某隧道水平层状围岩支护优化设计与施工

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　　摘 要：本文结合工程实例，论述某公路穿越水平岩层隧道，根据现场跟踪调查和试验，对围岩岩性、地层结构、原洞身围岩质量、原支护设计方案优化等进行了探讨，并利用数值模拟方法验证了其合理性。同时，施工后拱顶下沉及周边收敛监测结果显示，围岩变形完全满足要求，进一步证明了支护优化设计合理，效果明显。
　　关键词：隧道工程；水平层状围岩；支护优化设计；探讨
　　引 言
　　 随着我国国民经济的快速发展，公路建设的速度也越来越快，山区公路隧道的修建也越来越多。某公路穿越水平岩层隧道，这类岩层节理、裂隙较发育，开挖后拱顶、拱腰等部位极易产生块体失稳，且规模较大，造成沿隧道轴线方向同一岩层的整体塌方，从而给隧道施工带来极大的安全隐患。在施工过程中，从影响围岩质量的重要因素出发，准确对围岩质量进行评价，并以此为基础，结合水平岩层的结构特征，对施工中可能出现的诸如平拱、拱顶离层破坏、拱顶弯折内鼓等影响施工安全的问题进行预测分析，提出合理的预防措施和灾害有效处理方法，是确保隧道快速安全施工和运营必不可少的重要基础和条件[1-2]。而针对这种特殊的水平层状围岩，隧道施工中较难遇到类似的多个隧道均出现的情况，据有限的资料查阅[3-4]发现，针对这方面的研究还很少，在实际中往往根据有限的勘探资料，为确保安全进行了安全系数很高的设计和施工，造成了极大浪费，因此，亟待对其开展深入研究。本文中结合某隧道的具体情况，从影响围岩质量的重要因素出发，对原围岩支护设计进行了优化探讨，研究成果对确保该隧道的顺利施工和安全运营有着重大意义，同时，也可推广应用于其他类似隧道的建设。
　　1、隧道水平层状围岩的基本特征
　　 据现场跟踪调查，该隧道的走向为1300方向，隧址区岩层为近水平层状，产状，隧道与岩层走向为小角度斜交，地层岩性主要为中生界白垩系下统剑门关组紫红色泥岩与粉砂质泥岩。洞身段粉砂质泥岩微风化、泥岩弱～微风化，岩层多为厚层或巨厚层，水平层理不是很明显。同一洞段，泥岩的风化程度均高于粉砂质泥岩。主要发育2组优势节理，产状分别为和，其与层面的空间组合构成主要的不稳定块体。由于洞身段岩层为厚～ 巨厚层，节理间距较大，因此围岩整体稳定性较好，仅局部洞顶发生离层破坏，出现掉块现象，形成平拱[5]。
　　 另外，根据现场试验资料，弱风化和微风化泥岩，其天然与饱和抗压强度分别为18.7、7.6MPa及25.31、13.41MPa，由此可见泥岩对水的敏感性较强。而微风化粉砂质泥岩，其天然抗压强度与饱和抗压强度分别为49.O3、47.91MPa，对水的敏感性不是很强。此外，隧道开挖过程中，未见到较大规模的涌水等不良水文地质现象。开挖后，隧道洞壁干燥，局部地段潮湿，偶见串珠状水流。
　　2、围岩原支护措施及设计变更评价
　　 2．1 原支护措施及设计变更
　　 针对该类隧道，以研究的隧道为代表，原设计中隧道洞身围岩主要根据公路详勘报告中确定的围岩级别进行支护设计，采用的支护方式见表1。
　　 表l 隧道洞身围岩原支护设计措施
　　
　　
　　 隧道开挖初期，根据现场围岩呈现出的侧壁围岩稳定、拱部易掉块的特征，于2006年12月初对原洞身Ⅳ级围岩的支护进行了设计优化(V级保持不变)，具体变更内容有2个方面：
　　 (1)全线隧道Ⅳ型衬砌段落中，原设计均未带钢架支护和超前支护，变更后，均带格栅钢架和超前支护，喷混凝土厚度由15cm增加至20cm，钢架采用Ⅳ(g)型格栅钢架，超前支护采用3.5m 长的φ22药卷锚杆，在隧道拱部布置，环向间距为40cm。
　　 (2)全线隧道原设计的Ⅳ(g)型衬砌，变更后，隧道边墙下部系统锚杆被适当取消；拱部超前支护范围由调整为；边墙连续插筋间距由25cm调整为5O cm，其他参数不变。
　　 从上述变更设计可以看出，对Ⅳ(g)型衬砌进行了减弱支护措施变更，对Ⅳ 型衬砌进行了部分增强和减弱支护措施变更。目前实施该变更设计方案时间很短，实际支护效果短时问内难以表现出来，但从该隧道现场围岩跟踪调查情况与前期勘查研究成果对比来看，原洞身Ⅳ级围岩(甚至局部V级围岩)实际可定为Ⅲ级，即原分级偏于保守。因此原设计及初步优化设计变更中针对Ⅳ级围岩的支护措施有待进一步优化[6-7]。
　　 2．2 数值模拟
　　 为评价该设计变更方案，可采用数值模拟方法，对隧道开挖的全过程进行模拟，并对其应力、应变和弯矩进行分析。本文中主要选择洞身段，原设计为Ⅳ级围岩，现评价为Ⅲ级围岩，其材料参数取值见表2。模型上部高度取最大埋深140 m，下部取12m(1倍洞径)，模型高度合计为160m，宽为84 m(两边各3倍洞径)。开挖采用台阶法，分上下2个台阶开挖(图1)。不考虑超前支护，采用原设计方案，锚杆布置见图1，对锚杆作用简化处理(用提高锚杆作用范围内围岩的参数来代替其作用)，其参数为：喷射混凝土型号C2O，厚度20cm；拱及边墙布置中空注浆锚杆，直径φ25，长3OOcm；布置的钢筋网直径φ8，网孔25cm×25cm；钢拱架支护，格栅规格为12×15@10O。数值模拟分析结果见图2、3。
　　 表2 数值模拟计算材料参数
　　
　　
　　 图1 隧道开挖顺序及锚杆加固围岩示意
　　
　　
　　 图2 第1次开挖支护后方向应力等值线1(单位：Pa)
　　
　　
　　 图3 第2次开挖支护后方向应力等值线1(单位：Pa)
　　 图2为隧道第1次开挖后围岩与初期支护。结果显示，在第1次开挖后，围岩整体受压，最大压应力集中在方向的拱与地面连接处，应力值为1O.6 MPa。
　　 图3为隧道第2次开挖支护后围岩与初期支护。结果表明，围岩仍整体受压，且主要集中在方向边墙与仰拱连接处，应力值为9.21MPa。
　　 以上隧道开挖过程的数值模拟分析结果表明，开挖过程中隧道围岩应力较小(小于其极限抗压强度)，可以充分保证施工安全。同时也说明，对其设计进行进一步优化也是可行的。
　　3、围岩支护措施进一步的优化设计
　　 3．1 优化方案
　　 隧道水平围岩现场跟踪调查分级结果表明，该隧道洞身围岩级别为Ⅲ级，说明目前支护方案偏安全，数值模拟分析结果也说明了这一点。因此本着安全、经济、合理的原则，依照规范的相关规定，对原设计提出了进一步优化设计方案，并进行了分析和验证。
　　 3．1．1 超前支护的优化
　　 原设计中洞身V级与Ⅳ级围岩采用的超前支护结构类型为φ42小导管，Ⅳ(g)采用φ22药卷锚杆。2006年12月的初步优化设计变更，仅对洞身的支护措施进行了优化，均采用3．5 m长的φ22药卷锚杆，在隧道拱部布置环向间距4O cm 的超前支护；药卷锚杆将穿过较发育的一组陡倾节理面，对控制拱顶离层破坏与拱肩掉块现象较重要。
　　 基于以上设计与变更及现场调查和施工情况，研究隧道现阶段采用的超前支护措施可以确保施工安全，加上围岩级别比原设计高，而目前洞身施工进尺仅为1．O m。在进一步优化设计中，建议加大施工进尺，提高施工进度，施工进尺可控制为2．O～3．0 m。开挖后及时支护，及时封闭，同时加强施工现场监测。
　　 3．1．2 初期支护及二次衬砌的优化
　　 原设计与初步优化设计变更中均采用锚喷网设计，而目前对于锚固作用，在工程界得到普遍认同的有悬吊作用、组合梁作用、挤压紧固作用和均匀压缩拱作用。针对该隧道水平岩层围岩来说，锚杆主要兼有组合梁作用与悬吊作用，要发挥锚杆的组合梁作用，锚杆必须穿过岩层面，且尽量大角度相交。隧道边墙部分均布设了锚杆，这部分锚杆与岩层层面平行或小角度相交，无法发挥组合梁作用与悬吊作用。因此，进一步优化设计中，建议初期支护锚杆长度不变，仅在隧道拱部12O0布置。同时，现场地质调查与围岩分级结果表明，洞身围岩质量有所提高，依照规范的相关规定，提出了进一步优化方案建议(表3)。

　　 表3 隧道洞身围岩建议优化支护措施
　　
　　 3．2 优化方案的数值模拟
　　 为验证所提出的建议优化方案的合理性，采用数值模拟分析方法，对隧道在建议支护措施下的开挖过程进行了再次分析。模型除了初期支护锚杆仅布置在拱顶12O0范围，钢拱架为格栅12×15@150，同时拱墙和仰拱厚度调整为35cm外，其他与前述模型的建立相似，其参数见表1、2。计算分析结果见图4、5。
　　
　　
　　 图4 第1次开挖支护后方向应力等值线2（单位：Pa)
　　
　　
　　 图5 第2次开挖支护后方向应力等值线2(单位：Pa)
　　 图4为隧道第1次开挖后围岩与初期支护计算结果。结果显示，在第1次开挖后，隧道围岩整体受压，最大压应力集中在方向，量值为5.O6MPa，位于拱与地面连接处。进一步分析支护结构的弯矩可知，拱与地面连接处的弯矩较大，有应力集中现象，在施工中应对其加以重视，加强监测。
　　 图5为隧道第2次开挖支护后计算结果。计算结果显示，隧道围岩仍整体受压，最大应力仍集中在方向，位于边墙与仰拱连接处，最大应力值为4.87MPa。进一步分析支护结构弯矩可知，仍有应力集中现象，施工中应加以重视。
　　 以上数值模拟结果表明，隧道开挖过程中，采用建议支护优化措施后，围岩应力仍小于其极限抗压强度，弯矩较小，可以保证施工安全。
　　 3．3 优化方案的效果
　　 为验证所提出建议优化方案的合理性，施工过程中对6个断面进行了变形监测，监控量测项目有拱顶下沉量测与周边位移量测(图6)，量测从2O05年7月23日陆续展开。以ZK141+768m 监测断面为例，该断面拱顶下沉与周边收敛监测结果(均为2005年监测结果)。
　　
　　
　　 图6 隧道拱顶下沉与周边收敛监测布置(单位：m)
　　 监测结果显示，该断面最大拱顶下沉量为5 mm，周边收敛量最大值小于7 mm，下沉速度与收敛速度均呈现收敛的趋势。因此，以该断面为代表的洞身围岩，在监测期间拱顶下沉与周边收敛量均较小，下沉速度与收敛速度均呈现收敛的趋势，这表明洞身围岩在开挖支护后变形较小，整体稳定，同时也说明优化设计效果明显。
　　4、结语
　　 (1)所研究隧道围岩为水平岩层，由于层厚一般较大，未见薄层，受其影响，隧道开挖后不会发生顶板弯折内鼓破坏，但受结构面切割与岩层层面组合影响，围岩易在拱顶产生离层破坏，在拱肩处产生掉块现象。
　　 (2)隧道围岩现场跟踪调查显示，隧道整体稳定，围岩原分级结果偏低，造成支护设计偏于安全，需对围岩分级进行调整，对支护方案进行优化。由此也说明，针对隧道工程，尤其是长大隧道，必须结合现场实际情况进行围岩分级，在确保快速、安全、经济、合理的情况下，提供较优的设计方案。
　　 (3)数值模拟结果对比分析、隧道拱顶下沉及周边收敛监测结果均显示，对所研究隧道支护设计的优化是合理的，不但能够节约资金和保证安全，同时也大大缩短了工期，为其他类似隧道的施工建设提供了有力参考。
　　 (4)需要特别强调的是，由于隧道围岩主要由泥岩和粉砂质泥岩组成，而泥岩的试验结果表明，其强度受水的影响较大，因此，施工过程中要做好防水。虽然本研究隧道中仅见到少量局部渗水，但局部裂隙水的存在也不容忽视，尤其是雨季靠近洞口段，极可能会由于上部裂隙与隧道贯通而造成一定程度的负面影响。
　　 参考文献：
　　[1] 张倬元，王士天，王兰生．工程地质分析原理[M]．北京：地质出版社，1981．
　　[2] 张勇，张子新，华安增．高速公路隧道的围岩变形特性[J]．中南公路工程，20O1，26(3)：12―14．
　　[3] 刘劲勇．连拱隧道围岩与支护结构稳定性研究[D]．武汉：武汉理工大学，2005．
　　[4] 林刚，何川．双连拱公路隧道支护结构体系试验研究[J]．西南交通大学学报，2004，39(3)：362―365．
　　
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