隧道穿越挤压性软岩支护参数优化研究∗

张 帅，刘世林，薛江龙，李庆鑫，黄 猛

（1.中交一公局桥隧工程有限公司，湖南长沙 410000； 2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044）

0 引言

随着我国经济的高速发展，铁路、公路等基础设施的不断完善，山地区域隧道日益增多，在穿越断层破碎带过程中，出现一大批由于板块运动作用导致的挤压性软岩大变形隧道，典型的有木寨岭公路隧道、乌鞘岭铁路隧道、杜家山隧道、堡镇铁路隧道等［1-6］。 挤压性软岩在施工过程中一般具有地应力高、围岩级别较高、岩体岩质弱、变形量大、变形速率大、持续时间长等特征，具体表现为掌子面前方围岩滑塌、初期支护侵限、钢拱架、挤压严重扭曲变形、初期支护表面开裂或脱落等破坏现象［7］，严重影响施工安全与进度，是施工过程中的难点与重点。 为了能够安全、快速穿越挤压性软弱围岩及其影响区，诸多学者做了系统的相关研究，包括施工工法比选、支护体系优化等。 其中，针对支护体系优化的研究众多，并取得了较多成果。

李国良等［8］依托郑西高铁高桥隧道小角度下穿既有南同蒲铁路施工实践，通过试验研究取得大断面黄土隧道台阶法双层支护体系的力学特性及施工关键技术；司剑钧［9］基于穿越炭质千枚岩软岩极高应力地层兰渝铁路两水隧道，开展双层初期支护试验，研究发现双层初期支护变形较小，初期支护、二衬应力均未超过材料的容许应力；钟祺等［10］以金盆湾软岩隧道为背景提出了“三台阶法”分部施作双层初期支护技术，成功控制了隧道沉降和收敛变形；张德华等［11］采用现场试验以及数值方法对西成客运专线阜川隧道炭质页岩段进行双层支护研究，给出了双层支护的合理形式；韩现民等［12］基于雁门关隧道挤压性围岩的工程特性，采用有限元方法对弧形导坑预留核心土三台阶七步开挖法双层支护力学效应等进行了研究；钟友江等［13］依托成兰铁路云屯堡隧道高地应力软岩隧道工程，分析和研究了双层初期支护各层钢拱架布设方式和第2 层初期支护施作时机；马杲宇等［14］以成兰铁路茂县隧道为依托，采用数值模拟对单层初期支护和双层初期支护的断面开展研究，结果表明，采用双层初期支护工法能显著降低截面内力，提高截面的安全系数；佟晓冬等［15］采用现场试验与理论分析相结合的方法，研究了软岩隧道初期支护中锁脚锚杆的优化措施及支护效果，提出在采用三台阶七步开挖法施工时，要特别重视第3 步开挖时的支护。

综上所述，虽然针对软岩大变形隧道双层初期支护的相关研究较多，但是双层初期支护设计理论等方面的研究依然不够成熟，尤其缺乏各层初期支护厚度、第2 层初期支护施作时间等关键技术的相关研究。 本文以东天山穿越F2断层破碎带软岩大变形特长公路隧道工程为研究对象，综合采用数值计算、现场监测等手段，对双层初期支护中的各层初期支护厚度以及第2 层初期支护施作时机等支护参数展开优化研究，旨在为软岩大变形隧道的安全、快速、经济施工提供一定的技术支持。

1 工程概况

1.1 项目概况

东天山特长公路隧道是G575 巴哈公路建设控制性工程，项目位于新疆维吾尔自治区东部哈密境内，隧道全长11 769.5m，最大埋深约1 216m，采用分离式双向四车道，单向行车。 隧道右洞起讫桩号为YK8＋783—YK20＋558，长11.775km，左洞起讫桩号为ZK8 ＋809—ZK20 ＋573，长11.764km。 设置2处斜井，1 号斜井起止桩号为YK12 ＋570—YK12 ＋750，全长2.5km，2 号斜井起止桩号为ZK16＋900—ZK17＋080，全长1.5km。 隧道平面如图1 所示。

图1 隧道平面（单位：km）Fig.1 Tunnel plan （unit：km）

1.2 地质特征

东天山隧道穿越F2断层，该断层位于巴里坤塔格北麓，断面略具波状，走向292°，倾向南倾，倾角65°～80°，F2断层为逆断层，主要由糜棱岩、片状岩及岩块等组成，胶结较为紧密，断层交界面弯曲且接触粗糙，该断裂带岩体破碎，断裂宽度几十米至数百米不等，与隧道相交处断层破碎带约620m。 隧道穿越F2断层破碎带涉及主要地层为断裂带两侧泥盆系中统大南湖组第五亚组地层，岩性主要为凝灰质砂岩等，层状结构，岩体较破碎，裂隙发育。 F2断层大地电磁反演如图2 所示。

图2 F2 断层大地电磁反演（单位：m）Fig.2 Magnetotelluric inversion of F2 fault （unit：m）

1.3 施工参数

隧道穿越F2断层破碎影响带Ⅴ级围岩主要采用SVc 形式复合式衬砌，具体设计参数如图3 所示。 隧道Ⅴ级围岩采用三台阶带仰拱法施工，单次循环进尺0.6～0.8m（一榀拱架），每日2 个循环，上台阶长度约7m，中台阶长度约30m，仰拱到下台阶的距离为15m，仰拱和二衬同步进行。

图3 SVc 断面衬砌（单位：cm）Fig.3 SVc section lining（unit：cm）

2 围岩变形特性及挤压性判定

2.1 围岩变形特性

隧道在穿越F2断层破碎带施工时，多次发生大变形情况，主要特征为：围岩变形量大，变形持续时间长，支护结构破坏形式多样。

1）初期支护侵限 右洞K11＋614 断面变形严重，前期未设置护拱，在二衬施作前单侧最大累计变形量达到了620mm，最小的二衬厚度仅余200mm，如图4 所示。 不满足最小二衬截面尺寸，初期支护侵限严重，需要及时换拱，以保证二衬有足够的施作空间。

图4 K11＋614 断面变形累计曲线Fig.4 Cumulative deformation curve of K11＋614 section

2）钢拱架破坏 隧道内钢拱架在断层破碎带影响下破坏形式多样，由于隧道拱顶下沉和洞周收敛量较大，会使拱架发生不同形式的破坏，东天山隧道在穿越F2断层破碎带施工时，钢拱架出现S，Z形不同程度弯折（见图5），使得钢拱架的承载力迅速下降。 为保证施工质量，必须进行换拱作业，然而换拱作业将会增加隧道施工风险和施工成本。

图5 隧道初期支护钢拱架弯折Fig.5 Bending of steel arch of initial support of tunnel

3）初期支护混凝土及二衬开裂 穿越断层破碎带隧道由于在开挖后应力重分布，围岩整体向隧道内部收敛量大，使得隧道整体径向变形明显，由于产生过大的收敛变形会造成环向初期支护混凝土开裂，随着径向收敛进一步增加，初期支护混凝土裂缝进一步增大，最终造成初期支护混凝土剥落、掉块。 同时，由于隧道变形持续时间长，二衬作为安全储备，更加重要的作用是作为承载结构承担部分初期支护与围岩的变形荷载。

2.2 围岩挤压性判定

Q／CR 9512—2019《铁路挤压性围岩隧道技术规范》规定：挤压性围岩评价包括地质构造、地层岩性、岩石坚硬程度、岩层厚度、岩体完整程度、岩层产状、水文地质条件、初始地应力状态、不良地质、特殊岩土、围岩分级、变形潜势等内容，并满足表1所示条件，可判定为挤压性围岩。

表1 挤压性围岩判定条件Table 1 Determination conditions for compressivesoft rock

对东天山特长公路隧道穿越F2断层及影响带区段围岩进行分析。

1）初始地应力状态 地应力状态按岩石单轴饱和抗压强度RC与岩体最大初始地应力σmax比值进行判定，当RC／σmax＝4 ～7 为高地应力，RC／σmax＜4为极高地应力。 根据现场资料，岩石单轴饱和抗压强度RC取20MPa，岩体最大初始地应力σmax取隧道原岩应力值进行荷载施加计算：

式中：γ为岩体重度（kN／m3），取24kN／m3；H为隧道顶部埋深（m），取577m。

计算得RC／σmax＝1.44，故东天山特长公路隧道穿越F2断层及影响带区段属于极高地应力，符合条件。

2）岩石坚硬程度 根据现场资料岩石单轴饱和抗压强度RC为20MPa，符合条件。

3）岩层厚度、岩体完整程度 该区段位于F2断层破碎带，节理裂隙发育，薄层结构，大地电磁反演显示该断层破碎带低阻异常，说明该断裂带岩体破碎，符合条件。综上所述，东天山特长公路隧道穿越F2断层及影响带区段围岩同时满足表1 所示条件，为挤压性围岩。

3 东天山隧道双层支护参数优化

针对东天山特长公路隧道穿越F2断层破碎带Ⅴ级围岩施工中的隧道围岩软、地应力高以及多次出现的初期支护侵限、钢拱架弯折、混凝土开裂等问题，单层支护衬砌已无法保证隧道稳定性，特对围岩支护参数进行调整，拟定I22b＋I22b 的双层支护形式，具体参数如表2 所示。

通过建立数值模型分析隧道围岩变形严重段双层初期支护系统在不同厚度组合以及不同支护时机条件下对隧道拱顶下沉与洞周收敛的影响。数值计算过程中，开挖后在地层应力释放前立即设置第1 层初期支护，并认为初期支护承担全部地应力作用。 结合围岩等级和隧道断面尺寸，模型边界各取5 倍开挖洞径，隧道纵深取45m，隧道模型计算尺寸为120m×120m×45m，上边界施加均布荷载模拟实际上部土层重力方向的荷载。 边界条件采用位移边界条件。 计算模型如图6 所示。

图6 数值计算模型（单位：m）Fig.6 Numerical calculation model（unit：m）

根据《东天山隧道地应力测试研究报告》，侧压力系数λ为1.2～1.6，本文取λ＝1.5 模拟水平方向的地应力大小，破坏准则选择莫尔-库仑准则，非线性方程求解。 数值模型初期支护选择I22b 型钢拱架，采用等刚度加权平均法对隧道初期支护进行换算，注浆加固层计算参数取值结合现场实际使用的注浆材料拟定，如表3 所示。

表3 计算参数Table 3 Calculation parameters

3.1 不同厚度组合初期支护对围岩变形的影响

双层支护的作用效应并不等同于相同厚度下的单层初期支护。 为研究双层支护体系不同厚度对位移的抑制作用，共设置4 种工况（见表4）。

表4 不同厚度组合初期支护计算工况Table 4 Calculation conditions for intial support of different thickness combinations

3.1.1 双层初期支护在不同厚度组合下的拱顶下沉

不同厚度组合下的双层初期支护拱顶下沉情况如图7 所示。

图7 各工况下拱顶下沉曲线Fig.7 Settlement curves of tunnel vault under different working conditions

由图7 可以看出，4 种工况下的拱顶下沉变化趋势为S 形，在隧道上台阶掌子面开挖前隧道超前变形量较大，上台阶开挖后隧道拱顶下沉变化速率较大，上台阶第2 层初期支护施作完成后隧道变形速率开始明显降低，表明双层初期支护系统能减小隧道开挖后的拱顶下沉量。 对比4 种不同厚度组合下隧道拱顶最终下沉量，随着第1 层初期支护厚度的增大与第2 层初期支护厚度的减小，拱顶下沉量也在减小，但幅度不大。

3.1.2 双层初期支护在不同厚度组合下洞周收敛为消除模型边界影响，选取中间断面，提取初期支护x方向变形最大点绘制洞周收敛历时曲线如图8 所示。

图8 不同厚度组合下的洞周水平收敛曲线Fig.8 Horizontal convergence curves around the tunnel under different thickness combinations

4 种工况下，中台阶洞周收敛变化规律基本相似，在中台阶开挖初期支护施作完成后洞周收敛速率迅速增大，并在一定时间后速率开始变小，中台阶第2 层初期支护施作后，水平收敛速率进一步减小，待仰拱施工完成初期支护闭合成环后，洞周收敛趋于稳定。

4 种工况下洞周收敛差异明显，最大、最小水平收敛相差235.11mm，说明双层初期支护在抑制洞周水平收敛方面效果较好，且随着第1 层初期支护厚度的增大，洞周收敛逐渐减小，说明适当增大第1层初期支护厚度可以有效降低最终的洞周收敛。

对比4 种不同厚度组合下洞周收敛情况，当第1 层初期支护厚度为40cm，第2 层初期支护厚度为15cm 时，洞周水平收敛最小，但从施工便利性以及钢拱架的尺寸角度考虑，建议选用第1 层初期支护厚35cm、第2 层初期支护厚20cm 的双层初期支护。

3.2 第2 层初期支护不同施作时机下的围岩变形

影响双层初期支护效果的另一个重要因素是第2 层初期支护的施作时机。 由于台阶法受台阶长度的影响，第2 层初期支护不同施作时机对围岩应力释放以及围岩变形的抑制效果不同，如果施作过早则会导致围岩释放不充分、支护受力过大，如果施作时机过晚可能会造成初期支护变形过大，影响第2 层初期支护作用效果。 为研究隧道穿越F2断层破碎带大变形段第2 层初期支护施作最佳时机，设置3 种工况进行拱顶下沉以及洞周收敛抑制效果的对比分析研究（见表5）。 数值计算过程中，第1 层初期支护在开挖后立即设置，而第2 层初期支护的施作时机分别设置为中台阶开挖前、下台阶开挖前以及仰拱开挖前，两者之间的工序间隔时间即为表征2 层初期支护施作之间的时间因素，由开挖工序决定。

表5 不同施作时机计算工况Table 5 Calculation of working conditions at different construction times

3.2.1 双层初期支护在不同施作时机下的拱顶下沉

不同施作时机下双层初期支护拱顶下沉情况如图9 所示。

图9 第2 层初期支护不同施作时机下拱顶下沉Fig.9 Settlement of the tunnel arch of the initial support of the second layer at different construction times

3 种工况下的拱顶沉降曲线形状一致，在上台阶开挖后，拱顶下沉速率迅速增加，经过一段时间后，变形速率开始降低，逐渐趋于平缓，在仰拱开挖初期支护封闭成环后变形趋于稳定。 3 种工况下的双层初期支护对拱顶下沉抑制效果不明显，当上台阶初期支护在中台阶开挖前施作时位移最小，而在下台阶和仰拱开挖前施作时，拱顶处的应力水平趋于稳定，此时施作第2 层初期支护效果不明显。

3.2.2 双层初期支护在不同施作时机下洞周收敛

不同施作时机下双层初期支护洞周收敛情况如图10 所示。

图10 第2 层初期支护不同施作时机下洞周收敛Fig.10 Convergence of the initial support of the second layer around the tunnel under different construction times

3 种工况下洞周水平收敛变化基本一致，在中台阶开挖后变形速率开始增大，在仰拱施作完成后变形趋于稳定。 洞周收敛最大值与最小值相差49.66mm，差距较大，当第2 层初期支护在中台阶开挖前施作时对洞周收敛抑制效果较好，可见第2 层初期支护施作时机越早对洞周收敛的抑制效果越明显，在隧道变形严重段选择在中台阶开挖前施作第2 层初期支护可以有效控制隧道的洞周收敛。

3.3 实测数据分析

结合数值分析结果，确定双层支护方案。

1）选用第1 层初期支护厚35cm、第2 层初期支护厚20cm 的双层初期支护。

2）支护先柔后刚（单侧变形15 ～20cm 支立第2层拱架）、先放后抗，变形严重段在中台阶开挖前施作第2 层初期支护，锁脚加强采用5m 长ϕ38 自进锚杆，径向注浆加固变形的松散体，仰拱尽早封闭。

3）初期支护SVc1 支护参数：I22b 间距50cm（双层连接筋），主洞60 ～80cm 预留变形量，上台阶2 组锁脚，1 组5m 长ϕ38 自进锚杆，1 组3.5m 长ϕ42 钢管；中台阶处5m 长ϕ38 自进锁脚锚杆。

4）累计变形至30cm 时进行径向注浆加固，加固拱架背后的松散体，防止变形加剧，注浆以控制压力为主（0.8MPa），单次注浆量控制为辅（变形量的1／3）。 注浆孔长度为3.5m，水平间距为1.5m，竖向间距为1m，分2 次注浆。

为了验证上述方案的可行性，对东天山隧道穿越F2断层破碎带大变形严重段ZK11＋748 断面进行围岩变形监测，监测结果如图11 和表6 所示。

表6 支护效果对比Table 6 Comparison of supporting effect

图11 ZK11＋748 断面变形Fig.11 Deformation of ZK11＋748 section

可以看出，采用分时双层支护区段的各观测位置变形量相比单层支护区段均有不同程度减少，其中拱顶和边墙变化较明显。 分时双层支护可以减少拱顶及边墙40%左右的变形量，可有效控制隧道围岩大变形，避免了初期支护侵限、钢拱架弯折、混凝土开裂等问题，保障了施工质量及安全。

4 结语

1）东天山特长公路隧道穿越F2断层及影响带区段围岩软、地应力高，通过对东天山隧道围岩进行定性分析，确定其为挤压性软弱围岩。

2）通过数值计算并结合现场需求，确定了I22b＋I22b 双层初期支护及各层初期支护的最优厚度，即第1 层初期支护厚度为35cm，第2 层厚度为20cm，能够保证隧道开挖后洞周收敛处于较低水平。

3）通过数值计算确定在中台阶开挖前施作第2层初期支护，可以将隧道洞周收敛控制在较低水平，并通过现场监测验证了采用最优厚度并在中台阶开挖前施作第2 层初期支护具有可行性。