浅埋大断面隧道过破碎带开挖支护方案对比研究——以青岛地铁6号线创智谷站为例

马行之， 钟 科， 徐东明， 翟兆玺， 詹家旺， 方 毅

(1. 山东科技大学能源与矿业工程学院， 山东 青岛 266590； 2. 中铁二局集团有限公司， 四川 成都 610031；3. 中国矿业大学(北京) 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室， 北京 100083)

0 引言

目前，我国城镇化的进程迅速推进，大量人口涌进城市，交通拥挤、建筑空间变小、城市绿化率降低等问题日益突出，高效地开发与利用城市地下空间是解决这些问题的有效途径[1]。新奥法作为开发地下资源、开挖支护隧道的重要手段，在地下工程中广泛应用[2]。但近年来，随着隧道跨度的增大，围岩地质条件逐渐复杂，隧道建设向着支护难度大、安全风险高的方向发展，特别是当岩层中存在破碎带时，节理裂隙发育，岩块之间黏结力差，支护不当存在围岩坍塌的风险[3]，设计合理的隧道支护体系对控制围岩的变形尤为重要。

针对破碎带区域的围岩变形控制问题，诸多学者开展了现场测试与试验分析。例如： 来弘鹏等[4]通过地表注浆法对浅埋暗挖、穿越岩石破碎带的隧道地层进行注浆加固，使支护结构整体受力特征得到极大的改善； 朱卫东[5]讨论了穿破碎带时双侧壁导坑法在超前注浆后围岩变形的控制效果； 王道远等[6]对比了单层、双层、刚性、超前导洞与扩挖结合4种支护方案对隧道破碎带变形的控制效果，证明刚性支护实现了围岩与支护结构协同变形的目的； 宋瑞刚等[7]通过构建破碎带失稳力学模型，证明失稳破坏与隧道的几何参数、岩体条件与支护刚度相关； 崔岚等[8]研究了软弱破碎带工程中，台阶法与单侧导坑法的围岩变形特征，发现单侧壁导坑法部序多，对围岩扰动频繁，围岩压力高于台阶法95%； 唐晓杰等[9]为解决隧道穿越断层破碎带的围岩稳定性问题，通过双侧壁导坑法与CD法相互转换的方式，将变形影响范围控制为12.4 m； 雷军等[10]采用冻结法加固破碎带地层，将拱顶格栅钢架的最大压应力控制为101.6 MPa，围岩自承能力增强； 刘聪等[11]开展大断面穿破碎带地质力学模型试验，还原了现场CD法、双侧壁导坑法、台阶法在分部开挖过程中的围岩位移及应力释放规律，发现围岩变形经历缓慢增加—急剧增大—稳定状态，且破碎带未进行开挖时，围岩便发生超前变形。综上所述，各实际工程特点不一，但在隧道过破碎带施工过程中，大多采用CD法、双侧壁导坑法，增加临时横撑降低开挖跨度、辅助注浆锚杆加固破碎带裂隙的方式控制围岩变形。以上开挖支护方法大大降低了施工工效。

近年来，以预应力锚杆为核心的支护体系逐渐成熟，及时主动作用可显著改善围岩条件[12]。本文在前人研究基础上，设计一种以预应力锚杆为核心的过破碎带开挖支护体系，开展数值模拟试验，与CD法支护体系进行对比，并在大跨度隧道中进行应用，监测支护结构的受力演化特征，验证支护方案的有效性。

1 工程背景

1.1 地质概况

青岛地铁6号线创智谷站位于山东青岛，为地下2层岛式暗挖车站，车站全长203.6 m，站台宽为11 m，车站起讫里程为YDK26+544.261～+747.861，开挖跨度为21.5 m，高度为18.5 m，拱顶埋深为22.5～27.9 m，隧道断面为310 m2，属于超大断面。

隧道所处地质剖面如图1所示。由地表至隧道依次为素填土、强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩，隧道洞身位于微风化花岗岩中，围岩以Ⅳ级为主，在里程YDK26+578.061与YDK26+688.361区域内分布2条走向为NW的破碎带，向西北延伸，宽度为7～20 m，拱顶破碎带厚度较小(0.5～1.8 m)，倾角为60°～80°。

破碎带内以砂土状和块状碎裂岩为主，掌子面围岩如图2所示。岩体剪节理裂隙发育，在块状碎裂岩构造岩发育地段，岩体破碎强烈，岩块之间黏结力较差，洞身通过该段时可能会出现掉块甚至坍塌的现象。

1.2 破碎地段施工方案

在破碎带区域内，原设计方案为拱部CD法与注浆锚杆结合的施工方案，通过设置1道临时竖向支撑以降低隧道开挖跨度，实现控制围岩变形的目的，开挖方式如图3(a)所示。采用以注浆锚杆为核心的被动支护体系，通过拱部4部—中台阶—下台阶的开挖步序，顺序为①—②—③—④—拆撑—⑤—⑥—⑦—⑧—⑨。

图1 地质剖面图

图2 掌子面围岩情况

在以往研究中发现： 以注浆锚杆为核心的被动支护方式难以调动围岩自承能力，对围岩条件改善能力有限，甚至会破坏围岩稳定状态，产生负面影响[13-14]； 主动支护能够将锚固力传递至围岩深部，将二维应力状态转化为三维应力状态，提高岩石强度，围岩抵抗变形能力强，在煤矿与深埋隧道中广泛应用[15]。根据工程实际情况，在破碎带区域设计以预应力锚杆为核心的支护方式，同时为了避免过破碎带过程中台阶法—CD法—台阶法频繁的施工转换，降低CD法拆撑时带来的风险，提高机械作业效率，将CD法改进为分部台阶法，形成“分部台阶法开挖，预应力锚杆支护”为核心的体系，如图3(b)所示。通过拱部4部—中台阶—下台阶的开挖步序，顺序为①—②—③—④—⑤—⑥—⑦—⑧—⑨。

2种开挖方案支护参数如表1所示。可以看出： 预应力锚杆长度为3.5 m，锚固段长度为1.2 m，预应力设计为100 kN，施工步序为混凝土初喷—预应力锚杆施工—架设格栅拱架—混凝土复喷，形成“预应力锚杆、格栅钢架、混凝土喷层”的支护体系。

(a) CD法开挖方案 (b) 分部台阶法开挖方案

2 变形控制效果数值分析

2.1 计算模型建立

为对比拱部CD法与注浆锚杆、分部台阶法与预应力锚杆施工方法的优劣性，在里程YDK26+578.061的破碎带50 m范围内，建立Ⅳ2级围岩的地质仿真模型。地质模型如图4所示。由地表至隧道依次为素填土、强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩，模型尺寸为100 m(长)×50 m(宽)×80 m(高)，破碎带宽度为7 m，由地表延伸至岩体深部，在模拟中对开挖区域网格加密。围岩和衬砌结构采用实体单元，格栅钢架采用beam单元，模型破坏服从摩尔-库仑准则。

表1 2种开挖方案支护参数

图4 地质模型(单位： m)

中空注浆锚杆和预应力锚杆均采用cable单元模拟，通过切断锚杆最外端的锚杆单元与围岩的连接，重新建立围岩刚性接触以模拟托盘。2种锚杆的锚固段参数分别与现场锚固剂、水泥砂浆的参数保持一致，以保证锚固效果，将预应力施加在锚杆的自由段，当模型收敛后则施加预应力完成。其中，中空注浆锚杆参数确定需采用等效弹性模量，等效弹性模量按式(1)计算。

E1A1+E2A2=E12(A1+A2) 。

(1)

式中：E1和A1分别为注浆锚杆杆体的弹性模量和横截面积；E2和A2分别为砂浆体的弹性模量和横截面积；E12为注浆锚杆等效体的弹性模量。

隧道地质力学参数如表2所示。

表2 地质力学参数

2.2 开挖及支护参数

分部台阶法与CD法的开挖方案，依次按图3中导洞①—②—③—④—⑤—⑥—⑦—⑧—⑨的步序进行开挖，导洞间隔10 m后进行下一导洞的开挖。CD法分别在导洞①、②开挖后架设钢支撑，当拱部贯通后进行拆除。

在数值计算中，2种支护体系的锚杆、格栅钢架与混凝土喷层支护参数如表1所示，预应力锚杆、中空注浆锚杆、格栅钢架力学参数如表3所示。

表3 力学参数

2.3 拱顶沉降

破碎带中心y=25 m断面处，2种开挖支护方案在隧道拱部开挖过程的拱顶沉降曲线如图5所示。其中，曲线起始点为数值模型表面y=0处①导洞的开挖点，在18 000步前后扩挖至破碎带监测断面。

2种开挖方法的拱顶沉降演化过程具有显著差异，在拱部开挖完成后，沉降值分别稳定为11.5 mm和6.8 mm，证明采用台阶法与预应力锚杆的施工方案对围岩变形的控制具有显著优势。

(a) CD法开挖

(b) 分部台阶法开挖

在开挖过程中，未扩挖至监测断面时，CD法提前出现沉降，如图5(a)所示。可以看出： 1)超前变形量为0.8 mm； 2)扩挖至破碎带时，拱顶下降速率迅速增大，即使在安装中隔壁后，导洞①开挖期间的沉降量仍达3.4 mm； 3)导洞②期间的沉降速率仍处于较高水平，沉降量为3.3 mm，此时CD法中隔壁已经成型，但由于隧道中多导洞同时开挖的缘故，兼受掌子面前方的②导洞、掌子面后方的④导洞的影响，沉降值达3.2 mm； 4)当导洞④开挖结束，拱部的支护结构完全成型后，围岩变形得到了有效控制，拆除钢撑后的变形仅为0.2 mm，对拱顶的扰动作用小。

与CD法相比，以预应力锚杆为核心的台阶法开挖超前变形量小，如图5(b)所示。可以看出： 1)开挖至破碎带监测断面时，拱顶超前变形量仅为0.2 mm； 2)由于导洞①支护区域占拱部支护结构的70%，导洞①开挖造成的沉降量最大，为3.9 mm，占总变形量的57%； 3)在①导洞支护结构成型后，导洞②、③开挖对围岩的影响作用减小，分别为1.2 mm和1 mm； 4)导洞①、②、③支护结束后，拱部支护完成成型，隧道抵抗围岩变形能力强，导洞④的开挖对围岩变形影响作用显著减小，变化量仅为总变形量的3%。

2.4 围岩位移

拱部开挖完成后的水平位移云图如图6所示。可以看出： 1)CD法的水平位移量均大于台阶法，拱部各部位位移量分布不均，2种开挖方案的位移量最大部位均在拱脚处，分别为2.4 mm和1.5 mm，平均位移量减小38%； 2)CD法的围岩变形由隧道拱顶延伸至地表，对地面的影响范围大。

(a) CD法 (b) 分部台阶法

隧道开挖完成水平位移云图如图7所示。可以看出： 1)CD法的水平位移量、影响范围仍大于分部台阶法，位移集中区域由图6中的拱脚部位向下台阶边墙位置转移，左右边墙部位呈对称分布，最大位移量分别为4.3 mm和2.9 mm，平均位移量减小32%； 2)在主动支护作用下，围岩的水平位移可以得到有效控制，支护效果优于被动支护体系的CD法。

(a) CD法 (b) 分部台阶法

2.5 开挖扰动影响分析

在隧道开挖-支护过程中，围岩受扰动后应力重新分布，在调整过程中岩体在一定深度范围内产生位移。CD法与分部台阶法拱部、整体开挖结束后的x-z平面、z-y平面与x-y平面在受扰动后的位移场分布如图8和图9所示。

由图8可知： 1)在隧道横向x-z平面内，跨度为21.5 m的隧道，CD法中位移大于3 mm的跨度达到27 m，受扰动的范围为开挖跨度的1.3倍，同样在支护作用下，如图8(d)主动支护围岩的扰动为16 m，影响范围减小40%； 2)在z-y平面内，破碎带区域内变形量最大，以破碎带为中心向地面与围岩深处延伸，其中，CD法在y方向上的开挖范围50 m内均受到影响，分部台阶法则将影响范围控制为24 m，距离破碎带越远，围岩位移量逐渐减小； 3)x-y平面反应拱部开挖对左右拱脚的影响，如图8(c)和8(f)中，影响范围左右拱脚呈对称分布，由破碎带分别向x、y方向上扩展，在支护体系的作用下，CD法与台阶法的变形范围分别为4.5 m和2.5 m，影响范围减小45%。

当隧道下台阶开挖结束，初期支护结构完成以后，受扰动的影响范围进一步扩大。由图9可知： 1)CD法在x-z平面内的受影响的范围为35 m，为开挖跨度的1.6倍，与分部台阶法相比，CD法受扰动的位移量集中为16～20 mm，扰动范围大且位移量大； 2)在z-y平面内，破碎带区域内位移量集中，通过预应力锚杆的支护作用，将扰动范围限制为21 m，控制效果优于注浆锚杆； 3)x-y平面为隧道开挖对下台阶左右边墙的影响，如图9(c)和9(f)，位移量大于4 mm的扰动范围为7.5 m和4.6 m，影响范围减小38%。

(a) CD法x-z平面(b) CD法z-y平面(c) CD法x-y平面

(d) 分部台阶法x-z平面(e) 分部台阶法z-y平面(f) 分部台阶法x-y平面

(a) CD法x-z平面(b) CD法z-y平面(c) CD法x-y平面

(d) 分部台阶法x-z平面(e) 分部台阶法z-y平面(f) 分部台阶法x-y平面

3 现场应用

通过数值计算结果分析，采用分部台阶法与预应力锚杆的支护体系对围岩的控制效果更好，在里程YDK26+578.061的破碎带区域内设置试验段，形成“预应力锚杆、格栅拱架、喷射混凝土”的支护体系，在工程现场进行应用。限于施工进度，当前隧道进行下台阶开挖，初期支护结构尚未成型，仅对风险程度高的拱部开挖过程数据进行分析。

3.1 施工方案

预应力锚杆采用树脂药卷快速锚固，充分搅拌10～15 min后，通过油压千斤顶超张拉至锁定值的1.1倍，并稳定不小于1 min，最后采用夹片式锚具进行锁定。现场施工如图10所示。主要施工工序为钻孔—锚固剂及锚杆安装—锚固剂搅拌—预应力张拉。

(a) 张拉作业

(b) 机械化钻孔

预应力锚杆-台阶法较中空注浆锚杆-CD法相比，具有施工作业空间大、机械化作业程度高等优点。根据现场施工反馈，采用分部开挖、主动支护方案后，人员组织作业顺畅，机械化作业程度高。总结如下： 1)1辆潜孔钻机施工一循环时间仅占3台人工气动钻机(2人/台)同时作业的1/2，时间成本低，人工成本节省了5人； 2)由于作业空间大，挖掘机和铲车协同出渣作业速度快，支护作业为多导洞、多工作面同时施工，实现了1 d一循环，施工效率大幅提高； 3)与CD法相比，取消了支护材料中横撑的大量型钢，直接经济成本低，人工、设备租赁、水、电等间接效益高。

3.2 监测方案

为获得过破碎带区域内的变形演化规律，在隧道拱部开挖过程中，对支护结构进行长期监测，监测内容主要包含拱顶沉降、锚杆轴力与钢筋应力。监测断面布置如图11所示。通过全站仪对隧道拱顶、左右拱腰3个测点的沉降量进行监测，采用振弦式锚杆计监测拱顶、左右拱脚3个位置的锚杆轴力，在格栅钢架焊接钢筋计，监测拱顶、左右拱腰、左右拱脚5个测点格栅围岩侧及临空侧的钢筋应力。

图11 监测断面布置图

3.3 拱顶沉降演化规律

当破碎带区域①导洞开挖时，在隧道顶部、左右拱腰布设测点。拱部4部的拱顶沉降演化曲线如图12所示。

图12 拱顶沉降时程曲线

由图12可知： 拱顶、左右拱腰在拱部开挖完成后的累计沉降量稳定在-4.8、-5.6、-4.9 mm，仅占设计变形预警值(20 mm)的24%、28%、24.5%，现场监测结果与数值模拟结果接近。在主动支护结构体系的控制作用下，围岩的变形可划分为加速、发展与稳定3个阶段。

3.3.1 变形加速阶段

1)此阶段主要发生在导洞①开挖期间，开挖面紧邻监测断面，受爆破扰动作用强烈，以“预应力锚杆、格栅钢架、混凝土应变”形成的承载拱尚未成型，下沉量增长迅速； 2)拱顶与左右拱腰的下降速率均达到峰值，15%的时间内沉降量占总变形的50%～70%，具有短时、沉降量大的特征，与模拟结果保持一致； 3)隧道中线拱顶位置易产生应力集中，具有变形趋稳时间长、变形量大的特征，而左右拱腰在应力的释放过程中变形协调，沉降量差距不大。

3.3.2 变形发展阶段

1)当导洞②、③向前扩挖后，分部开挖造成围岩扰动，打破初始应力平衡状态，围岩应力经历平衡—扰动—再次平衡的过程，拱顶、左右拱腰的沉降速率也同样出现稳定—增大—再次稳定的演化特征； 2)当左导洞②为扩挖至监测断面所在里程时，左拱腰的沉降量提前发生变化，这主要是受分部开挖掌子面超前变形效应的影响，在未到达监测断面时变形速率便开始增大，同样在右导洞③向前扩挖时，右拱腰的沉降量也提前出现下降趋势。

3.3.3 变形稳定阶段

1)在导洞①、②、③开挖后，拱部支护结构完全成型，导洞④的开挖对拱顶下沉影响小，此时围岩进入稳定阶段； 2)此阶段内拱顶、左右拱腰在10 d内的沉降增量均未超过1 mm，围岩应力处于平衡状态，变形量的增加主要受围岩长期蠕变效应影响。

3.4 格栅拱架受力

在格栅钢拱架受力长期监测过程中，拱架应力以压应力为主，存在局部受拉的情况，但伴随导洞开挖，支护结构受力转换，受拉状态逐渐转化为受压，当拱部开挖完成后，拱部均呈受压状态。格栅应力分布如图13所示。格栅应力介于HRB400钢材屈服强度的2%～22%，拱架所持安全系数高。

(a) 围岩侧钢筋应力 (b) 临空侧钢筋应力

由图13可知： 1)当拱部开挖完成，支护结构趋于稳定后，直接承受应力的围岩侧钢筋应力普遍大于临空侧，平均应力相差25%； 2)各部位支护结构受力不均，拱顶应力值大于拱腰、拱脚，最大达90 MPa。

根据拱架受力来看，在主动支护体系中，格栅拱架作用不明显，预应力锚杆的支护作用发挥重要作用，可在设计中适当增加格栅拱架间距。

3.5 锚杆轴力演化特征

提供主动支护承载力的预应力锚杆是“预应力锚杆、格栅拱架、喷射混凝土”主动支护系统的核心，为进一步探究主动支护结构的受力特征，在破碎带区域对预应力锚杆轴力进行长期监测，分别将锚杆计布设在隧道拱顶与左右拱脚。锚杆轴力长期监测曲线如图14所示。

图14 锚杆轴力时程曲线

由图14可知： 设计值为100 kN的预应力锚杆，受围岩、张拉工艺、锚具等因素的影响，锚杆初始值一般锁定为90～120 kN。

当锚杆锁定后，锚杆轴力随隧道的开挖经历了预应力损失、波动及保持稳定3个演化阶段。

3.5.1 初始预应力损失阶段

1)在导洞①施工后，拱顶锚杆轴力迅速减小，由锁定值115 kN下降至112 kN，左右拱脚的锚杆轴力在初期同样存在2～5 kN的损失； 2)产生损失的原因与初期支护结构未闭合、混凝土早期强度的时间效应相关，由于现场拱架焊接与喷射混凝土等施工因素，易造成锚固状态改变； 3)初期的主动支护体系抵抗开挖面的空间效应能力差，在混凝土强度较小的状态下，爆破作用对支护结构的扰动作用所引起岩体的徐变、夹具的松动、托盘的位移都会导致预应力的损失。

3.5.2 预应力波动阶段

1)随着掌子面的向前推进，锚杆轴力逐渐趋于稳定，伴随围岩的变形，锚杆的被动支护力开始增大，围岩变形而释放的能量被锚杆吸收，轴力出现逐渐上升的趋势； 2)当导洞扩挖至监测断面附近时，支护结构平衡受到扰动再次出现预应力损失现象，拱顶锚杆轴力在左导洞②开挖时预应力突降，主要原因在于爆破的扰动作用与应力平衡过程中锚固状态的变化，由于爆破扰动作用，锚杆轴力产生一部分损失，锚固状态的改变造成预应力减小； 3)随着右导洞③的开挖，拱顶锚杆轴力小幅上升1.8 kN，此时主动支护结构刚度较大，围岩变形后锚杆与围岩发挥协调变形作用使支护作用力增大，锚杆轴力增大。

3.5.3 预应力稳定阶段

1)随着掌子面的推进，围岩在未受到开挖效应扰动后变形逐渐趋于稳定。由于岩体的长期作用，随着变形量缓慢增加，锚杆在吸收围岩变形所释放的应变能后，轴力呈现稳定上升的趋势； 2)拱顶与左右拱腰的锚杆轴力在导洞④开挖后均呈现稳定趋势，变化量不超过0.1 kN/d。

4 结论与讨论

以青岛地铁6号线创智谷站穿破碎带区段为工程依托，开展数值模拟试验，对比CD法被动支护体系、台阶法主动支护体系开挖过程中的围岩位移与变形规律，深入分析了现场支护体系的演化规律，主要结论如下。

1)台阶法主动支护的开挖支护体系对破碎带围岩的变形控制效果优于CD法注浆锚杆支护体系。通过数值模拟结果分析，CD法拱部4导洞开挖拱顶沉降量分别为3.4、3.3、3.2、0.8 mm，只有在导洞④开挖后拱部支护结构成型，围岩变形才能得到控制，而台阶法拱部4导洞开挖引起的沉降量分别为3.9、1.2、1.0、0.4 mm，变形量主要集中在①导洞，后续开挖对围岩的扰动作用小。

2)在主动支护作用下，围岩的水平位移、开挖扰动影响范围均得到有效控制，支护效果优于被动支护体系中的CD法。当拱部开挖完成后，台阶法与CD法的最大水平位移量分别为4.3 mm和2.9 mm，平均位移量降低了32%；与台阶法相比，CD法在x-z、z-y、x-y3个平面内，受扰动区域内具有范围大、位移量大的特点。

3)现场拱顶围岩沉降量与数值模拟结果保持一致，拱顶、左右拱腰在拱部开挖完成后的累计沉降量稳定为-4.8、-5.6、-4.9 mm，根据主动支护的现场数据，破碎带的围岩演化可划分为变形加速、变形发展与变形稳定3个阶段，且拱顶的累计沉降量普遍大于左右拱腰。受隧道掌子面超前变形的影响，②、③导洞在未扩挖时，左右拱腰的沉降量提前出现下降趋势。

4)破碎带区域拱部格栅钢架以受压为主，且围岩侧受力大于临空侧，格栅拱架作用小，可在设计中增大格栅间距。锚杆轴力演化经历了预应力损失、波动及保持稳定3个演化阶段，其中，在施工初期，支护结构未完全闭合时，存在预应力大幅减小的现象，而预应力出现波动的节点往往是在导洞扩挖时，轴力上升与下降主要与主动支护结构刚度相关。

经过数值模拟分析与现场实践，预应力锚杆-台阶法的主动支护体系在破碎带厚度为0.5～1.8 m取得了优异效果。在破碎带较厚的工程条件下，应适当增加预应力锚杆的长度，将锚杆锚固在稳定岩层中；在破碎带区域内地下水发育、岩性条件较差时，可在打设锚杆前进行超前小导管、管棚等方式加固围岩，以更好地控制变形。