顺层隧道开挖稳定性及现场监测措施

摘要：顺层隧道由于其特殊的地质构造与一般隧道开挖呈现出不同的围岩力学特征及破坏模式，需要重点加以关注。以软岩夹硬岩顺层隧道为研究对象，通过数值模拟分析开挖稳定性，并经过现场监测数据分析，对此类顺层隧道提出一定的防护措施建议。研究表明：隧道开挖后洞室周围压应力数值较小，拱顶两侧部分区域压应力较大，隧道周围的最大主应力出现在顺层理面；在隧道掌子面前方约1倍洞径范围内，产生了先行位移。在施工过程中，要加强掌子面前方1倍洞径左右范围内加强监控量测，确保施工安全。

关键词：顺层隧道；开挖；稳定性；现场监测；支护措施

隧道围岩变形破坏具有极强的复杂性。层状岩体区别于一般围岩的变形特征及层状围岩的复杂性，为此对层状隧道围岩破坏模式的研究则具有十分重要的意义和应用价值[3-5]。陈红军等[6]基于鸭江隧道出口段的围岩参数，利用UDEC软件对不同岩层倾角条件下的浅埋层状岩体偏压隧道破坏过程进行了模拟。马栋等[7]为有效控制高地应力软岩隧道大变形问题，阐述大变形隧道变形特征和关键控制技术，结合监测数据验证了相关技术的有效性。张立鑫等[8]以渭源至武都高速公路木寨岭隧道工程为依托，对炭质千枚岩和砂质板岩互层围岩隧道开展了现场调研和现场监测，分析了隧道变形特征及影响因素。综上所述，目前对于顺层隧道的破坏模式及施工技术已有相关研究结果，但由于顺层隧道的复杂性，导致不同类型顺层隧道研究仍然缺乏。因此，本文以软岩夹硬岩顺层隧道为研究对象，开展开挖稳定性分析，据此提出相关支护措施建议。

1工程概况

1.1地质构造及地下水

竹子箐隧道前接小河边大桥，后接陈家村大桥，全长3090m，最大埋深约311m。线路走向SW25°，岩层走向N24°~65°E/50°~75°NW，横断面视倾角49°~70°，岩层走向与线路夹角为1°~40°，岩层倾向线路右侧，隧道左侧存在顺层偏压。构造体系上，区域以北东向构造为主，呈北东、南西向展布，岩层倾角陡，线型构造明显，其中规模最大的是迤车向斜。竹子箐隧道位于迤车向斜东翼，属单斜构造。

1.2地下水

隧道洞身段岩性主要为砂岩夹泥岩，泥岩为相对隔水层，水量欠丰，砂岩节理裂隙较发育，局部岩体较破碎，透水性较好，含一定量裂隙水。在三叠系永宁镇组下段为灰岩夹砂岩、砂岩夹泥岩，隧道洞身以上主要为灰岩夹砂岩，多为可溶岩。1.3隧道围岩特征隧道围岩整体为中风化，中厚-巨厚层。其中飞仙关组为软、硬互层组合结构；永陵镇组和关岭组地层为硬岩互层组合；须家河组砂岩层呈薄-中厚层，泥岩呈中厚-厚层，为典型的软岩夹硬岩组合结构。隧道围岩岩层产状为N25°~59°E/37°~65°NW，与线路夹角处于0°~24°之间，如图1所示。

2软夹硬组合隧道开挖稳定性分析

2.1模型建立

隧道断面宽约15m，高约13.3m，最终模型宽120m、高110m。模型岩层情况为软夹硬组合岩层，厚度分别为0.4m和0.1m，岩层倾角为39.57°。根据隧道深孔地应力测试报告相关测试成果，推算出埋深为200m处竹子箐隧道的3个主应力分别为：σ1=4.00MPa，σ3=2.01MPa，围岩力学参数取值如表1所示。

2.2开挖地应力场及变形特征分析

隧道开挖后应力场分布云图如图2所示。由σ1分布图可以看出，隧道开挖后洞室周围压应力数值较小，拱顶两侧部分区域压应力较大，最大达到3MPa。隧道周围的最大主应力出现在顺层理面，数值为3MPa。隧道开挖没有导致洞室周围出现拉应力，隧道拱顶与左右下拱腰以及拱底处，最大主应力接近0MPa。在顺层理面和顺共轭节理面方向3倍洞径处，隧道周边最小主应力逐渐增加至1.0MPa左右。除此两方向，在隧道洞室侧附近，最小主应力整体增加到1.5MPa左右。

2.3变形特征分析

隧道开挖围岩变形云图如图3所示。由隧道变形云图3可以看出，围岩发生最大变形的地方为左拱腰处，为84mm。隧道仰拱及以下的围岩变形较小，所以在隧道支护的时候应重点关注左右拱腰处围岩的变形。

3现场监测研究

3.1监测布点

根据现场实际情况，选择4个里程简述为A、B、C、D断面进行监测，分别监测了拱顶下沉、水平收敛，监测点布置如图4所示。拱顶下沉和水平收敛使用全站仪测试。

3.2监测数据分析

掌子面先行位移变化规律如图5所示，其中L指监测断面距离掌子面的距离，D为隧道洞径。由图5可知，在隧道掌子面前方约1倍洞径范围内，产生了先行位移。与此同时可以看出，数值计算结果与现场监测结果基本吻合。图6为隧道贯通后，4个主监测断面的最终径向位移分布图。由图6可知，隧道开挖完成后，隧道各监测断面上，周边位移的径向影响范围在3倍洞径以内。

4顺层偏压隧道防治措施及建议

降低偏压作用造成的危害，从支护角度目前主要采取的措施为：不对称截面和不对称配筋。归纳总结类似工程相关研究成果和隧道工程相关著作，目前类似偏压工程常用支护措施如下：

4.1采用混凝土结构支护

混凝土结构是隧道围岩支护最多、也是最主要的工程措施。初期支护中，喷混凝土具有支护性能优异的特征，能够形成与开挖面密贴的结构层，开挖后能够立即施做，是一种自由度高、机动性强的支护施工工艺。衬砌工程中，混凝土结构也占了多数比例。

4.2采用锚杆支护

在顺层偏压隧道围岩防护中，锚杆也是较常用的支护手段，通常采用在偏压侧加密加长锚杆布设的不对称结构调整围岩的属性特征。类似工程研究成果中，湘桂线七里坪隧道等工程围岩防护中，均采用了不对称锚杆加固技术，加固形式均为在隧道围岩偏压侧加密、加长锚杆的布设。通过类似工程研究成果总结可知，在顺层偏压隧道围岩加固中，锚杆主要应用于岩质相对较硬的岩体中，在软质岩中加固效果相对较差。

4.3采用钢架支护

顺层偏压隧道围岩防护工程中，暂无通过改变钢架截面大小抑制偏压作用的案例，主要为与其他构件联合使用的布设形式。另在武都西深埋软岩大变形偏压公路隧道围岩支护中，采用了3层的支护结构，初支由第1、2层构成。其中第1层为高强度钢架+喷混凝土+锚杆的形式，以阻止围岩过快、过大变形；第２层为低强度钢架+喷混凝土，以利于围岩压力部分释放。通过现场实测与分析，该支护体系对深埋软岩大变形偏压隧道围岩的支护是有效、合理的。

4.4超前注浆

根据类似工程研究案例和相关文献，顺层偏压隧道围岩的支护方案，通常根据围岩特征采用各支护措施的不同组合形式，如初支采用钢架+喷混凝土+不对称锚杆，衬砌采用不对称截面和配筋的钢筋混凝土结构等。具体以该隧道为例，采取洞内长管棚+钢架+不对称锚杆的加固措施，在开挖断面全环架设I18号工字钢架，拱部采用89管棚（长35m）超前支护，在两侧边墙设自进式注浆锚杆。将俯倾向侧边墙部位的锚杆长度调整至8m，将仰倾向侧的锚杆长度调整为4m，即采用不均衡的锚杆体系。全环喷射C20混凝土25cm。

5结语

本文以软岩夹硬岩顺层隧道为研究对象，通过数值模拟分析开挖稳定性，并经过现场监测数据分析，提出防护措施建议。隧道开挖后洞室周围压应力数值较小，拱顶两侧部分区域压应力较大，隧道周围的最大主应力出现在顺层理面。隧道周边最小主应力几乎对称分布，在顺层理面方向3倍洞径处。在隧道掌子面前方约1倍洞径范围内产生了先行位移，监测结果验证了数值模型的正确性。同时，在施工过程中要加强掌子面前方1倍洞径加强监控量测，确保施工安全。

参考文献

[1]姜涵,王思长,张建.基于黄土工程特性的隧道病害成因分析[J].福建建材,2021,246(10):47-50.

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[6]陈红军,刘新荣,杜立兵,等.浅埋层状岩体偏压隧道滑移破坏机理及判定方法[J].地下空间与工程学报,2021,17(6):1733-1741.

[7]马栋,孙毅,王武现,晋刘杰.高地应力软岩隧道大变形控制关键技术[J].隧道建设(中英文),2021,41(10):1634-1643.

[8]张立鑫,陈丽俊,陈建勋,等.单斜构造软硬互层围岩隧道变形特征及控制对策[J].建筑科学与工程学报,2021,38(6):186-196.

作者：张婷 单位：兰州信息科技学院