双线铁路软岩隧道施工大变形控制技术研究

姚勇慧

（中铁十二局集团第四工程有限公司，陕西 西安 710024）

随着持续推进地区经济建设工作和迅速发展基础设施开发工程，各地的铁路运输能力不断增强，山区、山岭隧道的数量也与日俱增，铁路、隧道等工程将进入建设高峰期[1]。由于该类工程地质条件特殊，例如高应力、大埋深、大断面和大变形等，因此，分析施工过程，并规范化设计项目施工，具有十分重要的意义[2]。深入研究发现，建设与运营该类隧洞，不仅能促进我国隧洞产业技术发展，还能为同类施工中遇到的高地温、突涌水、高原冻害、岩爆、软岩和高应力大变形等复杂地质问题积累经验。其中，软岩巷道大变形是隧道工程施工中最突出的难题，软岩会增加工程施工难度，难以保障施工中结构的安全性，减缓施工进度、增加项目成本[3]。高应力导致软岩巷道围岩发生大变形的问题是目前隧道工程界关注的热点。为解决该问题，该文将对此进行研究。

1 建立双线铁路软岩隧道施工模型

1.1 建立模型并确定模型边界条件

根据工程需求，选用FLAC3D 作为构建施工模型的主要工具，采用FLAC3D 中的三元高速拉格朗日方法，将计算域内的介质划分为若干小单元，并将各单位联结在一起，对某一结点施加载荷，然后将结点的运动方程转化为时间的有限差分[4]。在短期内，对结点施加的荷载仅对附近的少数结点有影响，通过该方式，可以模拟施工过程。

FLAC3D 利用流速变化及结点周期，可得出结点间的相对位移，从而得到结点间的相对应变。在有限元条件下，栅格构成材质特征，用户可以调整栅格，使模型适应隧道工程实体结构的外形。FLAC3D 将一个计算区域分成上千个六面体，每个六面体都是按照线性或者非线性构型关系绘制[5]。在压力作用下，材料会塑性流动，网格随着材料的变形而产生变化，从而更直观地模拟隧道施工变形。

在此基础上，根据隧道的开挖深度和宽度，绘制隧道三维断面图，如图1 和图2 所示。

图1 隧道三维断面图

图2 模型断面图

在圣维南原则的基础上，考虑在高地应力的软岩环境中，挖掘隧道会对周围的岩石造成很大扰动，因此该模拟边界是挖掘直径的10 倍。

初步构建模型后，需要按照静水压力计算模型，此时，模型在施工中3 个方向的初始地应力高度一致[6]，因此，可以根据地应力场的分布规律，确定模型边界条件。

1.2 确定施工模型计算参数

在上述内容的基础上，确定模型中的相关参数。当模型参数取值时，需要参照现场勘查数据与测量数据，因此，在初始地应力保持稳定不变的前提下，设定模型中隧道围岩结构初始地应力对应的垂直方向应力分量和水平方向应力分量，如公式（1）所示。

式中：σx、σy为模型中隧道围岩结构初始地应力对应的水平方向应力分量；λ为土体结构侧压力系数；σz为模型中隧道围岩结构初始地应力对应的垂直方向应力分量，计算σz如公式（2）所示。

式中：γ为水平面与水平主应力之间的交角；h为隧道深度。

完成上述计算后，参照Hoke-Brown 准则，计算隧道中岩体结构的黏聚力和内摩擦角度。如公式（3）所示。

式中：φ为隧道中岩体结构内摩擦角度；τ为测量数据；n为经验系数。计算隧道中岩体结构的黏聚力，如公式（4）所示。

式中：c为隧道中岩体结构的黏聚力。参照上述内容，施工模型中围岩结构的计算参数见表1。

表1 隧道施工模型中围岩结构的计算参数

在隧道工程的模拟施工中，根据工程实际情况，将计算参数代入模型，对铁路软岩隧道工程施工过程进行模拟，构建施工模型。

2 双线铁路软岩隧道施工大变形控制

2.1 实施超前支护技术

为有效控制双线铁路软岩隧道施工大变形，应用超前支护技术，超前支护中的管棚预支护，其基本结构如图3 所示。

图3 管棚预支护结构图

在具体的施工中，在隧洞及其他衬砌周缘相应的圆弧部分钻孔，安装钢管后通过注浆加固岩体[7]。在此基础上，采用超前管棚支护，使隧洞顶部形成稳定性较好的“伞”型防护结构。该结构可对隧洞顶部进行有效支护，防止上部土层塌陷，为后续开挖与施工奠定了较好的基础。针对双线铁路软岩隧道中容易出现严重大变形的分段，管棚采用ϕ108mm，壁厚为10mm 的热轧无缝钢管，选用总长度为10m，单根长度为1.8m 的超前管棚。环向间距设置为280cm，对称布设左右各60°，共设置38 根钢管。注浆孔需要按照直径为10mm，间隔为25cm 的“梅花”形进行布设。采用超前管棚支护工艺，不仅有效控制了双线铁路软岩隧道开挖过程中的开挖面变形问题，保障施工的安全[8]，也避免了普通区段施工时的工序交接问题。这样可以减少在临时支护施工过程中的安装和拆除工序，从而减少工程的工作量，节约工程造价。同时，也为后续的机械操作奠定了基础，提高了项目的施工效率。

2.2 建立双层支护体系

在支护阶段，两层初始支护处在不同的受力条件下。随着推进开挖面，围岩应力释放率逐渐减少，当第一次支护变形速度减慢时，进行第二次支护。在此基础上，通过分析两层围护结构，得出两层围护结构的初始应力—失效关系曲线和两层围护结构的应力—失效关系曲线如图4 所示。

图4 双层初期支护受力破坏关系曲线图

在具体施工中，普通的凿岩机既不能满足钻孔的深度需求，也不能满足钻孔的倾斜角度要求，只有配备符合施工要求的锚杆台车才能顺利完成锚杆钻孔作业任务，以此保证钻孔的倾角。因此，在该工程中，需要设置锚杆台车。

2.3 超长锚杆及背后注浆变形控制

当采用长锚杆加固围岩时，锚杆的锚固端位于岩石的弹性区域或松动圈内。锚杆锚固端位置如图5 所示。

图5 锚杆锚固端位置图

锚杆需要布设合理间距，单根锚杆加固区域应当有一定范围重叠，从而形成加固圈，起到支撑作用。

锚杆参数是隧道支护中的重要数据，结合松动圈支护理论，假设当围岩松动圈的厚度到锚杆端头位置时，锚杆的应力为最大值。针对该特征，结合围岩松落环试验结果，优化锚索参数，使其更好地控制围岩变形。计算全长黏结锚杆的承载力如公式（5）所示。

式中：P为锚杆的支护抗力；D为锚杆的钻孔直径；L为锚杆锚固的长度，通常取1/2 锚杆长度；fmg为黏结材料与围岩之间产生的黏结强度；Sa为锚杆竖直方向的间隔距离；Sb为锚杆水平方向的间隔距离。

采用背后注浆加固改善地层的疏松性，控制水量，提高双线铁路软岩隧道的顶部和侧面抗压强度，从而达到加固和控制变形的目的。通常可以根据摩尔强度描述岩体强度，岩体强度如公式（6）所示。

式中：τ为岩体的抗剪强度；c为岩体的内黏聚力；τ为正应力；φ为内摩擦角。

随着隧道施工时间增长，围岩中的轴向应力降低，但切向应力变大。主要原因是岩体原有的应力均衡状态被打破，导致围岩应力重新分配，使应力集中。当岩体的强度无法承受集中切向应力时，c和φ均会逐渐变小。隧道周围某一区域的岩石破裂，并出现裂隙，在隧道周围形成了松散圈。注浆后，可以对该地区的松散岩石进行加固，提高强度。采用合理的注浆技术能将裂隙填充密实，与裂隙紧密结合，形成完整的承载体，从而降低应力集中，提高围岩的承载力。

3 结语

随着不断深入研究隧洞理论与工程实践，施工方对隧洞围岩大变形问题有了较多的认识，但也存在不足，部分工程方对围岩的大变形没有清晰的定义，只是从某一角度对其进行分析，已有的研究成果对大变形的认识不够全面。因此，必须全面、系统地研究软岩隧道大变形特性及其围岩开挖与支护技术措施，才能为施工提供保障。该项目以此为切入点，系统地研究软岩隧道围岩大变形特性，并提出对应的施工控制技术。通过该研究，明确了控制隧道施工中围岩结构大变形的重要性，针对该文的研究成果，在后续工作中，将根据实际情况，结合工程施工的具体需求，在工程实践中应用该方法，进一步完善与优化工程施工方案，为软岩地区隧道工程的施工积累工作经验。