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摘要：本文以全长32.645km的双洞单线关角隧道施工为背景，为了解决河谷浅埋段围岩软弱、变形及富水情况对施工的影响，通过围岩力学特性分析研究，采取了超前管棚、超前导管、超前水平注浆以及强支护等综合技术措施，改进了施工方法及工艺，控制了支护体系受力变形，确保顺利通过了河谷浅埋段施工，同时为类似工程建设积累了经验。
关键词：隧道；穿越；浅埋河谷；力学特性；变形；改进技术
1 工程概况
目前针对隧道穿越浅埋、软弱围岩段施工，基本采取三台阶七步开挖法，调整断面曲率等支护措施技术，但面对浅埋、富水、破碎地质段综合处治技术尚缺少成熟的经验可借鉴。新关角隧道海拔3400m-3800m，穿越400米左右河谷浅埋段，部分浅埋不足40m。该段落地层地质70%左右以变质砂岩夹板岩为主，围岩基本为河砂加体积不等的孤石，局部呈不等厚互层状，自稳性极差，涌水量较大，施工过程中易出现围岩滑塌、支护变形现象。在新关角隧道建设中，为了安全合理的支护施工，通过现场试验，监测围岩压力、钢拱架应力、锚杆轴力、衬砌水压力并结合分析数据，从而确定了最佳的支护技术措施，进行了改进技术方案研究，进一步完善了综合处治技术，降低了隧道施工风险。
2 力学特性研究
2.1 现场试验方案
2.1.1 实验概况
通过分析河谷浅埋区域隧道支护衬砌结构的力学特征，可以科学指导支护参数，实验中设置1个监测断面，对围岩围压、锚杆轴力、钢架应力及衬砌水压进行了测量，监测项目布置如图1。
图1支护结构受力监测布置图
根据开挖面地质勘察，地层以变质砂岩为主，岩体风化严重，呈破碎状，层间胶结力差。掌子面开挖后，拱部线状滴水、边墙股状出水，拱墙存在掉块、围岩自稳能力差。施工过程汇总掌子面出现突泥涌砂，断面坍塌严重。该河谷区域监测断面围岩情况如图2。
图2开挖揭露围岩情况
2.1.2 支护参数设计
监测断面初期支护参数为：拱部范围设Φ42超前小导管，单根长3.5m，环向间距40cm注双液浆；拱墙网喷25cm厚混凝土，仰拱素喷10cm厚混凝土；拱墙设I16型钢钢架，间距0.5m/榀；拱墙挂设Φ8钢筋网，间距20×20cm；边墙设Φ22砂浆锚杆，长度为3.5m，间距1.2×1.2m。
2.2 支护结构受力特征
2.2.1 围岩压力分布规律
在DYK281+898断面围岩压力共布设10处测点。围岩压力时态曲线如图3所示。
图3 DYK281+898断面围岩压力时态曲线
由围岩压力的时态图以及分布图得出：
（1）右下导坑开挖后，拱顶围岩压力24小时内短期陡增，变化率达到6.9kPa/d。左下导坑开挖后，右侧钢架脚部围岩压力急剧上升，变化率平均为5.6kPa/d。其余监测点处围岩压力变化缓慢。
（2）隧底支护封闭后，监测断面各测点趋于收敛，逐渐稳定。
（3）二衬施工后，各监测点压力短期内均出现陡降或陡增，表明在衬砌刚性支护作用下，围岩内部应力重分布逐渐平衡。
（4）断面稳定后，围岩压力分布在0-160kPa之间，其中仰拱右侧及拱顶数值较大，分别为135.6kPa和159.9kPa。
2.2.2 初支内力分布规律
共布设9对钢架表面应变计。钢架应力分布及应力时态曲线如图4、图5。
图5 断面钢架内环应力分布及应力时态曲线
对以上图进行分析得出：
（1）钢架内外均承受压力。左拱腰外侧最大应力达560.8MPa，拱部外侧压应力340.5MPa。
（2）钢架架设后，迅速承受荷载，应力剧变，测试中左拱腰处出现最大应力，变化率433.9MPa/d。
（3）隧底封闭后钢架应力趋于稳定；在二衬施做后，钢架应力突增后逐渐稳定。
2.2.3 锚杆轴力分布规律
测试锚杆轴力断面布设12个测点，试验中右侧边墙2.2m处测点损坏，其余锚杆轴力分布及轴力时态曲线如图6。
图6 断面锚杆轴力分布及轴力时态曲线
对以上图进行分析得出：
（1）在锚杆施工后，轴力随时间推移逐渐增大，轴力在不同深度数值差异明显，锚杆施做8天后各测点均趋于稳定。当施做二衬后，锚杆轴力短期突变后逐渐稳定。
（2）右拱脚位置测点的锚杆均承受拉力，拉力最大处位于0.4m测点，为46.3kN；其余各测点基本承受压力，压力最大处位于左边墙处2.2m测点，为13.8kN。
2.2.4 水压力分布规律
断面共布置6个测点测衬砌水压力。衬砌水压分布及时态曲线如图7。
图7断面衬砌水压分布及水压时态曲线
对以上图进行分析得出：
（1）仰拱位置测点首先测得水压力数据，并逐渐增大。二衬完成施工后，其他测点水压变化情况相似。
（2）衬砌周围水压力差别不大，水压稳定在30-90kPa之间。
2.3 支护体系受力特征分析
（1）在上导坑开挖支护6d后，初支喷射砼达到70%以上强度，初支结构稳定，此时进行中导坑开挖，对上台阶正常平行作业不产生影响。
（2）拱部测点压力受下导坑开挖工况影响较大。
（3）隧底支护封闭后，支护应力及围岩围岩逐渐平衡，变化率逐渐收敛。
（4）二衬施工完成后，对围岩压力的释放产生抑制作用，短期内围岩应力重分布并稳定，因此支护应力、锚杆轴力变化急剧，并逐渐稳定。
3 改进技术研究
3.1 支护技术改进
由于掌子面施工中出现多次突水涌泥，因此施工中优化了超前支护及初期支护措施。优化后超前支护为管棚、小导管及超前预注浆相结合，初支为型钢钢架加喷锚支护。具体措施如下：
（1）原设计超前管棚仰角过大，管间落石现象严重。施工中多次出现侧墙初支开裂、大变形。因此调整长管棚为0度角，同时管棚施做范围调整由120度变更为180度。
（2）地下水较为发育，施工存在线状滴水、股状出水及突水涌泥现象。施工中采用全断面超前水平钻孔帷幕注浆隔水加固地层。
（3）在断层破碎带围岩中采用自进式中空锚杆代替普通砂浆锚杆，提高了锚杆施工质量，提高了围岩整体稳定性。
（4）由监测结果表明围岩压力分布不均，其中压力较大处位于拱顶及左边墙，施工中上中下台阶均通过设置工16临时横撑来提高支护抗力，防止洞室变形。
3.2 开挖方法及工艺改进
初期采用原设计两台阶法施工，每循环进尺0.5m，上台阶、下台阶分别高约4m、5m；仰拱距离掌子面距离不超过30米。施工后期，掌子面围岩稳定能力差，层理裂隙间存在渗水、股状涌水，时常突泥涌砂。因此改进开挖工法为三台阶七步法，其中上台阶预留核心土。施工中，左右中台阶开挖时错开1m，其中中台阶滞后上台阶、下台阶滞后中台阶约3m；上中下台阶每循环进尺均不超过一榀钢架间距。仰拱开挖应及早封闭成环，距掌子面不超过30m。通过改进开挖工法，保证了开挖支护稳定进尺，原因分析如下：
（1）浅埋、断层破碎带地段，通过两台阶变更为三台阶，合理优化了开挖工法，降低了每步的开挖高度，减小了每步的开挖面积，缩短了每步开挖长度，提高了断面围岩的稳定性。
（2）台阶长度由4m改为3m长，一方面3m长度中台阶到达上台阶断面需要6天时间，喷混凝土已经达到设计强度的70%，初期支护基本已经稳定。另一方面缩短了全断面封闭的时间，有利于围岩的稳定。
（3）由试验围岩压力分布可知，上台阶开挖后拱架即受到围岩压力，拱部围岩压力比较大，最大达到506.7kPa。中台阶开挖时使钢架处于最薄弱阶段，拱部过大的压力使钢架整体沉降严重，因此中下台阶分左右侧开挖，避免了钢架拱脚同时悬空，有利于控制钢架的整体沉降。
4 施工技术方案论证及应用效果
为了研究河谷浅埋段后期改进支护参数的效果，对原施工方案和改进后施工方案的施工过程进行力学模拟，论证改进方案的可行性。
4.1 施工技术方案数值法论证
计算模型如图8所示。
图8 Ⅵ级围岩改进方案隧道模型图
计算可得该断面拱顶沉降及收敛曲线。通过计算分析，围岩变形和支护结构受力情况如表1所示。
从表1可知，从支护结构受力方面看，改进后相比改进前有所增大，但还较小；在围岩变形控制方面，改进后相比改进前拱顶下沉、水平收敛值均明显减小。在后期施工过程中，通过每5m设置一组监控量测数据分析，改进技术后对比改进前拱顶沉降减小了41.3%，水平收敛减小了71.8%，表明改进后的方案较好地控制了围岩周边变形。说明改进后的开挖支护方案在充分发挥支护结构承载能力的基础上，可使围岩变形控制在更合理的范围，保证了围岩自承能力，使围岩与支护结构最终平衡在一个合理的稳定状态【3】。
5 结语
通过对关角隧道穿越河谷浅埋段开展的力学特性及施工技术研究，采取了超前管棚间加设超前导管预注浆加固地层，超前水平注浆隔离富水层，自进式锚杆、I20型钢钢架支护及设置横向临时支撑体系等技术措施，改进了施工方法及工艺，有效的控制了河谷浅埋段变形，确保了施工安全，加快了施工进度，降低了施工风险，为类似工程建设提供了可靠的借鉴经验。
参考文献
[1] 赵天熙. 关角隧道区域稳定性评价与地质分析[J].铁道建筑，2009（9）:107.
[2]吴波，高波.喷锚支护隧道围岩稳定性粘弹性分析与应用[J].地下空间，2002（01）:99.
[3] 冯银银.隧道围岩应力与位移数值模拟与分析[D].山东科技大学，2010（01）:111.
论文作者:姚荣幸
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年2月上
论文发表时间:2017/6/6
标签：围岩论文; 断面论文; 钢架论文; 应力论文; 压力论文; 水压论文; 台阶论文; 《建筑学研究前沿》2017年2月上论文;