不同大变形等级层状软岩隧道施工关键技术研究.pdf

第40 卷第5期2023年9 月引用本文：潘文韬，吴枋胤，杨文波，等.不同大变形等级层状软岩隧道施工关键技术研究 J.建筑科学与工程学报，2 0 2 3，40（5）：1 48-1 6 1.PAN Wentao,WU Fangyin,YANG Wenbo,et al.Research on key construction technology of layered soft rock tunnel under different largedeformation gradesLJJ.Journal of Architecture and Civil Engineering,2023,40(5):148-161.D0I:10.19815/j.jace.2022.01084不同大变形等级层状软岩隧道施工关键技术研究建筑科学与工程学报Journal of Architecture and Civil EngineeringVol.40No.5Sept.2023潘文韬1，吴枋胤，杨文波，寇（1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都6 1 0 0 3 1；2.四川绵九高速公路有限责任公司，四川成都6 1 0 0 41)摘要：为探究不同大变形等级层状软岩隧道施工方案，依托九绵高速全线大变形隧道，根据现场施工及效果初步设立对比工况；通过试验确定围岩参数，采用数值模拟对不同工况围岩支护受力变形进行比选验证，确定不同大变形等级工法、超前加固、支护方案，并通过现场施工及结构受力情况进行验证。结果表明：现场大变形等级与变形量表现出聚集性；轻微大变形在拱顶、拱腰处变形接近，中等、强烈大变形集中于拱顶或拱腰；轻微大变形宜采用二台阶法，采用加强单层小导管以及长短锚杆结合的方式意义不大；中等大变形宜采用三台阶法，并采用单层小导管（51，长6 m）以及长短锚杆结合的方式；强烈大变形宜采用三台阶留核心土法，扩大拱顶注浆范围并采用双层初期支护，视工程重要性选用双层小导管以及中管棚的超前加固方式。关键词：隧道工程；施工技术；数值模拟；层状软岩；大变形等级；现场监测中图分类号：U456.3Research on key construction technology of layered soft rock tunnelPAN Wentao,WU Fangyin,YANG Wenbo,KOU Hao,XU Di?,MENG Hailong,(1.Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering of Ministry of Education,Southwest JiaotongUniversity,Chengdu 610031,Sichuan,China;2.Sichuan Mianjiu Expressway Co.,Ltd.,Abstract:In order to explore the construction scheme of layered soft rock tunnel under differentlarge deformation grades,relying on large deformation tunnels of Jiumian expressway,thecomparative working conditions were preliminarily established according to the on-siteconstruction and effect.Surrounding rock parameters were determined by experiments and thestress and deformation of surrounding rock and supporting structures under different workingconditions were compared and verified by numerical simulation.Construction method,advancereinforcement and lining support schemes were determined under different large deformationgrades and verified by on-site construction and structural stress.The results show that on-sitelarge deformation grade and amount show aggregation.The deformation of vault and spandrel are收稿日期：2 0 2 2-0 1-1 2基金项目：四川省交通运输科技项目（2 0 1 9 ZL09）通信作者：杨文波（1 9 8 5-），男，工学博士，教授，博士生导师，E-mail:。昊，徐迁迪?，孟海龙?，何川,王飞2文献标志码：A文章编号：1 6 7 3-2 0 49（2 0 2 3)0 5-0 1 48-1 4under different large deformation gradesHE Chuan,WANG Fei?Chengdu 610041,Sichuan,China)第5期close under slight large deformation,and the medium and strong large deformation isconcentrated on the vault or the arch waist.Under slight large deformation,the two stepsmethod should be adopted.It is of little significance to strengthen single-layer small conduit andadopt the combination of long and short bolts.The three steps method should be adopted formedium large deformation,and single-layer small conduit($51,6 m long)and the combination oflong and short bolts should be adopted.Under strong large deformation,it should use three stepsto retain core soil method,expanding the vault grouting range,and adopting double-layer initialsupport.According to the project importance,the advance reinforcement method of double-layersmall conduit and middle pipe shed is selected.Key words:tunnel engineering;construction technology;numerical simulation;layered softrock;large deformation grade;on-site monitoring0引言中国正大力发展轨道建设，在西部山区修建了大量交通隧道 1-2 ，修建隧道中面临的地质环境越来越艰险恶劣。受高地应力、软岩及层理等因素共同作用，隧道在开挖过程中出现大变形并造成不同表观现象，如兰渝铁路多条隧道出现初支侵限拆换、钢架扭曲、折断等 3 ，牡绥铁路中兴源隧道出现喷混开裂掉块、钢架剪断引起换拱等 4，玉磨铁路景寨隧道开挖后初支变形速率增长快，持续时间长 5。软岩大变形严重危害隧道安全及使用，因而有必要对层状软岩大变形隧道施工及支护展开研究。目前大变形的研究主要从大变形分级、大变形变形破坏机理以及控制措施方案3 个方面展开。关于大变形分级，陈子全等 6 通过对多座软岩隧道变形的统计，结合最大变形与强度应力比的关系提出分级标准；李国良等 7 结合初始地应力分级对高地应力软岩大变形分级展开研究，提出以强度应力比为基础的分级指标。关于大变形破坏机理，徐国文等 8 1 采用离散元建立一种新的隧道开挖模拟方法，对围岩破坏机理展开了研究，揭示了不同间距与地应力下的围岩破坏模式。关于大变形控制措施，主要有工法、超前加固及支护3 个方面。工法上，徐国文等 9 对两台阶、三台阶开挖法展开比选试验，并对相应的开挖参数进行了优化；徐勇等 1 0 1 通过工法比选得出大拱脚台阶法对双线铁路隧道的适用性。超前加固上，有学者提出采用小导孔扩挖、仰拱桁架加固 1 1 、拱顶超前注浆、长锁脚锚杆支护 1 2 等措施，并在实际施工中得到较好反馈。支护体系上，主要为让压支护体系 1 3-1 4 与双层支护 1 5-1 6 的研究，相关支护体系在木寨岭等大变形隧道中有效控制了围岩支护体系变形。潘文韬，等：不同大变形等级层状软岩隧道施工关键技术研究149综上，针对大变形分级、变形破坏机理及控制措施均有一定研究，但所得措施较宽泛，未能针对不同大变形等级提出不同程度的大变形控制措施。鉴于此，本文依托九绵高速全线软岩大变形隧道，根据现场不同大变形等级隧道使用的工法、超前加固、支护及效果，初步设置对比工况，通过岩石力学试验确定围岩参数，采用数值模拟对不同工况围岩支护结构受力变形等进行比选验证，最终确定不同大变形等级的工法、超前加固、支护方案，指导大变形隧道施工。1基于现场监测的大变形规律分析1.1工程概况九绵高速始于四川省和甘肃省交界处的青龙桥附近，止于绵阳市游仙区张家坪附近。全线共有隧道42 座，总长度达到1 2 0.9 6 0 km，设计采用单向双车道的马蹄形隧道。沿线地质条件极其复杂、环境敏感、生态脆弱，不良地质发育，大量分布千枚岩、板岩等层状变质软岩。受层理弱面以及高地应力等因素影响，九绵高速相继出现了多次不同程度的大变形破坏，包括初支剥落、钢拱架扭曲变形、边墙鼓包、变形过大致严重侵限、掌子面溜塌及大面积二衬开裂等问题，严重影响施工安全与进度。现场层状软岩如图1 所示，边墙鼓出与二衬裂缝如图2、3 所示。1.2大变形分级为探明不同大变形等级所适宜的针对性工法、超前加固、支护体系，首先要对大变形等级进行判定。目前针对大变形等级判定并不是简单地采用围岩等级以及围岩参数，规范中采用相对变形量进行判定，文献 5、6 提及的最大变形量-强度应力比法是目前较为广泛使用的大变形分级方法，主要采用变形潜势、最大变形量及强度应力比来进行判定，150建筑科学与工程学报强烈2023年中等上轻微英等强烈-轻微0图4九绵高速隧道最大变形量与大变形等级关系Fig.4 Relationship between tunnel maximum deformation图1 层状软岩and large deformation grade of Jiumian expresswayFig.1Layered soft rock从图4可知，随大变形等级增加，最大变形量明显增大，两者表现出聚集性及规律性，不同大变形最大变形量有少许重叠但基本无噪声点，表明最大变形量可以反映大变形等级。根据统计结果确定轻微、中等、强烈大变形等级下最大变形量分别为200350mm、3 50 50 0 m m 以及50 0 mm以上，结合规范中相对变形量及文献中强度应力比指标，提出九绵高速大变形分级，如表1 所示。表1 九绵高速隧道大变形分级Table 1 Tunnel large deformation classification in图2 边墙鼓出Fig.2Side wall bulge图 3 二衬裂缝Fig.3 Secondary lining crack其中最大变形量指的是拱顶沉降变形以及拱腰收敛变形中的较大值。由于大变形分级还要用于后续数值模拟，因而采用数值模拟中较易使用的最大变形量及强度应力比作为大变形判定指标与依据。针对九绵高速中的软岩大变形隧道，通过统计已发生的大变形所对应的现场破坏行迹、变形量、地应力场等因素，根据现场破坏的程度以及对工程的影响将这些大变形破坏分成了3 个等级，然后再将这3 个等级的大变形所对应的变形量进行统计，确定大变形分级指标中的数值。统计了现场6 4个断面大变形等级与最大变形量(拱顶与拱腰变形较大值)的样本数据，如图4所示。200破坏前最大变形量/mmJiumianexpressway大变形分级最大变形量/mm轻微200350中等350500强烈5001.3不同等级下施工关键技术统计及分析根据大变形分级方案对九绵高速全线大变形隧道进行等级判定。九绵高速中大变形隧道主要有水牛家隧道、白马隧道及五里坡隧道，其中水牛家隧道大变形以轻微为主，白马隧道大变形以中等为主，五里坡隧道大变形以强烈为主。由于各隧道均发生了不同等级大变形，因而不能简单地将某条隧道归于某个等级大变形。现场各大变形隧道拱顶沉降与周边收敛监测数据如图5所示。水牛家隧道2 个监测断面拱顶沉降分别为2 3 9.5、2 1 3.3 mm，拱腰收敛分别为2 8 5.3 6、2 1 5.5mm，周边收敛大于拱顶沉降，大变形等级为轻微。白马隧道2 个监测断面拱顶沉降分别为2 0 4.2、1 0 7.6 mm，周边收敛分别为360.3、43 7.0 m m，大变形等级为中等，拱顶沉降较小，周边收敛较大。五里坡隧道2 个监测断面拱顶沉降分别为7 7 1.3、6 0 8.3 mm，周边收敛分别为133.1、1 0 2.9 m m，大变形等级为强烈，拱顶沉降较大。大变形等级为轻微时，收敛变形稳定较快，在60d时变形基本得到控制，而大变形等级为中等、400600强度应力比0.480.650.380.480.38800第5期300r25020015010050050040030020010008006004002000图5九绵高速大变形隧道沉降变形监测数据Fig.5 Monitoring data of deformation of largedeformation tunnel in Jiumian expressway强烈时，变形持续时间长，可达1 6 0 d。大变形等级为轻微时，拱顶与拱腰变形较接近，而大变形等级为中等、强烈时，变形集中于某个部位（拱顶或拱腰）。现场不同大变形隧道由不同单位施工，已施工开挖段使用的工法、超前加固及支护较混乱，效果不一，因而有必要基于现场使用工法、超前加固及支护，初步确立不同大变形等级对比工况，并在后续数值模拟中进行验证，用于指导后续隧道施工。现场不同大变形等级工法统计情况见图6。可以看出，现场大变形为轻微、中等时多采用二台阶留核心土法，占比分别为8 6%和8 3%，大变形为强烈时多采用三台阶法。现场实际施工反馈并不理想，如现场大变形为中等及强烈的断面较难抑制围岩变形，因而对现有工法进行改进：轻微大变形推荐采用大台阶的二台阶法，以减少连接处的大变形；中等大潘文韬，等：不同大变形等级层状软岩隧道施工关键技术研究二台阶1 7%二台阶三台阶7%7%水牛家隧道K73+465断面拱顶沉降水牛家隧道K73+465断面周边收敛水牛家隧道K73+475断面拱顶沉降水牛家隧道K73+475断面周边收敛2040监测天数/d(a)轻微大变形断面208010012014016014060监测天数/d白马隧道YK39+390断面拱顶沉降白马隧道YK39+390断面周边收敛白马隧道K39+727断面拱顶沉降白马隧道K39+727断面周边收敛(b）中等大变形断面五里坡隧道K146+221断面拱顶沉降五里坡隧道K146+221断面周边收敛五里坡隧道K146+151.5断面拱顶沉降五里坡隧道K146+151.5断面周边收敛2040监测天数/d(c)强烈大变形断面151三台阶留核三台阶留核心土2 0%心土1 0%三台阶10%二台阶留核心土8 6%二台阶留核心土8 3%三台阶6 0%(a)轻微大变形(b)中等大变形J60806010012018080(c)强烈大变形图6 九绵高速现场工法统计情况Fig.6On-site construction method statistics ofJiumian expressway变形段推荐采用超短三台阶法施工，中下台阶不易过高，可采用微台阶加快初支闭合成环；大变形为强烈时推荐采用三台阶留核心土法，该工法可灵活转换工序,预留核心土左右开挖有利于开挖工作面稳定。统计九绵高速大变形隧道超前支护比例，如表2所示。随大变形等级增加，超前支护采用42小导管双层支护比例增大。轻微大变形下42小导管单层支护对围岩变形限制效果有限，建议增设小导管数量；中等大变形下42小导管双层支护对围岩变形限制效果一般，根据已施作改进措施，建议采用51单层小导管，增加导管长度与数量；强烈大变形下建议采用51 双层小导管，对围岩极破碎段，为防止掌子面溜塌，可根据白马隧道成功经验采用长8m的60中管棚，增大施作范围以更好地形成有效承载拱。表2 大变形隧道超前支护统计Table 2Large deformation tunnel advance support statistics不同大变形等级下所占比例/%支护方式轻微中等42小导管单层支护61超前支护42小导管双层支护长度2.5m系统锚杆长度3 m长度3.5m25小导管锁脚锚杆442小导管现场不同大变形等级下使用比例最高的系统锚杆长度分别为2.5、3、3 m。借鉴现场成功经验，建议轻微大变形系统锚杆长3 m，中等、强烈大变形采用长短锚杆结合的方式（8 m长32自进式锚杆和4m长42注浆小导管）。轻微、中等、强烈大变形现场主要采用25药卷锚杆（7 4%）、25药卷锚杆（50%）、42 小导管（58%）。现场用42小导管难以抑制中等强烈大变形段围岩变形，,因此对现场情况进行修正。轻微大变形推荐采用42小导管，中强烈46173954451644671117745026508375254258152等大变形在原设计基础上增设锁脚锚杆数量，上、下台阶分别为4根、2 根，强烈大变形推荐采用108钢管。根据现场情况大致确定了不同大变形等级工Table 3Conditions of construction method,advance reinforcement and support under different large deformation grades大变形等级工况12轻微3456中等78910三台阶留核心土11三台阶12中隔壁(CD)13强烈三台阶留核心土14双层小导管（$51，长6 m）十先前注浆范围（3 m）15三台阶留核心土双层小导管（$51,长6 m）十加大注浆范围（4m）注：42单层小导管，长4.5m，搭接长度1.5m，环距40 cm，外插角5 1 0%；51单层小导管，长6 m，搭接长度3 m，环距40 cm，外插角51060中管棚，长8 m，搭接长度1 m，环距3 0 cm，外插角5；51双层小导管，长6 m，搭接长度3 m，环距3 0 cm，外插角为1 0 1 4和3 0 40；短锚杆为22药卷锚杆，长度3 m；长短锚杆为8 m长32自进式长锚杆+4m长$42 注浆小导管；长锁脚锚杆为$42 4注浆小导管（长6 m，1 2 根环-1），纵距为1.2 m（轻微）、1 m（中等、强烈）。2层状岩体力学参数确定在五里坡隧道现场采集多块完整性好、层理清晰的千枚岩，岩样采取如图7 所示，岩体实验室制备与测试如图8 所示。图7 千枚岩现场岩样采取Fig.7 On-site sampling of phyllite试样加工具体步骤为现场采集尺寸大于3 0 0mm的完好岩块，将岩块取芯制取层理角度为6 0 的试样，加工成直径50 mm、长1 0 0 mm的圆柱体试建筑科学与工程学报法、超前加固及支护，但需通过数值模拟进行验证。不同大变形等级下工法、超前加固及支护对比工况如表3 所示，其中三台阶及三台阶留核心土上台阶每处4根，下台阶每处2 根。表3 不同大变形等级下工法、超前加固、支护工况工法超前加固方式全断面单层小导管（42，长4.5m）单层小导管（42，长4.5m）二台阶单层小导管（$51，长6 m）单层小导管（42，长4.5m）二台阶单层小导管（$51，长6 m）单层小导管（$51，长6 m）单层小导管（42，长4.5m）三台阶中管棚($6 0,长8 m)单层小导管（$51，长6 m）双层小导管（d51，长6 m）十加大注浆范围（4m）中管棚（60，长8 m）十加大注浆范围（4m)千枚岩取样地点：五里坡隧道2023年支护体系初支情况单层初期支护（C25、厚短锚杆十长锁脚锚杆24cm）、1 2 0 b 工字钢钢架，6 0 cm棉-1长短锚杆十长锁脚锚杆长短锚杆十长锁脚锚杆长短锚杆十长锁脚锚杆短锚杆十长锁脚锚杆长短锚杆十锁脚锚杆($108钢管）(a）试验系统与程控三轴流变仪图8 岩体实验室制备与测试Fig.8Rock mass laboratory preparation and testing样。采用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统与程控三轴流变仪对不同大变形等级下围岩的弹性模量、泊松比、黏聚力、摩擦角参数进行确定，测定多组千枚岩岩块试验数据取平均值作为最终结果。后续数值模拟中采用同一围岩参数，大变形等级通过调整地应力使强度应力比落在规范中的强度应力比来控制。采用同一围岩参数主要由于九绵高速现场大变形断面围岩等级基本一致（基本全为IV级到V级围岩），现场不同大变形等级隧道断面现场单层初期支护（C30、厚24cm）、1 2 2 工字钢钢架，50 cm榻-1双层初期支护（第一层C30、厚3 0 cm，第二层C30、厚 2 5 cm)、1 2 0 b 工字钢钢架，50 cm榻-1单层初期支护（C30、厚30cm）、1 2 0 b 工字钢钢架，50 cm榻-1(b)岩样制取第5期勘测及试验测得的参数结果基本一致，但现场地应力测试数值及分布差异极大，因此认为九绵高速大变形主要不是由围岩等级或者围岩参数造成的，而是由地应力数值及分布不同引起的。节理参数在围岩参数的基础上进行折减弱化，参照文献 1 7 的方法，节理摩擦角略低于完整岩体，本模型中节理抗拉强度与黏聚力分别取完整岩体的10%和3 0%，最终围岩节理参数如表4所示，相关节理参数通过现场监测信息反算得到验证。表4围岩及节理参数Table 4 Surrounding rock and joint parameters弹性模量/GPa黏聚力/kPa围岩参数摩擦角/）泊松比抗拉强度/MPa密度/(kgm-3)考虑不同大变形等级的数值模拟33.1模型概况对层状软岩隧道应同时考虑围岩及层理软弱面,FLAC中的遍布节理模型可很好地模拟围岩及层理情况。围岩及节理面均服从摩尔-库仑准则，岩体可在两者中发生破坏。节理面参数主要考虑内聚力、剪胀角、摩擦角、抗拉强度、倾向与倾角等 1 8-2 0 1。O模型采用遍布节理模型，层理角度为6 0 图9）。潘文韬，等：不同大变形等级层状软岩隧道施工关键技术研究1.5弱面倾向/()200弱面倾角/()节理参数250.350.292100153图1 0 地应力情况Fig.10Ground stress condition90由CAD建立隧道断面的平面线框，在ANSYS60中进行网格划分并拉伸成实体，最后导入FLAC中黏聚力/kPa60剪胀角（）O摩擦角/（）22抗拉强度/MPa0.03用于后续计算（图1 1）。数值模型中围岩以及节理的相关参数采用前文千枚岩试验测得的结果（表4）。模型长、宽、高分别为8 4、50、7 5m，隧道埋深为30m，开挖跨度与高度分别为1 2.6 6、1 0.8 0 m。在模型四周及底部设置法向约束。初支为锚喷支护，二衬强度为C30，厚0.6 m。第一层初支用Shell单元，围岩、第二次初支、二衬采用实体单元，锚杆、小导管、管棚采用Cable单元。钢拱架强度折算到初期支护强度中。第一层初支在开挖面后2 m施作，第二层初支在第一层初支施作后2 m施作，二衬在初支施作后1 0 m施作。工况设置见表3，系统与锁脚锚杆设置见图1 2，工法设置见图1 3，超前加固见图1 4。二、三台阶、CD法步距均为5m，三台阶留核心土各步距分别为4、5、5m。二台阶台阶高5m，三台阶台阶高度分别为5、2.7、1.5m，三台阶留核心土中核心土宽8.7 m。图9 层理角度设置（6 0）Fig.9Bedding angle setting(60)由白马隧道地应力测试反演结果推得隧道平面应力状态，如图1 0 所示，其中1 5为主应力与竖直方向的夹角，0 1、6 3 分别为最大、最小主应力。不同大变形等级最大主应力分别为1 0、1 4、1 9 MPa，最小主应力为其一半。不同大变形等级主要通过表1 的强度应力比控制，在FLAC中设置不同地应力数值，计算所得强度应力比，与表1 中的强度应力比区间进行匹配，从而将不同工况判定到不同大变形等级。图1 1 模型示意图Fig.11Model schematic diagram3.2数值模拟结果为评判不同大变形等级下不同计算工况的控制效果，需制定九绵高速层状软岩隧道不同大变形等级的安全控制基准，根据计算工况中相关数值是否154(a)二台阶(单层初支)建筑科学与工程学报落在相应大变形等级累计变形的安全区间中，来定长短锚杆(8 m和4 m)+锁脚锚杆(6 m)(a)三台阶锁脚锚杆(6 m)(b)二台阶图1 2系统锚杆与锁脚锚杆Fig.12System and foot lock bolt未扩大注浆范闺时为3 日Shell单元单层初支Fig.13Schematic diagram of construction method and initial support搭接长度3m2023年性评价后续数值模拟中相关计算结果。参考规范中的相关做法，将各大变形等级下变形最终收敛稳定最小值界定为极限位移值Un，并将U./3U2U./3作为位移值的安全控制基准。以各等级变形潜势对应的变形速率V。作为各大变形等级变形速率安全控制基准，最终确定九绵高速大变形隧道安全控制基准，如表5所示。短锚杆(3 m)3.2.1轻微大变形结果分析(1)围岩支护结构变形提取大变形等级为轻微下不同工况围岩及支护结构最大变形，如图1 5所示，拱顶沉降如图1 6 所示。受层理角度影响，左拱腰收敛小于右拱腰，因而提取大变形等级为轻微下不同工况右拱腰收敛，如图1 7 所示。扩大注浆范围时由3 m变成4m第二屋初支(b)三台阶(双层初支)图1 3工法及初支示意图搭接长度3m二村第三层初支(c)三台阶留核心土（双层初支）Shell单元层初支屋初支(d)CD法(双层初支)搭接长度1 m临时支护搭接长度1.5m工况1(a）单层小导管(42,长4.5m）(b)单层小导管(51,长6 m)表5九绵高速大变形段隧道安全控制基准Table5Safety control standard for large deformationtunnels of Jiumian expressway大变形等级累计位移/mm轻微70U130中等120U230强烈170U330从图1 5可以看出，不同工况围岩及支护结构最大变形规律基本一致，主要由于围岩及初支紧密贴合协同变形所致，不同工况初支变形差值要小于围(c）双层小导管(51,长6 m)图1 4超前加固示意图Fig.14Schematic diagram of advance reinforcement变形速率/(mm d-1)1Vo1010V3030Vo50(d)中管棚(60,长8 m)14h13.321210F8F6F4F2F0Fig.15Maximum deformation(slight)工况2工况38.428.26工况46.985.124.49_4.41.4.39围岩初支位置图1 5最大变形（轻微）第5期一26一7一810图1 6拱顶沉降（轻微）Fig.16Vault settlement(slight)工况1工况2工况3工况4一8-10%10图1 7 右拱腰收敛(轻微)Fig.17Right arch waist convergence(slight)岩变形差值，初支变形为围岩变形的3 5%6 5%。工况1 围岩初支变形相比其他工况有较为明显增大，围岩变形1 3.3 2 cm，超出安全控制基准，且其拱顶沉降及右拱腰收敛相比其他工况也有较大幅度增大，因而不宜采用。工况3、4相比工况2 围岩初支变形均有一定提升，其中超前支护由45、长4.5m单层小导管变为51、长6 m单层小导管，围岩初支变形及拱腰收敛效果不明显，但对拱顶沉降却有较明显改善，这是由于小导管主要起注浆效果，对围岩支撑效果不明显，但由于导管尺寸、长度的增加，在拱顶位置成拱作用增强，对拱顶位置变形的约束增强，但整体意义不大。采用长短锚杆对围岩变形、拱顶沉降及右拱腰收敛均有较明显改善，对初支变形改善效果较小。考虑到工况2 本身围岩变形就在安全基准控制范围，围岩变形得到有效控制，进一步减小围岩变形至安全控制基准以下意义不大，且工况2和工况4初支变形基本一致，采用长短锚杆增加了成本，因而从控制围岩初支变形及洞周变形上推荐采用工况2。（2）支护结构受力提取大变形等级为轻微下不同工况初支、二衬应力及应力较大位置，如表6 所示。受6 0 层理角度偏压影响，初支拉应力集中于左拱脚。全断面开挖由于开挖扰动大，右拱肩也将承受较大拉应力，因而受力上较为不利，二衬对初支潘文韬，等：不同大变形等级层状软岩隧道施工关键技术研究工况1工况2工况3工况420304050开挖步2030开挖步155表6 大变形等级为轻微时初支及二衬应力Table 6Stress of initial support and secondary liningunder slight large deformation工况初支最大拉应力/MPa10.195（左拱脚、右拱肩）60704050二衬最大拉二衬最大压应力/应力/MPaMPa0.070（拱底）一9.1 0 6（左右拱脚）20.173（左拱脚）30.172(左拱脚）40.169（左拱脚）应力重分配，在拱底出现较大拉应力，左右拱脚出现较大压应力。二衬应力相比初支有较明显减小。数值上，工况1 全断面）初支及二衬应力要明显大于工况2 4（二台阶），易造成混凝土开裂及二衬受压破坏，因而不宜选用。工况2 4初支及二衬应力逐渐减小，工况3（增强超前支护）对衬砌应力作用效60700.067（拱底）一7.3 7 6（左右拱脚）0.065（拱底）-7.333(左右拱脚）0.062（拱底）-7.326（左右拱脚）果不显著，而工况4（长短锚杆）对减小衬砌应力有一定效果，主要由于锚杆的拉拔作用减小了左拱脚初支的拉应力。考虑到此时大变形等级较轻，初支拉应力数值不大且不同工况下二衬压应力数值接近，从施工经济性考虑推荐采用工况2。提取大变形等级为轻微时不同工况初支压应力分布，如图1 8 所示，整体上，初支在左拱脚及右拱肩出现较大压应力。工况1（全断面)会使初支压应力全面增大，且压应力偏压的情况会蔓延到左右拱腰，使拱腰产生较大压应力，因而不予采用。工况3（增强超前支护)和工况4（长短锚杆）相比工况2 均能减小初支压应力，其中工况3 对初支偏压部位改善效果较差，因而意义不大，而工况4由于长短锚杆可以分担初支应力，因而初支各部位压应力均有一定改善，但考虑其成本较高，对轻微大变形不推荐使用。综上，从围岩支护结构受力变形角度，宜采用工况2。拱顶左拱肩左拱腰左拱脚图1 8轻微大变形下初支压应力分布（单位：MPa)Fig.18Distribution of initial support compressive stressunder slight large deformation(unit:MPa)一工况1工况2右拱肩工况3一工况4右拱腰右拱脚拱底1563.2.2中等大变形结果分析(1)围岩支护结构变形提取大变形等级为中等时不同工况围岩初支变形（图1 9）、拱顶沉降（图2 0）、右拱腰收敛（图2 1）。2523.8121.9720F19.1415F1050Fig.19Maximum deformation(medium)一4一8 F-12F-16建筑科学与工程学报变化甚微，因而出于支护效果及经济性，应采用工况6。工况9（短锚杆）相比工况6（长短锚杆）围岩初支变形大幅增加，对拱顶沉降及拱腰收敛也较不利，由于锚杆长度较小，无法深入塑性区，对拱顶土体支撑工况5作用很小，拱顶沉降数值极大。因而从围岩初支变工况620.92工况719.02工况8工况913.9712.2112.4812.1713.12围岩初支位置图1 9 最大变形(中等）20402023年形及洞周变形上推荐工况6，此时围岩最大变形落在大变形为中等时的安全控制基准1 7 2 3 cm范围，围岩变形得到有效控制。支护最大应力出现部位与大变形等级为轻微时基本一致，提取不同工况的支护应力，如表7 所示。工况5（二台阶)支护受力有明显增大，因而不推荐采用。工况7 相比工况6 减弱了超前支护，降低了成本，但对支护受力特别是初支压应力有不利影响，相当于支护结构过弱无法很好承担荷载；工况8 采用了中管棚,增加了支护刚度及成本，二衬应力有减工况5工况6工况7工况8工况960小，但幅度不大，初支应力相比工况6 不减反增，这主要由于中管棚刚度过大使荷载往支护结构转移，因而工况8 性价比不高。工况9（短锚杆）相比工况6（长短锚杆)支护受力全方位增大，对初支压应力及二衬拉应力有极为不利的影响，因此大变形等级为80J开挖步图2 0 扶拱顶沉降（中等）Fig.20Vault settlement(medium)工况5工况6工况7工况8工况96一8 F-1050Fig.21 Right arch waist convergence(medium)从图1 9 可以看出，初支与围岩变形规律基本一致，变化量要更小，初支变形为围岩变形的55%65%。工况5围岩变形可达2 3.8 1 cm，超过了大变形等级为中等时的安全控制限度2 3 cm，且围岩初支变形相比三台阶有明显增加，拱顶沉降较大，右拱腰收敛难以控制,因而不能采用。工况7（42 单层小导管，长4.5m）、工况6（51单层小导管，长6m）、工况8（d60中管棚，长8 m)的支护成本逐渐增大，围岩初支变形支护效果也逐渐增强，三者初支变形数值接近，工况6 相较工况7 围岩、洞周变形改善效果十分明显，而工况6 相较工况8 围岩洞周变形中等时应该采用长短锚杆，推荐采用工况6。表7 大变形等级为中等时初支及二衬应力Table 7Stress of initial support and secondary liningunder medium large deformation初支应力/MPa工况最大拉应力最大压应力最大拉应力最大压应力50.95260.89470.9432040开挖步图2 1 右拱腰收敛(中等）二衬应力/MPa-20.152.0.625-18.8600.536-19.1260.54060809.4869.0599.15880.92290.925为反映二衬压应力分布，提取不同工况下二衬压应力，如图2 2 所示。二衬压应力在左拱脚偏压，右拱脚也承受较大压应力，相比初支受力，二衬受力较均匀。工况5（二台阶)相比工况6（三台阶）二衬压应力全面增大，其中拱顶及左右拱肩、拱腰部位增幅较明显，因而宜采用三台阶施工。相比工况6，工况7（减弱超前支护)对二衬整体受力较不利，工况8（中管棚)能较小幅度改变二衬受力，但增加了成本，因而意义不大。工况9（短锚杆)相比工况6（长短锚