黄土隧道洞口稳定性及预加固关键技术

胡哲钏， 梅志远， 张志强

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室， 四川成都 610031)

由于甘肃平凉地区隧道洞口段围岩物理力学特性以及地质条件较差，开挖边仰坡将破坏坡体原有平衡，因此采用合理的工法及防护方式，对甘肃平凉地区隧道施工和运营安全起着至关重要的作用，所以加强隧道洞口段的设计与施工是目前隧道设计与施工中的一个重要问题[1]。目前对于黄土隧道洞口处施工采取的预加固方式主要有管棚法、超前小导管法、地表注浆、超前锚杆等方法，本文主要通过室内试验研究管棚法、超前小导管法在黄土隧道洞口段施工时的加固效果。

1 隧道洞口预加固方法

1.1 管棚法

管棚法是在隧道开挖前，沿着隧道开挖轮廓面，以一定角度钻孔插入或直接插入注浆钢管，通过钢管向地层注浆来提高周围的岩石强度，而后清除管内的残余浆液并填充水泥砂浆，形成由管棚和围岩构成的棚架体系[2]。洞室开挖后，及时在掌子面后方施作钢拱架，从而使管棚、注浆体与钢拱架形成强有力的超前支护体系，以提高围岩的自稳能力，防止围岩的坍塌、松弛和下沉等。管棚的特点是：支护能力强，并且多应用在不良地层、浅埋隧道或地面有重要建筑物的地段。其缺点是：施工速度缓慢、纵向搭接第2排管棚难度大[3]。管棚支护示意图如图1所示。

图1 管棚超前支护示意

1.2 超前小导管

其作用类似于管棚。小导管注浆其支护效果主要表现为4个方面[4]：

(1)承载和应力传递的作用，小导管一端与支护结构相连，另一端置于掌子面前方的岩体中，起到了梁的效果，其与周边岩土体形成承载拱，承载上部岩体重量的同时，还将变形压力传递给支护结构和掌子面前方的土体。

(2)形成横向微拱，并与周边岩体形成拱群，与支护结构共同抵抗上部围岩变形。

(3)促使未支护段围岩纵向平衡拱的形成和稳定。

(4)通过注浆，加固地层提高参数。

小导管经常被用于洞口有崩塌危险的地段，以防止拱顶围岩的松弛与崩落。但是它的施工时间长，对开挖循环影响较大。另外钢管下方的围岩很容易崩塌，导致超挖过大，但是为了减少隧道施工时的超挖量，可以减少小导管打入围岩的角度，使钢管从支护构建中通过。

2 洞口段预加固效果室内模型试验研究

2.1 模型试验材料模拟及量测仪器

2.1.1 喷射混凝土

喷射混凝土的具体参数按照TB 10003-2016《铁路隧道设计规范》的规定取值。模拟材料用比例为水∶石膏=1∶1.15的石膏材料进行模拟。该试验模拟的不是极限破坏状态，而是常规施工状态，所以弹性模量E对试验结果起决定性作用，因此在单轴抗压强度与弹性模量E不能同时满足试验要求的条件下，应该首先考虑满足弹性模量的要求(表1)。

表1 喷射混凝土相似材料力学性质

2.1.2 锚杆

该试验中锚杆用直径为φ2 mm的竹条进行模拟，竹条使用环氧树脂作为胶结剂并沿杆长方向粘贴一层石英砂，直接安装到设计位置，锚杆的横纵向间距取约10 cm，纵向加固范围为距洞口70 cm范围内，横向加固范围为整个横截面，锚杆打设到隧道拱顶上方位置。竹条的弹性模量取值按试验数据为准，其值取13 GPa，锚杆实物见图2。

图2 锚杆

2.1.3 管棚和超前小导管

管棚采用铜管模拟，其外径、内径分别为φ6 mm、φ5 mm，长度为1.5 m。管棚施作在拱顶120°的范围之内，并且在管棚的起始端用石膏模拟套拱，见图3。小导管采用铜杆模拟，其直径为3 mm，长度为30 cm。试验所用铜质材料的弹性模量E为120 GPa左右，管棚及小导管实物见图3。

图3 预加固材料

2.1.4 量测仪器

采用静态电阻应变仪测量应变值，然后转换成所需的位移、应力及土压力等数据，所采用的仪器如图4(a)所示。

2.1.5 洞室周边径向位移

试验使用高精度YHD型位移传感器对位移进行量测。并且在隧道周边关键位置处布置需要监测的点，如拱顶、拱肩、拱脚、仰拱等。如图4(b)所示。

2.1.6 围岩压力

试验使用BY-3型土压力盒对土压力进行量测。在洞室周边关键位置处布设监测点，如拱顶、拱肩、拱脚、仰拱等位置。如图4(c)所示。

2.1.7 地中及地表位移

试验使用高精度YHD型位移传感器对拱顶上方及地表关键位置的位移进行量测。地中位移计及其布置如图4(d)所示。

图4 量测仪器

2.1.8 锚杆轴力

在每根锚杆杆体布设1～3个电阻应变片(规格1 mm×1 mm)，测出锚杆的应变值，然后通过计算获得锚杆各段轴力值。计算公式见式(1)：

(1)

式中：d、E分别为锚杆的直径和弹性模量，均按实际取值。

2.2 试验设计

2.2.1 试验工况

试验采用甘肃地区隧道Ⅴ级围岩的力学参数。采用全断面开挖，开挖进尺为10 cm,试验模型的几何相比为10。试验工况见表2。

表2 试验工况

2.2.2 测点布置

位移、土压力测点布置分别如图5、图6所示。所有的测点设置在隧道上方同一纵断面上，离模型边界大致为15 cm。

图6 压力测点布置图(单位：kPa)

2.2.3 模型试验步骤

每次试验分为准备、预埋、开挖3个试验阶段。

(1)准备阶段包括：锚杆、管棚等支护构件的准备，然后在锚杆、管棚上设置应变片，并连接导线，然后对各种试验仪器、仪表等进行检查。

(2)预埋阶段包括：把土压力盒、管棚、小导管等牢固的安装到指定的位置，使试验结果尽可能的准确。

(3)开挖试验阶段：不同工况的开挖步骤大致相同。在模拟开挖过程时，只有在毛洞情况下，拱顶及掌子面上方土体出现剥落，在施加上初支、管棚+初支、双排小导管+初支等支护措施后，掘进工作面均没有出现破坏现象。

2.3 室内模型试验结果及分析

2.3.1 地中位移分析

由图7可知：因为测点6在开挖范围中间位置，所以首先利用测点6去分析不同预加固措施拱顶上方围岩竖向位移的变化规律，未加辅助措施、只有初支作用下、管棚+初支作用下、双排小导管+初支作用下，隧道开挖至17.5 m时，测点6的沉降量分别为42.0 mm、15.8 mm、6.3 mm、7.7 mm，管棚+初支作用下相对于初支情况减少了60.46%，双排小导管+初支作用下相对于初支情况减小51.35%。

图7 地中测点位移随开挖进尺的变化

通过对图7分析可得，管棚、双排小导管能够很好地控制拱顶上方土体的竖向位移。对纵向测点6与测点3的位移进行比较可知：因为掘进工作面土体可以被看作支撑，并且约束了隧道上部一定范围内土体的松弛，使其变形量更小，因此测点离掌子面越近，则其在竖直方向上的位移越小；对横向测点9和测点3的位移进行比较可知：测点的埋深越小，其竖直方向的位移越大，越是靠近加固土体，其竖向位移越小。由此可见，在加固措施的作用下，因为开挖导致隧道周围土体的变形可以有效地被控制。

2.3.2 地表竖向位移分析

对图8分析可得：在毛洞及不同预加固措施下，隧道开挖段上方测点7的竖向位移最大，测点1的竖向位移次之，未开挖段上方测点4的竖向位移最小，表明开挖引起了整个上方土体的松弛，越靠近隧道影响越大。

图8 地表测点竖向位移随开挖进尺的变化

现在以隧道拱顶上方测点7来分析不同的预加固措施中竖向位移的变化规律。在毛洞情况下、在只有初支工况下、在初支+双排小导管工况下、在初支+管棚工况下、在初支+地表锚杆工况下，竖向位移分别为20.3 mm、7.2 mm、3.4 mm、2.7 mm、3.2 mm，在有辅助措施条件下相对初支减少了44.62%、 62.38%、55.38%。说明管棚及双排小导管这2种固措施能与围岩土体形成有效的地层平衡拱，减少了围岩上部土体的松弛。

2.3.3 围岩竖向压力分析

通过对图9的分析得：在工作面不断的开挖过程中，隧道拱顶上方的竖向压力显著减小，这是由于开挖能造成隧道上方围岩土体出现松动。现在以拱顶上方测点3进行分析，结果表明：隧道开挖稳定之后，在毛洞工况下、在初支单独作用下、在初支+双排小导管支护下、在初支+管棚支护下，压力最终变化量分别为-200.06 kPa、-128.06 kPa、54.05 kPa、-44.01 kPa，有预加固措施的压力相对于在只有初支的作用下减小了57.79%、65.63%。

图9 围岩竖向压力随开挖进尺的变化

对管棚与双排小导管2种措施进行分析。结果表明：竖直方向上的压力变化量相对较大的是纵向上的测点4与测点5，结果说明管棚和双排小导管起到了很好的梁效应作用。管棚作用下的测点4和测点5的压力的变化量比双排小导管更大，由此可知管棚的梁效应要比小导管的明显，这是因为小导管的长度更短，搭接相同长度的次数更多，并且由于刚度小的原因造成了压力在传递过程中出现一定的损散。在横向上对测点3与测点8进行分析可知，相较于双排小导管，管棚支护控制竖向压力的松弛要差一些，由此可见管棚在横向上形成的平衡拱效应要稍弱于双排小导管。

综上所述,为了有效地控制地层中围岩压力的松弛，管棚、双排小导管都是很好的支护措施，因为预加固措施能有效的控制隧道拱顶上方竖向压力的松弛现象。

3 结论

本文主要是利用室内试验模拟的方法，对隧道洞口段的几种预加固措施的支护效果进行了研究。通过对地表、地中位移与地中土压力的监控数据的分析对各预加固措施的效果进行评价。主要结论有：

(1)对只有初支作用下、管棚+初支作用下及双排小导管+初支作用下的各工法的位移进行了分析。结果表明：管棚+初支作用下的竖向位移相对于初支情况减少了60.46%，双排小导管+初支作用下的竖向位移相对于初支情况减小51.35%。另外，测点的埋深越小，其竖直方向的位移越大，越是靠近加固土体，其竖向位移越小。由此可见，在加固措施的作用下，因为开挖导致隧道周围土体的变形可以被有效的被控制。

(2)对管棚与双排小导管2种措施进行分析。结果表明：竖直方向上的压力变化量相对较大的是纵向上的测点4与测点5，结果说明管棚和双排小导管起到了很好的梁效应作用。管棚作用下的测点4和测点5的压力比双排小导管变化量更大，由此可以得出管棚的梁效应要比小导管的明显，这是因为小导管的长度更短，搭接相同长度的次数更多，并且由于刚度小的原因造成了压力在传递过程中出现一定的损散。

(3)为了有效地控制地层中围岩压力的松弛，管棚、双排小导管都是很好的预加固措施，因为这些预加固措施能够有效的控制隧道拱顶上方竖向压力的松弛。