孙康
中咨工程管理咨询有限公司，北京 100048
摘要：分析讨论中国隧道工程的建设现状，软弱围岩隧道的设计与施工技术问题被认为当前困扰隧道建设者的主要问题，如何安全高效的通过、开挖、设计含有软弱围岩的隧道一直是我国隧道建设研究的课题。由于随着隧道施工的环境越来越恶劣，工序越来越繁琐，围岩和衬砌将受到多次扰动，衬砌结构本身的稳定性也决定着工程安全和质量的重要标准。
关键词：软弱围岩隧道初期支护监控量测；围岩稳定性分析；
前言：隧道浅埋软弱围岩段具有埋深浅、围岩稳定性差和受力复杂的特点,施工中稍有不慎就会造成围岩的过大变形而导致失稳。因此,对隧道浅埋软弱段围岩在施工中的沉降及位移变化规律的研究非常重要。
一、工程概况
1.隧道进口起始里程为DK493+415，设计为纵坡为4．8‰的单面下坡，共承担2 930m的施工任务。其中开挖里程为DK493+880—918，围岩等级为IV级，衬砌类型为IVa－2，IVa－1。该地段工程地质情况为:凝灰岩，局部夹凝灰质砂页岩，强至弱风化，灰色，凝灰质结构，块状构造，节理裂隙较发育，岩体较破碎，块石碎石状镶嵌结构。
2.测试项目与断面选取。为了掌握施工中支护结构参数和围岩力学稳定性程度，通过监控量测数据来反映施工中力学和变形的动态信息，来确保安全施工。根据隧道实际地质条件，围岩稳定性和初期支护受力特性测试项目包括:拱顶沉降、周边收敛、喷混凝土应力、钢架应力，选取断面里程为DK494+540，DK494+550，DK494+560，共布置3个监测断面。
二、软弱围岩隧道初期支护监控量测
1.监测方法。隧道围岩稳定性分析采用钢尺式收敛仪量测，初期支护受力特性监测中喷混凝土应力和钢架应力是监测重点，监测传感器依次为埋入式混凝土应变计、振弦式钢筋应变计，数据采集仪采用非连续激振弦式传感器，钢架用振弦式应变计进行量测，每个量测断面布设5个点，掌握钢支撑的实际工作状态，确定钢支撑的安全性，初喷混凝土用埋入式混凝土应变计，每个量测断面布设5个测点。
2.监测结果与分析。拱顶沉降和水平收敛通过对隧道围岩位移－时间曲线的分析，可以得出如下结论。拱顶沉降与水平收敛变形随时间逐渐增大的趋势基本一致，但拱顶沉降值较水平收敛值要大，断面1沉降量最大，最大沉降值为15．7mm，最小沉降值为9．5mm，断面3收敛量最大，最大收敛量为106mm，最小收敛量为6．4mm，拱顶沉降对隧道施工影响更大。拱顶沉降在开挖后初期数值增长较快，变形速率较大，当监测10d后，拱顶沉降增长速率逐渐减小，该断面在监测开挖18d时，拱顶沉降速度小于规范值，拱顶沉降值处于稳定状态，最终拱顶沉降量占总沉降量的91%，说明在隧道进行支护后的围岩变形得到了控制，使隧道处于稳定状态。水平收敛在开挖后初期数值增长较快，变形速率较大，当监测10d后，水平收敛增长速率逐渐减小，该断面在监测开挖18d时，水平收敛速度小于规范值，水平收敛值处于稳定状态，最终水平收敛量占总沉降量的86%，说明在隧道进行支护后的围岩变形得到了控制，使隧道处于稳定状态。
三、围岩稳定性分析
1.钢架应力受力初期增加速度较快，且基本都呈现出受压的特点，说明围岩岩体自承能力相对较差，体现了钢拱架在隧道围岩支护中的作用，但压应力值都非常小，远小于钢架的抗压强度设计值，整条曲线最终都趋于平缓稳定，说明开挖后围岩逐步达到稳定状态，期支护结构处于安全状态。通过数据分析，对于钢支撑内力呈现出拱腰大、拱脚小的状态，根据图3a 可反映，断面隧道拱腰部位的钢拱架应力值较其他部位较大，说明拱腰的钢支撑受力较大，其中接近拱部围岩的钢拱架最大应力值达到了36MPa，拱脚处钢拱架应力值为7． 3MPa，都远小于钢架应力值，说明了钢架在围岩支护上的作用得到了充分的体现。通过监测数据，隧道变化稳定较快，说明钢拱架开挖后发挥了强大的支护作用，钢拱架变形较小，围岩变形得到了有效的控制。力作用在初期支护上的围岩压力转化为喷混凝土的应力，测量数据处理后将3 个断面相同位置应力值大部分测点喷混凝土应力随时间发展成单调递增现象，在初期开始增加速度较快，反映混凝土支护发挥了其支护作用，其中混凝土应力变化曲线也受到隧道其他工序的扰动而发生不规律变化，但总体来看混凝土应力变化量较小，说明隧道在初期支护的情况下围岩较为稳定。从数据分析可得边墙所受压应力最大，最大值达到12MPa，拱顶压应力值较小，但其值远远小于混凝土衬砌的强度极限30MPa，表明隧道支护结构有效地控制了隧道的沉降。从应力断面一拱腰位置所受压应力逐渐增大，最终趋于稳定，并且稳定后的最大值远小于混凝土衬砌的强度极限，表明此前的支护措施非常有效。
2.数值模拟。在掌子面出完渣，对开挖断面进行打环向锚杆，然后进行钢拱架与钢筋网片施工，之后喷射混凝土使其与围岩形成封闭整体，形成支护结构来承担围岩释放的荷载。钢拱架密贴围岩，与围岩共同变形，采用FLAC3D 将喷射混凝土和钢拱架等效为复合体，采用shell 单元进行模拟，并附到围岩网格上，计算钢拱架和围岩的共同受力和变形。由于在钻爆过程中采用三臂凿岩台车，为满足施工空间需求，安全步距加长，围岩在台阶法开挖过程中，通过仰拱尽快的设置与初支形成封闭承载环减小拱底处隧道变形，增加隧道开挖的稳定性，由于隧道变形中水平变形远小于竖直变形，故在此仅讨论仰拱封闭距离对竖直变形的影响，从不同安全步距的变形模拟结果中可以看出围岩的竖向沉降变形规律基本一致，竖向位移的最大沉降值发生在拱顶衬砌及以上的部分围岩，随着封闭距离的增大，拱顶变形呈现逐渐增大的趋势。在隧道开挖过程中，初期衬砌的拱顶位置受力相对于拱底位置较小，侧墙受力也较大。从图6a中可以看出在拱腰位置出现较大的压应力，最大值为27．939MPa，图6b中拱脚处出现了较大的应力集中，最大值为30MPa，反应了拱脚处受力较大，应采取增加锁脚锚杆的措施。钢拱架在拱顶受力较大，距离掌子面越近受力越大，可以得出拱顶最大应力远小于隧道钢拱架强度设计值，所以隧道支护结构是稳定的。加强拱脚的支护。在实际施工中为避免拱脚部位变形过大而造成拱顶下沉，以及墙脚围岩强度过低而产生变形，应采取在初期支护钢拱架，拱脚、墙脚部位设置锁脚锚杆的辅助措施。目标断面拱顶下沉及周边收敛稳定时间都约为两周, 拱顶下沉实测值及周边收敛计算周边收敛值为左右拱腰向位移代数和实测值都略小。造成这种情况的原因为隧道洞室的扰动掌子面的开挖对前方未开挖围岩的扰动开挖瞬间围岩就有位移的产生,而监控量测是在开挖完成以后才能进行的,即监控量测不能量测出扰动开挖瞬间围岩产生的位移。变化趋势也是一致的,即都是在开挖开始阶段变化较大,然后逐渐趋于平稳。
结束语：混凝土应力随着时间逐步增大但是变化率不大，拱腰位置混凝土内部应力相较拱顶、边墙大，但是远小于混凝土最大强度，能够实现支护结构的作用。监测断面拱顶沉降、周边收敛量都较小，说明围岩稳定性较好，采用新奥法施工的隧道，充分发挥了围岩的自承能力，有效的控制了围岩的变形，从而致使围岩压力不是很大。
参考文献：
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