围岩发生变形。

隧道设计采用的锚杆与钢架连接，抗拉强度为150 kN，但力学性能不能满足实际工程的需要，不能抑制水平收敛，导致变形的发生。

（3）初期支护预留变形量不合理。施工时膨胀性围岩的特性与前期地质勘探测得膨胀土的相关参数有差异。预留变形量跟普段段相同，而膨胀土具有胀缩性，采用前期的预留变形量使其变形不能满足要求[7]。

3 膨胀土隧道方案优化

3.1 方案拟定

膨胀土易发生收缩破坏，对隧道施工产生严重影响。为控制其变形，可在施工中增大钢拱架刚度和预留变形量。增大预留变形量为25 mm，采用型钢钢架替代钢格栅，以抑制隧道变形[8]。采用上述优化方案有如下优势：

（1）型钢钢架刚度较大，力学性能优异，可以增大隧道稳定性，抑制隧道变形;

（2）型钢钢架在施工过程中效率更高;

（3）钢架受力加工简单，质量较易保证，受力效果稳定。

（4）采用型钢能够控制隧道变形，减少预留变形量，从而降低二衬混凝土使用量，降低工程造价。

3.2 钢架受力性能分析

以型钢钢架替代原设计格栅钢架，需分析型钢钢架的力学性能。以型钢钢架为研究对象，采用有限元软件分析型钢钢架的受力情况。

取隧道上拱部进行分析。以实际工况对有限元模型进行加载，并考虑围岩膨胀土对型钢钢架的膨胀作用。采用两种不同的工况，考虑集中荷载和均布荷载对有限元模型的影响，对比钢格栅和型钢钢架有限元模型的受力情况[9]。集中荷载和均布荷载作用下变形量对比图如图2、3所示。由图可知，在集中力作用下，格栅钢架的变形量均大于型钢钢架的变形量。当荷载为4 000 N时，变形量最小，当荷载量为60 000 N时，变形量最大。随着荷载的增大，格栅钢架与型钢钢架的变形量差距越来越大，说明在集中荷载下，型钢钢架对变形有明显的抑制作用。在均布荷载作用下，格栅钢架的变形量均大于型钢钢架的变形量。当荷载为524 525 N时，变形量最小，当荷载量为5 245 257 N时，变形量最大。随着荷载的增大，格栅钢架与型钢钢架的变形量差距越来越大，说明在均布荷载作用下，型钢钢架对变形有明显的抑制作用[10]。

3.3 优化后现场施工

预留变形量调整为250 mm，改用Φ42钢花管注浆锚杆，以增强初支稳定性。

优化后的初期支护变形曲线如图4。由图可知上台阶收敛最大值为230 mm，优化前上台阶收敛最大值为280 mm，降低了17.8%，优化方案对隧道变形有良好的改善作用。下台阶收敛最大值为230 mm，优化前上台阶收敛最大值为250 mm，降低了8%，优化方案对隧道变形有良好的改善作用。拱顶沉降最大值为150 mm，优化前拱顶沉降最大值为220 mm，降低了31.8%，优化方案对隧道变形有良好的改善作用。优化方案对于拱顶沉降的改善效果最为明显。

4 结论

该文以西南地区某大断面公路隧道为研究对象，分析其施工过程中存在的问题。通过在施工中增大钢拱架刚度和预留变形量，抑制膨胀土隧道的变形量[11]。结论如下：

（1）隧道变形的主要原因为围岩变形、初支抑制围岩变形的能力不足和初期支护预留变形量不合理。

（2）在集中力及均布荷载作用下，格栅钢架的变形量均大于型钢钢架的变形量。型钢钢架对变形有明显的抑制作用。

（3）优化后上台阶收敛最大值为230 mm，降低了17.8%，下台阶收敛最大值为230 mm，降低了8%，拱顶沉降最大值为150 mm，降低了31.8%。优化方案对隧道变形有良好的改善作用，且对于拱顶沉降的改善效果最为明显。

参考文献

[1]邢发红， 周和祥， 刘金元， 等. 云驿隧道膨胀土边坡稳定性分析[J]. 四川建筑， 2019（2）： 176-178.

[2]杨军平， 王沾义， 樊永华， 等. 干湿交替条件下膨胀土隧道衬砌内力试验研究[J]. 铁道科学与工程学报， 2016（11）： 2220-2228.

[3]丁小平. 玉磨铁路膨胀土地层隧道施工及变形控制技术[J]. 科技与创新， 2022（3）： 94-97.

[4]陈纤， 吴宝游， 罗文俊， 等. 增湿条件下膨胀土隧道围岩的稳定性[J]. 土木与环境工程学报（中英文）， 2021（2）： 26-34.

[5]陶伟明， 李化云， 张志强， 等. 浅埋膨胀土隧道围岩抗剪强度与支护结构受力特征关系研究[J]. 现代隧道技术， 2020（1）： 36-43+57.

[6]范兆龙. 膨胀土隧道施工要点分析[J]. 建筑技術开发， 2019（3）： 38-39.

[7]张毅， 折学森， 李楠. 弱膨胀土地区隧道施工工法及塌方原因研究[J]. 公路交通科技， 2018（10）： 82-91.

[8]翟建国. 膨胀土隧道施工技术[J]. 铁道建筑技术， 2009（1）： 149-152.

[9]朱亮明. 膨胀性围岩隧道施工技术[J]. 铁道建筑技术， 2010（11）： 81-84.

[10]涂平安. 高速铁路膨胀土隧道CRD法施工技术[J]. 石家庄铁路职业技术学院学报， 2017（1）： 1-6.

[11]陈鸿、汪大新. 膨胀土隧道仰拱施工技术[J]. 隧道建设， 2010（5）： 583-586.