软岩大变形隧道拱脚临时支护方案分析

谌桂舟

（四川久马高速公路有限责任公司，四川 成都 610000）

0 引言

我国西部地区“河西走廊-祁连山-西秦岭-陇南-汶川”地带分布有大范围以板岩、泥岩、炭质板岩、千枚岩等为代表的软弱破碎岩土地层，在这样的地层中修建隧道常会出现软岩大变形问题，给隧道施工和运营带来巨大威胁。

已有研究分析表明[1-4]：软岩大变形隧道开挖后围岩累计变形量大、变形速率快和变形持续时间长。施工过程中，如果支护体系施作滞后、支护强度及刚度不足，会加剧围岩性状恶化，围岩塑性区与松动圈持续不断扩大，可能导致围岩-支护体系变形过大及结构破坏等问题。针对软岩大变形这一难题，目前主要以“短进尺，少扰动，快支快锚，早封闭，早成环”的理念，采取加大预留变形量、调整隧道轮廓、长短锚索结合、增设临时仰拱等措施，来达到控制变形的目的[5-8]。但是临时仰拱施工钢架的施工精度、钢架与小导管施工的配合紧密程度等因素对施工质量影响较大[9]，且对施工工效存在一定的影响；当预留变形量超出一定的量值，则相当于围岩出现超挖现象，会造成施工成本的上升[10-12]，并且预留变形量过大，可能诱发初期支护突然失稳；采用长短锚索结合的方式来加固围岩，对成本和工期有较大的影响。

鉴于此，本文借鉴传统临时仰拱的方式，在尽可能降低成本，不影响原有工效的前提下，将临时仰拱优化为拱脚临时支护，并根据实际的监控量测变形数据，与原设计、施作临时仰拱两种方案进行比较，分析其应用效果。

1 工程概况

该隧道设计为双向四车道分离式隧道，属特长隧道，平均海拔3600m，隧址区属于高原低高山-丘原地貌的过渡带，进口段地形切割较大，地形较陡，中部到出口段地形平缓，山顶多呈“馒头状”，隧道最大埋深约386m。隧道围岩穿越中生界三叠系中统扎尕山群及中生界三叠系上统杂谷脑组，（碎裂状）变质石英砂岩、砂质板岩与板岩互层为主，夹薄层灰岩、千枚状板岩构成韵律层，并含挤压破碎带，岩石整体上属软岩—较硬岩，局部受挤压破碎带影响段为极软岩，岩质极不均匀，岩性变化频繁，节理裂隙发育且软弱夹层较多，Rc=2~30.09MPa。也就是说，该隧道属于软岩大变形隧道。

此外，隧道穿越两个断层及一个富水向斜段，向斜核部及挤压破碎带为地下水储水构造带，地下水较丰富，呈线状—股状，有涌突水或大变形的可能。顶拱无支护时易掉块、坍塌,侧壁稳定性较差；隧址区中板岩、砂质板岩属于软岩，而变质石英砂岩属于较硬岩，岩体以软岩—较硬岩为主，由于岩体破碎，围岩等级以IV、V 级为主，隧道开挖后易出现垮塌、掉块。在挤压破碎带、断层破碎带及板劈理密集带部位，由于岩质强度遇水软化明显，强度极低，受地应力影响极易发生挤压性围岩大变形。

2 软弱围岩支护方案

2.1 原支护设计方案

原设计初期支护采用I20b 工字钢，间距60cm/榀，Φ8 钢筋网片及C25 喷射混凝土。二次衬砌采用60cm厚C30钢筋混凝土。原设计支护示意图如图1所示。

图1 原设计支护示意图

在采用原设计支护参数的施工过程中，隧道最大累计变形量达1mm，且初期支护钢拱架出现不同程度的扭曲变形，变形部位主要集中在中台阶拱脚连接板位置，如图2 所示，给现场施工带来了极大的困难，月进尺仅有18m。

图2 原设计方案施工现场情况

2.2 增设临时仰拱方案

为保证施工安全和质量，控制变形，在原设计基础上，增设临时仰拱。临时仰拱施作在中台阶位置，采用I20b 工字钢，在施作下台阶时将临时仰拱拆除。根据监控量测数据显示，施作临时仰拱后，累计变形量缩小至20cm。由于临时仰拱安装及拆除时，施工机械无法跨越中台阶，须将掌子面暂时封闭，因而对施工工效有较大的影响，月进尺为25m。

2.3 拱脚临时支护方案

为解决隧道变形及施工工效问题，借鉴临时仰拱的作用机理，提出拱脚临时支护方案，同样施工在中台阶位置，如图3所示。

图3 拱脚临时支护

由于拱脚临时支护不是沿隧道横断面通长设置，因而在施工拱脚临时支护时，基本不影响掌子面施工，对比临时仰拱支护方案，施工工效有了极大提升，变形也仅为30cm。此外拱脚临时支护可以重复拆换使用，成本也得以控制。

3 不同支护方案对比分析

3.1 监控量测点布设

该隧道采用三台阶预留核心土施工工法，监控量测点位布设如图4 所示，一共埋设5 个测点，主要测量隧道拱顶、拱腰、拱脚的沉降与收敛变形量，监测频率一天一次。

图4 监控量测点位布设

3.2 不同软岩支护方案对比

为了对比拱脚临时支护方案与原设计方案、临时仰拱支护方案的累计变形，并探索临时拱脚支护长度与变形量之间的关系，现场实际施作了拱脚支护长度为1m、1.5m、2m的三种形式。选取几组典型断面，根据监控量测数据，各工况累计变形量如表1所示。

表1 不同方案下的累计变形量（单位：cm）

从表1 可以看出，临时仰拱对控制变形有很大的作用，累计变形量仅为原来的20%；临时拱脚支护对变形控制也有一定的作用，累计变形量仅为原设计支护方案下的27%~37%。且临时拱脚支护的支撑长度越长，累计变形量越小，但两者非线性关系，主要原因为，临时拱脚支撑主要靠三角撑传递围岩反力用以支撑拱脚，达到减小变形的目的，所以一味加长临时拱脚支撑长度，而不考虑竖向深度及围岩自身的强度，当围岩收敛的应力足以让支撑部分的围岩出现变形甚至破坏时，对收敛变形的控制反而不利。

通过一个施工循环时间及月进尺，对比分析临时拱脚支护方案、原设计支护方案及临时仰拱支护方案对施工工效的影响，如表2所示。

表2 不同方案下的工效对比

从表2 可以看出，原设计支护方案下的施工循环时间最少，但是由于其变形量过大，施工过程中时常需要采取加固措施控制围岩变形，甚至需要拆换拱，因而其月进尺最小。临时仰拱由于其施工工序问题，循环时间最长，但是其控制收敛变形作用较好，因而其月进尺较原设计有较大提高。临时拱脚支护方案的施工循环时间较临时仰拱有较大缩短，月进尺较原设计及临时仰拱方案有较大提升。此外还可以看出，临时拱脚支撑长度不影响施工循环时间及月进尺。

综上所述，采用临时拱脚支护措施，对软岩大变形隧道变形控制有一定的作用，且对施工工效的影响较小。

4 结束语

本文借鉴了临时仰拱的施工工艺，提出了一种用于软弱围岩变形控制的临时拱脚支护方案。通过对比不同支护方案的累计变形量、循环时间及月进尺，分析出采用临时拱脚支护方案对软岩大变形隧道变形控制有一定的作用，且对施工工效的影响较小；对比分析了临时拱脚支撑长度与累计变形量之间的关系，发现临时拱脚支撑长度不影响施工循环时间及月进尺，可为类似的软岩大变形隧道施工提供一定的参考。在后续的研究中，应该进一步分析临时拱脚支撑竖向深度与累计变形量之间的关系。