软岩隧道大变形特征与支护对策研究

软岩隧道大变形特征与支护对策研究

 胡曾强  

四川省交通建设集团有限责任公司 四川成都 610000

摘要：对某工程大变形问题进行研究，分析了隧道施工过程中的软岩大变形特征，基于软岩大变形特征提出了相对应的支护体系，对类似项目提供参考。

关键词：软岩大变形；隧道施工；支护体系。

1.引  言

软岩隧道建设过程中极易遇到大变形问题，近年来针对于软岩隧道大变形问题的研究越来越多，其中，周伟涛[1]结合现场变形特征，制定了可行的施工方案，提出了针对于单线隧道大变形双层套拱初期支护的施工技术方法。张海太[2]研究了薄层炭质板岩地层隧道大变形特征及其相对应的支护方法。冉飞[3]利用数值模拟手段研究了高地应力条件下软岩隧道大变形的支护技术，提出了解决软岩隧道大变形问题的合理方案；王英帆[4]基于高地应力软岩隧道的大变形监测数据来制定适用的支护体系。弱胶结软岩隧道大变形现象突出，高发征[5]通过数值模拟手段分析了六盘山隧道洞口大变形特征，获得了掘进过程中隧道断面位移变化特征。

本文通过分析隧道大变形特征，基于大变形特征来选取合适的支护方案。

2.地质概况

隧址区属于高山山原地貌。隧道进出口微地貌为山体斜坡地貌。隧道进口坡体地形较平缓，坡度为20~30°；隧道出口坡体地形陡峭，坡度为15~30°。地形整体起伏较大，隧道最大埋深约247m。进口与等高线近斜交，出口与等高线近正交。

地层有第四系全新统地层及三叠系上统西康群侏倭组(T3zh)、三迭系上统西康群新都桥组(T3x)板岩、页岩及板岩、页岩互层。隧址区新构造运动以上升运动为主，新构造运动微弱。

3.隧道大变形特征分析

3.1.案例一

隧道围岩岩性以板岩、页岩、千枚岩等软岩或极软岩为主，岩层破碎，节理裂隙发育，地下水发育，围岩软化效应明显，产生形变压力，围岩持续变形造成支护变形、开裂。

隧道出口端变形部位主要在路线右侧，变形时间集中在刚立架3天内，以及开挖中下导接腿（三台阶法）过程中，仰拱成环后变化较小。

进口段侵限部位无规律性，变形一般出现在围岩极破碎或出现过塌方的位置。其次，上下台阶钢板连接位置为现场施工薄弱环节，收敛较大会直接导致该位置挤出侵限（如下图）。隧道的变形特征：变形不均，出口端右侧大左侧小，进口破碎围岩坍塌处易形变；变形时间集中在刚立架的3天内，薄弱工序明确。

a.典型初支侵限变形位置         b.塌方处治后侵限

c.典型掌子面围岩内挤            d.台阶处挤出侵限

3.2.案例二

隧道掌子面围岩产状陡倾，与轴线小角度相交，受构造挤压影响强烈，产生屈曲，围岩的形变压力大，初期支护变形大、部位多、持续时间长。

隧道进口端变形部位主要集中在左侧、右侧、拱顶、全断面，多点位、且位置不固定，时间主要集中在刚立架3天后至15天内，持续时间长，以及开挖接腿（二台阶）以及仰拱初支施工（封闭前）过程中，仰拱成环后变化较小。

大变形主要现象：掌子面失稳溜塌；拱顶崩塌；长时间的持续变形，沉降收敛较大，变化速率较快；初期支护严重变形、扭曲、褶皱、折断；沉降收敛基本在50~120cm之间，最大局部收敛可达140cm（如下图）。

隧道变形特征：变形部位多发，整体变形明显，钢架扭曲褶皱、折断（承载力问题）；变形持续时间长，立架3天后至15天内，薄弱工序明确。

a.隧道内工字钢扭曲                 b.隧道内工字钢褶皱   

4.支护体系方案

贯彻“先放后抗”实现“抗放结合，防坍控变”，针对两座隧道的前期现场经验总结，借鉴成兰铁路、川藏铁路等经验，提出支护方案。

（1）差异化预留变形，考虑到变形的不均匀、非对称性，避免出现二衬严重不等厚，考虑预留变形量左右两侧的差异化设置。出口段右侧大左侧小，掌子面围岩易坍侧预留适当增大。

（2）加强超前支护，超前支护采用φ76中导管，环距40cm，+φ42注浆小导管。φ76中导管外插角5°～10°，φ42注浆小导管外插角15°～30°。

（3）增大钢架单元长度，减少钢架接头，配合机械化安装，考虑上下台阶法，拱部5个单元调整为3个单元。上台阶钢架安装后机械化快速安装锁脚锚杆。

（4）采用长、短锚杆组合（如下图），先短后长，先快速施做短锚杆（单根长5m），短锚杆采用树脂锚固，然后再施做长锚杆（长8～10m）对松动圈进行锚固，均采用快凝浆材锚固重视锚固效果，局部采用12～16m预应力锚索控制变形。

（5）加强钢架支护刚度，配合机械初期支护采用双层HW200型钢进行支护，钢架间距为50cm，第二层支护施作时间根据现场实际情况确定。

（6）加强锁脚，上下台阶连接位置锁脚采用Φ108管，根数8根，长度6～12m（根据实际情况进行调整），采用跟管方式进行施工，锁脚角度大于45度，并注意锁脚钢管与钢架的连接。封闭成环的初支紧跟开挖面，成环步距控制在1D。

仰拱紧跟，15～20m。

5.结论

本文对隧道软岩大变形特征开展研究，获得了以下结论：

（1）隧道的变形特征为变形不均，出口端右侧大左侧小，进口破碎围岩坍塌处易形变；变形时间集中在刚立架的3天内。

（2）隧道支护体系包括差异化预留变形、加强超前支护、增大钢架单元长度、系统锚杆采用全长粘结树脂锚杆，喷砼采用C30。并结合采用长短锚杆组合和加强锁脚。

（3）监测方案中的自动化监测项目采用“围岩压力”、“接触压力”“初支钢架应力”、“二衬钢筋应力”、“二衬混凝土应力”五种。

参考文献

[1]周伟涛.单线隧道大变形双层套拱初期支护施工技术[J].山西建筑,2022,48(11):134-137.

[2]张海太,任高攀,万志文,刘伟龙,阳军生.薄层炭质板岩地层隧道围岩大变形特征及支护方法研究[J].地下空间与工程学报,2020,16(S1):457-464.

[3]冉飞.高地应力条件下软岩隧道大变形支护技术研究[J].四川建材,2020,46(03):69-70+73.

[4]王英帆,刘钦,胡永志,刘炳飞,魏来.高地应力软岩隧道大变形监测及支护优化[J].科学技术与工程,2019,19(30):317-323.

[5]高发征.弱胶结软岩隧道大变形治理与支护对策研究[J].公路工程,2016,41(06):135-140.