隧道浅埋偏压段初期支护变形分析及参数优化

引言

隧道项目施工的区域处于浅埋偏压的软弱地带，且地质条件错综复杂，断层区域较多，在隧道岩层中存在大量的褶皱和变形的问题，隧道土层较为软弱且存在大规模垮塌的威胁。和传统的隧道施工相比较，隧道的变形情况更加严重，存在岩层偏移的难题，施工中如果不进行加固处理，岩层容易发生大规模的变形，易造成施工进度的滞缓。借助于物探、钻探、试验段、监控量测等分析方法，对初期支护中发生变形的原因和危害程度进行了全方位的综合研判，对地质灾害的防治措施和变形原因进行了分析，对支护参数进行了优化，通过全方位的加固措施，防止了隧道发生大规模的变形问题。

2 初期支护变形及处置情况

2.1 初期支护变形情况

某隧道进口左侧 K154+221 段，在围岩等级方面确定为 V 级围岩，在施工的过程中运用了 Vc 型复合式衬砌，在隧道内部原始初支参数中采取了型号为 H230 格栅钢架，钢架的彼此间隔为 0.5m ，在表面喷射了C25 混凝土，混凝土的厚度为 0.5m 。并通过取样以后发现隧道发生的垂直方向的裂缝已经贯穿整个支护的区域，对于隧道两侧钢架连接的区域发生了混凝土整体脱落的问题，格栅骨架外露变形支护中发生墙体脱落的情况，钢筋骨架出现外露变形。监控量测显示，在位移变化方面， K154+221 段的隧道监测点的位置方向和位置主要集中于隧道内部，在位移方向主要沿着隧道左侧的区域进行变化。在监测中，左侧位置的偏移值为 72mm ，平均偏移值为16mm;右侧最大偏移值为 120mm ，综合来看，偏移值的平均值为 60mm 。

2.2 变形处置方案及措施

2.2.1 变形处置方案

在发生隧道变形以后，项目组运用了封闭掌子面、裂缝灌浆等方式对隧道的裂缝进行回填和加固。

2.2.2 变形处置措施

（1）快速安装格栅钢架，顶紧掌子面，在对隧道进行封闭掌子面支护以后，暂定对掌子面的加护处理。（2)在隧道岩层脱落情况较为严重的地方，增设了一共 5 组加固环，对于加固环来说运用了 I18 型钢拱架，钢拱架的彼此距离为 0.6m ，运用了 Φ22 钢筋纵向连接，在连接以后通过加固环和喷射混凝土，使得钢架和支护措施紧密相连。（3)下台阶在施工的过程中运用了洞渣进行反向的回填，在加固环区域外的地方运用了 I18 型钢横撑起到了临时的加固作用，钢横撑的横向间距为 0.6m ，采取了 φ22 钢筋进行纵向连接。对隧道初期支护中存在大规模外层脱落的问题，项目施工的全环节中运用了 4mmϕ42 小导管进行了综合性的灌浆加固处理，对于小导管的间距来说，采取了 0.5m×0.5m 作为间隔，在注浆的过程中运用了水泥浆液进行注浆，压力值为 0.5～1.0MPa 。

3 变形原因分析

为全面分析隧道在支护中发生变形和中线位移的成因，形成对地质资料的全面补充，持续加强对隧道洞内发生变形和地表状态的检测，在项目实施中选择了相应的路段进行监测，提高了对变形原因分析的准确度。

3.1 工程地质勘探分析

通过物探、地质测量等综合手段的综合性研判，完成对尚未进行开挖区域隧道的监控，数据显示未开挖区域存在进一步滑坡的问题。本次物探使用了高密度测量方式，整体上布置了 5 道剖面，其中 3 道按照与隧道相互垂直的方向进行布设，其他两条则按照与隧道平行方向进行布设，剖面间隔距离为5m。借助于直流电阻率的测算工具，全面分析出工作区域内的岩层风化程度和地质的构造特征，结果说明强风化带、弱风化带的特征与原始设计基本切合。在初期支护变形的路段加强对地质情况的钻探，钻孔一共设计为 8 个，另外还有 5 个钻孔作为补充，结果说明此隧道区域内部未发生大规模的滑坡问题，在没有大型地质灾害的前提下也不会发生较大的变动。

3.2 围岩压力及钢架受力分析

3.2.1 初期支护轴力变化及分布规律

针对断面初期支护情况以及钢架受力情况的监测，对各个断面初期支

护轴力进行计算，监测数据显示，每一个断面呈现初期支护在拱部的位置轴力大，左拱肩力量较大，拱脚位置的轴力则较低，在断面上呈现不对称性的特征。

3.2.2 初期支护应力分布的特征

从初期支护应力情况来看，每个断面初期支护各个部位均呈现受压的状态，对结构受力较为有利，左拱部和拱顶区域的受压大，最大区域的受压值达到了120MPa。从整体上来说，喷射混凝土所遭受的压力值和钢筋的受力情况一样，在位于左边拱部和拱部中间位置的应力值较大，最大的压力值达到了13.20MPa，伴随着掌子面开挖进度的加快，对断面左侧拱部区域的混凝土进行不断的浇筑，有可能会干扰混凝土极限的抗压强度，对混凝土结构的整体安全性具有一定的影响。

3.2.3 初期支护弯矩变化及分布规律

在进行初期支护随开挖变形过程中，弯矩和轴力的变化情况类似，各个断面的弯矩值逐渐区域平稳。隧洞初期支护的拱顶弯矩值设计为100kN·m 左右，实际测量的弯矩值为23kN·m，为设计值的 23% 。

3.2.4 围岩压力测试结果分析

按照围岩压力的实际监测数据，距离掌子面较远的地方断面采集数据较为全面且数据可靠，对于右拱脚处水平压力值达到了 0.2Mpa ，左侧位置的压力大于右侧，拱顶的位置大于两侧。

4 初期支护参数优化及

4.1 已开挖部分

Ⅳ级围岩段初期支护以后形成封闭的状态，通过喷射混凝土进行结构加固。针对前期已完成加固圈来说，整体上不需要拆卸，对于钢架封闭成环，可利用小导管的方式进行喷射混凝土的方式进行填平，并在施工衬砌的地段进行二次优化厚度调整。

4.2 未开挖地段支护措施

超前支护拱部运用了直径为 50mm 的圆管小导管，支护情况与掌子面的面积相互匹配。在拱部 120^∘ 范围内采用了50 小导管，可以按照掌子面的情况进行调整。初期支护背后要预留注浆管，注浆管要及时进行回填注浆。运用三台阶法进行作业，对台阶进行优化，注重项目组织施工，确保支护仰拱形成闭环。要提高最初支护的强度，必要的时候采用喷射混凝土起到加固的作用。

4.3 实施效果

运用钢架套拱封闭成环可以增强支护的强度，预防隧道发生结构变形的问题。在围岩的过程中借助于布设拱部超前小导管的方式，发现围岩的变形情况得到了较好的控制，在初期支护完成以后，隧道结构逐渐趋于平稳的状态，说明了支护强度及变形达到了规范要求。

5 结论

1）通过对隧道浅埋偏压段在项目工程初期产生的变形情况的分析以后，发现初期支护具有“两紧跟”的特征，钢架需要和掌子面贴近、初期支护要跟下台阶进行贴近，起到了良好的预防掌子面发生塌方的问题。在施工支护中可采取“短台阶、短进尺、快封闭”的施工方式，降低初期支护产生的不利影响。

2)对于其他项目工程初期支护的变形情况，可以运用与此项目工程相似的方法进行，综合相关施工方法，进行多方的论证，防止因为疏忽带来安全事故。运用多方的论证对掌子面围岩的方法进行了研究，及时对支护的方法和相关参数进行优化，确保了支护工程质量。

3) 对于浅埋偏压显著且围岩破碎严重的隧道工程，推荐增设绝对位移监测体系。通过量化位移数据精准反映围岩变形动态，为支护参数优化和施工安全参数提供更可靠的监测依据。

参考文献

［1］刘军.浅埋偏压软弱围岩隧道施工技术[J].隧道建设,2012

［2］易勇.浅埋偏压隧道施工技术探讨[J].价值工程,2013

［3］孙兴山,董会飞,苏兴炬,等.漳龙高速公路扩建隧道围岩力学特性三维有限元分析[J].隧道建设,2016