挤压大变形软岩隧道双层初期支护最优施工方案研究.pdf

施工技术（中英文）年 月上第 卷 第 期：挤压大变形软岩隧道双层初期支护最优施工方案研究袁 刚，徐金峰，李守仁，谢雄耀，严绍明，王安民（云南临云高速公路有限公司，云南 临沧；同济大学地下建筑与工程系，上海；云南省交通规划设计研究院有限公司，云南 昆明）摘要 为应对高地应力软岩隧道挤压大变形问题，开展双层初期支护的支护时机与厚度比研究，以期得到最优化双层初期支护施工方案。首先对大亮山隧道单层初期支护出现的变形侵限、喷射混凝土开裂和钢拱架扭曲等灾害进行描述分析，再针对双层支护方案，利用数值模拟方法对双层初期支护的不同支护时机与厚度比进行对比分析。结果表明：适当降低第 层初期支护厚度与增大第 层初期支护滞后进尺可以充分释放围岩的变形压力；当第 层初期支护厚度较小时，第 层初期支护滞后进尺为控制围岩变形收敛的主要因素，第 层初期支护滞后时间较长时，双层初期支护结构厚度比为控制围岩变形收敛的主要因素；采用双层初期支护厚度比为 ，第 层初期支护滞后 个开挖进尺的支护方案既可以释放围岩压力，也能有效控制变形收敛，保障隧道安全掘进。关键词 隧道；地应力；软岩；变形；初期支护；数值模拟；厚度比中图分类号 文献标识码 文章编号（），（，；，；，）：，：；国家自然科学基金重点项目（）；云南省交通运输厅科技项目（云交科教便 号）作者简介 袁 刚，高级工程师，：通信作者 徐金峰，博士研究生，：收稿日期 引言 挤压性软岩大变形问题是隧道工程界的一大难题，常见的软岩一般都具有抗剪强度低、高地应 袁 刚等：挤压大变形软岩隧道双层初期支护最优施工方案研究 力、遇水易软化分解等特性，隧道开挖后易产生过大变形，导致支护结构变形侵限、衬砌开裂、钢拱架扭曲等一系列工程问题。为了控制这类挤压大变形问题，双层初期支护不失为一种合理有效的手段。但是一昧提高初期支护刚度来限制围岩的变形有时并不能达到理想效果，“边支边让”的设计理念也可用于双层初期支护中，但双层初期支护厚度分配与第 层初期支护时机等相关问题仍需要进一步研究。谢金池等、马栋等对软弱围岩开挖中出现的掌子面剥落、坍塌频繁与变形收敛问题难以抑制等灾害提出了双层初期支护方案，研究发现适当增大隧道高跨比与预留足够的第 层初期支护变形量可以有效降低围岩变形与支护结构受力。、等针对双层支护结构支护力学性能采用能量转化理论，提出了双层初期支护动态设计施工的方式，通过监测第 层初期支护的变形量和变形速率及时施作第 层初期支护，保障隧道安全掘进。邹昌磊、孙启博、韩常领等对双层支护的作用机理与第 层支护的施作时间进行了分析，并对比了软岩隧道在不同双层支护方案下的变形控制效果。等对软弱岩层隧道开挖时衬砌受力不均匀进行了系统分析并提出了一种二次衬砌与让压支护结合的新型支护方式。文章通过相似模型试验与数值模拟的方式分析衬砌在不同倾角下的内力与屈服机理。姚正源、胡九林等考虑蠕变损伤模型对深埋破碎千枚岩隧道开挖掘进的影响并进行数值模拟，分析得出采用双层初期支护使得围岩自承能力得到提高，围岩蠕变性能降低。纵观上述学者对于双层支护的研究，双层初期支护第 层初期支护的施作大都采用整环浇筑，一次封闭，而实际工程中第 层初期支护封闭成环往往需要 个循环。由于挤压大变形隧道第层初期支护不同位置变形量不同，且无法确定变形量大小，采用整环浇筑方法时须等到仰拱开挖结束后才可施作，第 层初期支护施作滞后时间过长，第 层初期支护与第 层初期支护中会出现很多空隙，导致双层初期支护不易形成整体受力结构。此外第 层初期支护变形过大，第 层初期支护预留变形量不足，也会导致第 层初期支护施作困难。所以在大变形隧道第 层初期支护不宜滞后第 层初期支护太长，宜与第 层初期支护同台阶分步施作。为了更好地指导挤压性软岩大变形隧道的施工，本文依托临云高速公路大亮山隧道现场施工中单层初期支护刚度不足造成的钢拱架扭曲、喷射混凝土开裂剥落和初期支护侵限等问题提出双层初期支护方案，并利用 数值计算对第 层初期支护的施作方式与时机以及双层初期支护内外 层厚度分配进行分析研究，以期保障大变形隧道的施工安全并为类似工程提供参考。工程概况 工程地质条件云 南 省 临 云 高 速 公 路 大 亮 山 隧 道 全 长，因隧道区间地形复杂，设计采用分离式施工。隧道出入口附近均有断层破碎带，受断层作用影响，隧道区内岩体节理裂隙区发育异常，岩体极易破碎，岩芯多呈碎屑状、土柱状，围岩稳定性较差。结合现场超前水平钻孔，超前地质预报与现场开挖裸露围岩显示，围岩为强全风化变质片岩，呈粉状、软弱，灰白色、黑色交替，有大量黏土填充，夹层发育密集。此外，隧道区间地表水体充沛，地下水主要为第四系孔隙水、基岩裂隙水，主要受地层岩性构造裂隙分布变化和岩层风化构造裂隙群带边缘发育疏密程度的双重条件控制。隧道在断层破碎带、高地应力等影响下在 和 处开始发生挤压大变形，地质构造特征产状如图 所示，从开挖揭露产状可以看出，断层破碎带与隧道开挖方向呈现约 的斜交。图 隧道岩层地质产状 隧道病害情况 受断层破碎带及高地应力影响，大亮山隧道开挖过程中大变形问题突出。施工过程中出现的初期支护变形侵限、钢拱架扭曲和喷射混凝土开裂剥落等病害现场如图 所示。隧道出口左幅未封闭成环段 段拱顶及拱肩竖向位移监测结果如图 所示。由于围岩应力释放迅速，预留量为，拱顶下沉最大已达到 ，上台阶收敛变形也达到，单日变形速率最大为。过大的围岩变形导致上中台阶拱架出现大范围扭曲折弯，喷射混凝土出现大范围开裂，初期支护结构大面积侵限。现场变形监测拱顶沉降与上台阶水平收敛变形结果如图 所示，区域为上台阶开挖支护后围岩的快速变形阶段，由于围岩性质软弱，支护强度 施工技术（中英文）第 卷图 隧道病害情况 图 段变形监测结果 不足，围岩变形迅速；区域为中台阶开挖支护后围岩变形情况，此时随着开挖范围扩大，围岩应力进一步释放，洞周位移也进一步增加；区域为下台阶与仰拱开挖支护后围岩变形阶段，该阶段随着仰拱的封闭成环，初期支护整体刚度提高，围岩变形速率逐渐降低；区域为二衬封闭成环后围岩变形收敛阶段，二衬浇筑后围岩仍缓慢变形，并最终导致二衬开裂。监测结果表明单层初期支护难以控制高地应力隧道掘进过程中围岩变形，变更设计后采用双层初期支护控制高地应力大变形段。然而，内外层初期支护不同厚度对支护效果的影响不明，第 层初期支护施作时机的不确定也给施工带来了巨大的难题。为此，开展双层初期支护施作时机及内外两层支护厚度比对支护效果的影响研究，以期得到双层初期支护最优化施工方案，保障隧道顺利安全掘进。挤压大变形隧道双层初期支护时机数值模型 隧道双层支护三维数值开挖模型建立 根据设计图纸，大亮山隧道截面为马蹄形，洞径为。数值模拟中为减小模型边界效应的影响，选取模型边界尺寸为隧道洞径的 倍，本模型适当放大边界尺寸，模型水平方向、竖直方向及开挖长度尺寸均为（见图）。在模型底部和四周边界施加固定约束；根据现场隧道地勘资料，隧道挤压大变形段地应力竖向为，水平方向为，所以通过对模型顶部施加向下荷载 模拟地层应力，水平地应力为竖向应力的 倍。其中超前支护采用等效加固原理，超前加固范围为，在中台阶与下台阶设置锁脚锚杆，锚杆长度为，间距。图 整体模型（单位：）（：）结合现场三台阶开挖施工和初期支护施作次序，数值模拟采用三台阶开挖，其中上、中、下台阶长度均为，下台阶和仰拱一次开挖成型，开挖进尺为 。二衬厚度为 ，滞后第 层初期支护 开始施作。影响双层支护效果的主要因素是支护厚度与支护时机，采用控制变量法，共设计 种工况。当以支护时机为变量时，第 层初期支护与第 层初期支护施工方法相同，采用分台阶施工，分别滞后第 层初期支护，个开挖进尺施作第 层初期支护。当以两层初期支护厚度比为变量时，改变第 层初期支护和第 层初期支护的厚度，控制初期支护厚度为 不变，第 层初期支护厚度与第 层初期支护厚度比值分别为 ，。数值模拟工况汇总如表 所示。表 数值模拟工况设计 工况第 层初期支护滞后进尺厚度比 袁 刚等：挤压大变形软岩隧道双层初期支护最优施工方案研究 根据表 设置的第 层初期支护滞后进尺如图 所示。图 第 层初期支护施作时机隧道模型 材料参数 数值模拟中围岩参数根据地勘报告并结合现场实际围岩情况取值，为便于模型建立，将喷射混凝土与钢拱架根据等效刚度原理进行计算，等效原则根据式（）计算：（）（）式中：为折算后的初期支护弹性模量；为喷射混凝土的弹性模量；为工字钢的弹性模量；为工字钢的截面面积；为单位宽度上喷射混凝土截面面积。第 层初期支护的厚度分别取为第 层初期支护厚度的 ，倍。相关物理力学参数如表 所示。监测点位 监测内容主要包括围岩变形、塑性区半径以及双层初期支护结构内力，为消除边界效应对结果的影响，取隧道中部断面 作为监测断面。监测点位如图 所示，共包含 个位移监测点，个应力监测点，其中 为围岩变形监测点，为第 层初期支护应力监测点，为第 层初期支护应力监测点。表 数值模拟材料参数 材料重度（）弹性模量泊松比黏聚力内摩擦角（）级围岩 初期支护 二衬 注浆加固区 锁脚锚杆图 监测点位示意 数值模拟结果分析 根据模型计算结果，提取监测断面拱顶沉降值、仰拱隆起值、水平收敛值以及初期支护最小主应力，将外层初期支护最小主应力除以内层初期支护最小主应力定义为最小主应力比，汇总如表 所示。表 数值模拟各工况监测结果 工况拱顶沉降 水平收敛 拱顶最小主应力比 第 层初期支护滞后进尺与双层初期支护厚度比对支护效果的影响 支护时机及支护厚度比对变形的影响 为分析第 层初期支护滞后进尺与双层初期支护厚度比对支护效果的综合影响，将表 各工况的数值模拟结果提取并绘制第 层初期支护滞后进尺双层初期支护厚度比变形三维曲面图，如图 所示。其中 轴与 轴分别为第 层初期支护滞后进尺和双层初期支护厚度比，轴分别为拱顶沉降值、水平收敛值。施工技术（中英文）第 卷从图 与图 可以看出，随着第 层初期支护滞后进尺的增加，隧道断面拱顶沉降与水平收敛值均呈上升趋势；当第 层初期支护滞后进尺固定时，随着第 层初期支护与第 层初期支护厚度比的提高，隧道断面拱顶沉降与水平收敛值均呈下降趋势。工况（滞后 个开挖进尺、厚度比）与工况（滞后 个开挖进尺、厚度比）相比拱顶沉降值与水平收敛值分别提高了 ，及时施作第 层初期支护与提高第 层初期支护的厚度均可以有效控制围岩的变形收敛。图 隧道变形开挖时步曲线 隧道变形开挖时步曲线如图 所示。由图 可知，在开挖至目标断面之前，各工况均发生一定的超前变形，此时拱顶沉降值均超过了最终变形量的，围岩性质软弱。随着掌子面开挖，围岩迅速变形，下台阶开挖并施作仰拱后隧道变形收敛趋于稳定。当第 层初期支护与第 层初期支护同时施作时，改变双层初期支护厚度比对隧道拱顶沉降及仰拱隆起影响较大，其中厚度比为 与厚度比为 相比，拱顶沉降与仰拱隆起值各减少了，；此时隧道水平收敛受厚度比的影响较小。当双层初期支护厚度比为 时，改变滞后进尺对隧道竖向变形及水平收敛均有较大影响。通过对竖向变形及水平收敛曲线进行对比，水平收敛稍滞后于拱顶沉降，仰拱隆起变形也滞后于水平收敛变图 滞后进尺厚度比变形三维曲面 形，这是因为采用了三台阶开挖法，围岩受到未开挖土体的约束作用。袁 刚等：挤压大变形软岩隧道双层初期支护最优施工方案研究 综上，适当降低第 层初期支护厚度与增大第 层初期支护滞后进尺可以充分释放围岩的变形压力。支护时机及支护厚度比对塑性区的影响 隧道开挖完毕后，提取各工况监测断面塑性区，如图 所示。图 中 区域为未进入塑性区的土体，区域为当前处于剪切破坏状态，区域为过去曾发生剪切破坏，与 均表示岩土体已进入塑性状态。对比图 可以发现，当第 层初期支护与第 层初期支护同时施作时，提高第 层初期支护厚度，隧道拱腰、拱脚处的塑性区半径均有所减小，这是因为适当提高第 层初期支护厚度可以有效控制围岩的早期变形，抑制塑性区的发展。对比图 与，当控制初期支护厚度比不变时，改变第 层初期支护滞后进尺对隧道的塑性区发展影响较大。当第 层初期支护施作滞后第 层初期支护 个开挖进尺时，隧道贯通后拱肩塑性区仍然在继续发展，隧道仍未达到稳定状态，隧道的安全系数较低。图 监测断面塑性区 支护时机及支护厚度比对支护内力的影响 如图 所示，当滞后 个开挖进尺，即双层初期支护同时施作时，第 层与第 层初期支护同时抵抗围岩的压力，两者拱顶最小主应力之比接近于。随着第 层初期支护滞后进尺的增加与第 层初期支护厚度的提高，第 层初期支护承担的内力逐渐提高，当第 层初期支护施作滞后 个开挖进尺、双层初期支护厚度比为 时，初期支护结构拱顶的最小主应力比达到 。可以预见，当第 层初期支护滞后第 层初期支护开挖进尺进一步增大与第 层初期支护厚度持续下降时，第 层初期支护将难以抵抗过大的围岩压力直至屈服，此时围岩压力将主要由第 层初期支护承担。图 滞后进尺厚度比应力比三维曲面 为了更直观对比各工况下支护结构的内力分配，将上述 种工况的双层初期支护结构拱顶最小主应力进行提取，如图 所示。图 双层初期支护最小主应力比（拱顶）（）从图 可以看出，随着第 层初期支护滞后进尺不断增加，第 层初期支护所承担的内力相应提高，第 层初期支护承担的内力也逐渐下降。当第 层初期支护与第 层初期支护同时施作时（工况），第 层初期支护的内力较小，但是第 层初期支护所承担的内力过大，此时围岩的应力没有得到充分释放，双层初期支护的总应力也最大；该种支护形式虽然对围岩的变形控制作用最强，但是此时的荷载分配形式最差，支护结构的安全性与冗余度过低，难以应对各种突发灾害。当第 层初期支护滞后 个开挖进尺（工况）或滞后 个开挖 施工技术（中英文）第 卷进尺（工况）时，第 层初期支护的应力相较于滞后 个开挖进尺的工况有所提高，但双层初期支护的总应力明显减少。此时第 层初期支护主要承担围岩变形释放的压力，第 层初期支护的施作主要作用为加快围岩的变形收敛并提高支护结构的稳定性。此外，对比工况 可以发现，随着双层初期支护厚度比的提高，第 层初期支护所承担的应力也有所上升，但对支护结构内力影响较小，双层初期支护结构的应力主要受第 层初期支护滞后进尺的影响。最优化双层初期支护施工方案 从上节分析可知，第 层初期支护滞后进尺过小固然可以减小隧道的变形收敛，但这样施作时双层初期支护结构的最小主应力之和也最大，结构的安全储备过低；滞后进尺过大也会导致第 层初期支护进入屈服阶段，隧道变形难以控制。双层初期支护厚度比也反映了相似的规律，提高第 层初期支护厚度可以控制围岩的早期变形，但是围岩应力得不到充分释放，支护结构荷载分配较差。综合考虑支护结构内力分配、围岩变形收敛与塑性区半径，选取工况（滞后 个开挖进尺，厚度比为 ）、工况（滞后 个开挖进尺，厚度比为）与工况（滞后 个开挖进尺、厚度比为 ）组进行对比分析。开挖面为 时拱顶沉降曲线如图 所示，监测断面初期支护结构内力对比如表 所示。图 拱顶沉降曲线 从图 可以看出，当第 层初期支护滞后 个开挖进尺、初期支护厚度比为 时，开挖之前拱顶已经发生了 的沉降，达到了整体沉降的，围岩性质软弱，最终总沉降值为 。当第 层初期支护滞后 个开挖进尺、初期支护厚度比为 时，围岩的开挖前变形为 ，最终沉降为 ，均为 种工况中的最小值，此时，较大的 表 监测断面荷载分担百分比 工况隧道位置荷载分担比 第 层初期支护 第 层初期支护滞后 个开挖进尺、厚度比 拱顶 拱腰 拱底 滞后 个开挖进尺、厚度比 拱顶 拱腰 拱底 滞后 个开挖进尺、厚度比 拱顶 拱腰 拱底 第 层初期支护厚度有效控制了围岩的变形松动，随着第 层初期支护的及时施作，加快了围岩最终的收敛变形。当滞后 个开挖进尺、初期支护厚度比为 时，开挖前拱顶沉降约占总沉降的，超前变形主要取决于第 层初期支护的厚度；第 层初期支护由于施作时间滞后较多，围岩变形松动未得到有效控制，最终拱顶沉降量达到 。此外，从表 可以发现，拱顶处第 层初期支护承担的内力相较于隧道其余位置较大，衬砌施作后应着重关注拱顶处的位移变化。工况、工况 与工况 的外层初期支护结构拱顶所承担的应力分别为，与 ，此时，双层初期支护结构拱顶 最 小 主 应 力 分 别 为 ，与。种工况下双层初期支护结构受力形式相似，外层初期支护均承担了绝大多数围岩的挤压应力，第 层初期支护均起到加快围岩变形收敛、提高安全储备的作用。综上所述，采用双层初期支护厚度比为 ，第 层初期支护滞后第 层初期支护 个开挖进尺的双层初期支护方案不仅能充分释放围岩的压力，在第 层初期支护施作后也能提供足够刚度，促进围岩的变形收敛。结语 本文通过对大亮山隧道高地应力状态下的软岩大变形隧道双层初期支护厚度比与内侧初期支护施作时机进行了隧道开挖三维数值模拟，分析了不同工况下围岩的变形收敛、塑性区半径和支护结构应等力学特性参数，得到以下结论。）隧道拱顶沉降值、仰拱隆起值、水平收敛值与塑性区半径随第 层初期支护滞后进尺的增大呈上升趋势，第 层初期支护应力也逐渐增大直至进入屈服阶段。第 层初期支护厚度越大，对围岩的早期变形控制作用越强，围岩应力释放不充分，隧道变形收敛速率较慢。袁 刚等：挤压大变形软岩隧道双层初期支护最优施工方案研究 ）综合考虑初期支护厚度比与滞后进尺对隧道变形收敛的影响，当第 层初期支护厚度较小时，滞后进尺为控制围岩变形收敛的主要因素；滞后进尺较大时，双层初期支护结构厚度比为控制围岩变形收敛的主要因素，支护方案的设计需结合不同因素对隧道收敛变形的影响。）依据台阶法开挖下隧道双层初期支护结构的力学特性，采用双层初期支护厚度比为 、内侧初期支护滞后 个开挖进尺的支护方案最佳。此时“边支边让、先柔后刚”的支护理念既可以充分释放围岩压力，双层初期支护也能加快围岩的收敛变形。）挤压性软岩大变形隧道现场易出现非对称变形、围岩压力分布极其不均等地质变化情况，需有针对性地打设长锚杆或锚索、使用新型让压支护等手段，使得围岩压力分布更加均匀。本研究未能全面涵盖，限于篇幅，研究团队后续将探索隧道非对称大变形的最优支护控制技术。本文主要针对隧道挤压大变形区段双层支护方案的支护施作时机和支护厚度比开展了数值研究，然而，隧道现场围岩条件复杂多变，对于隧道大变形段支护方案可以在本文的研究基础上，结合工程实际，增设锚杆或锚索、大锁脚和加深仰拱等，也可局部采用让压支护，共同形成耦合支护控制技术方案，以提高围岩的稳定性，同时施工方案也应根据隧道变形情况进行动态反馈调整，方可控制隧道大变形问题。参考文献：孙钧，江宇，汪波，等高地应力软岩隧洞挤压型大变形的非线性流变属性及采用让压支护的工程整治研究隧道建设（中英文），（）：，（）：钟友江，刘世杰，吴建和双层初期支护在云屯堡隧道高地应力软岩洞段中的应用隧道建设（中英文），（）：，（）：司剑钧极高地应力软岩隧道双层支护技术隧道建设，（）：，（）：李树忱，晏勤，谢璨，等膨胀性黄土隧道钢拱架格栅联合支护力学特性研究岩石力学与工程学报，（）：，（）：陈建勋，刘伟伟，陈丽俊，等绿泥石片岩地层大跨度公路隧道大变形控制及合理支护形式现场试验中国公路学报，（）：，（）：王浩 软岩大变形高速铁路隧道二次衬砌支护时机研究成都：西南交通大学，：，谢金池，寇昊，何川，等高地应力软岩大变形隧道洞型及双层初期支护支护时机研究隧道建设（中英文），（）：，（）：马栋，孙毅，王武现，等高地应力软岩隧道大变形控制关键技术隧道建设（中英文），（）：，（）：，：，（）：邹昌磊 穿越断层破碎带隧道台阶法施工初支变形特征及控制技术研究北京：北京交通大学，：，孙启博 谢家坡隧道软弱围岩大变形控制技术研究西安：西安工业大学，：，韩常领，张天，徐晨，等大断面软岩隧道变形特征及多层初支控制研究公路，（）：，（）：（下转第 页）闫腾飞等：板对综合管廊受力特性影响研究 墙底板节点，放置 板将导致结构最大弯矩值增大 。参考文献：沈艳峰，许海勇，乔英娟，等 综合管廊穿越既有地下管线施工措施研究施工技术（中英文），（）：，（）：冯权 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