党 丁 李 暾

中交第一公路勘察设计研究院有限公司

1 引言

近些年来，我国公路隧道在山岭区域越建越多，通常考虑到道路的线性要求，大部分隧道的隧址区通常无法避免危险区域，例如富水强风化岩区域。隧道穿越富水强风化岩区域时，容易失稳，会出现初期支护变形大，局部变形等问题。根据施工现场监测，洞内外观测分析其原因，一方面时围岩本身物理性质，较为破碎，表现为摩擦角大，粘聚力小，二是围岩遇水软化，容易失稳，自身承载能力降低，及其依赖初期支护与二次衬砌的承载能力[1]。另外施工过程中过多的扰动对于围岩的稳定性容易造成影响，尤其是CRD法开挖，以及过多、过长的系统锚杆打设，增加了机械施工对围岩的扰动时间。通过文献综述总结可知：国内很多松散地层例如砂卵石地层的施工开始注重施工期间的扰动，在必要时，不施作系统锚杆。富水强风化岩区域容易失稳，对于施工的扰动十分敏感，结合以往工程实例分析可知，富水强风化岩区域常见工程灾害，有围岩失稳，衬砌破损、洞口坍塌等。引发这些工程灾害最常见的因素就是水和断裂带，这两者在富水强风化岩区域较为常见，这给隧道施工带来极大的不利。本文依托黄江1号隧道，根据隧道建设经验，对隧道的支护结构提出优化措施，取消系统锚杆，增加锁脚锚杆，并对隧道壁后空洞进行注浆增加围岩的稳定性。由于工程已经结束，通过有限元法进行模拟，所得结论以期为隧道支护修正，经验积累提供参考。

2 工程概况

黄江1号隧道位于位于广东省河源市龙川县黄布镇松阳村附近，左线隧道长550m，右线隧道长560m，为中隧道。分离双洞，测设线间距约21.8m～29.5m。该隧道区属丘陵地貌，区内地表水系稍发育,地表水主要为大气降水形成的地表面流，地表径流条件较好，隧道进、出口位于斜坡上，分布标高较高，均有沟谷通过，汇水面积大，水量多。隧道建设过程中，掌子面时常渗水，围岩收敛速度随着下台阶、仰拱施作会有小幅度的增加。

3 初期支护优化措施

3.1 锚杆优化

锚杆的作用传统的认为是加固压缩围岩、悬吊作用，组合梁作用，但是对于破碎的强风化岩岩体，锚杆不但难以起到作用，过多的扰动还会导致岩体破裂，隧道原设计系统锚杆在两侧边墙打入自进式锚杆，但由于锚杆打入深度不足，效果不佳，取消系统锚杆。锁脚锚杆支撑钢架，不可取消也无法代替，考虑到围岩初期压力较大以及锚杆打入效果较差甚至失效等问题，或是将原设计锁脚锚杆3.6m，单组设置，改为锁脚锚杆1.8m，同一位置设置两组。

3.2 壁后注浆

对于围岩的松散结构，有的地方不连续，壁后空洞形成后会逐渐向上移动，围岩的运动会导致承载能力的下降，甚至是发生小型坍塌，根据围岩监测所表现的初期支护收敛速度曲线来看，在小段时间内速度存在突然增大的现象。除了测量误差之外，更多的是围岩的扰动。因此在支护结构环向每隔1.5m预留一注浆管，在下部台阶施工完后进行上一台阶的注浆工作，确保初期支护背后连续完整。

4 有限元法数值模型

采用有限元软件MIDAS建立隧道通过富水强风化岩地层数值模型。围岩区域尺寸选取长×高为45m×40m，围岩分为3个地层，各层深度依次为杂填土7m、粉质细土10m、强风化岩23m，采用摩尔-库伦本构。隧道净高隧道建筑限界净高4.8m，净宽12.4m。隧道初期支护厚度28cm（C25喷射混凝土）、二次衬砌厚度60cm（C35 钢筋混凝土）均采用板单元模拟，弹性本构。锁脚锚杆采用Φ51 自进式中空注浆锚杆；考虑到注浆锚杆注浆对围岩的加固作用，注浆锚杆加固区域成一个小管棚式的加固区，加固区中包含注浆锚杆，锚杆类采用植入式桁架单元模拟，弹性本构，路基及仰拱厚度2.4m采用摩尔-库伦本构。模型2是初支优化模型，取消系统锚杆，增加锁脚锚杆，建立等效加固区。模型边界条件采用自由约束，即位移边界条件，荷载为自重荷载。模型参数根据现场测试所得数据以及JTG/TD 70—2010《公路隧道设计细则》选取。

图1 有限元模型及参数

5 计算结果分析

隧道开挖方法为三台阶预留核心土法，通过初期支护优化，工程造价减小了。通过有限元结果分析判断是否会对隧道质量造成影响。由于计算后，云图结果过多，不一一进行展示，仅对其结果进行描述。从模型竖向位移结果分析，模型总体沉降最大值处于拱顶的位置处，原设计模型沉降最大值29.2mm,支护优化模型沉降值为21.58mm，仅为原模型沉降值的73.82%；从模型横向位移结果分析，模型横向位移最大值处于拱腰位置，呈收敛趋势，原设计周边收敛最大值约为12.10mm，支护优化模型周边收敛最大值约为8.69mm，仅为原模型周边收敛值的71.82%。从数值模拟的结论来看，对于富水强风化岩，锁脚锚杆以及注浆加固效果优于系统锚杆的加固效果。模型的模拟无法体现施工的扰动，在实际工程中，系统锚杆的打设对于围岩的扰动远远大于锁脚锚杆和注浆区域的施作。因此可以判断对初期支护进行优化后，不仅节省了工程造价，对于工程的稳定有益。

在取消系统锚杆后，观察锁脚锚杆的受力情况可知：原设计模型锁脚锚杆轴力受压为主，上台阶锁脚锚杆轴力相对于中台阶、下台阶的更大。原设计模型锁脚锚杆轴力最大值为2719kN，取消系统锚杆后，初支优化模型锁脚锚杆轴力减少至2367kN，锚杆轴力为原设计的87.1%。原来锚杆一组为2 根，支护优化后，锁脚锚杆为两组，但总长度不变，从数值模拟结果可以推测初支优化后锁脚锚杆的有效锚固长度增加了。另外锚杆打设过程可能存在锚固失效等情况。设置多组锚杆，如果有某根锚杆失效后，另外的锚杆可以承担压力。多组锁脚锚杆的设置方式有利于防止单根锁脚锚杆失效后，锁脚锚杆失去其本身的加固作用。

壁后注浆能够改善围岩状况，减少空洞现象，这一点是有限元软件无法体现的优势，但是壁后注浆对于围岩的加固作用，有限元软件可以体现。在初期支护两侧建立了等效加固区模拟施工过程中的注浆作用。初期支护结构受力最大处为拱腰区域，在对拱腰区域进行加固后，拱腰区域受力仍然最大，表现为受压，这和公路隧道设计的线型相关。原设计模型初支轴力最大值为637kN，在进行初支优化后模型初支轴力最大值为531kN，仅为原设计模型的83.4%。壁后注浆改善了初期支护受力状况，减小了初期支护上承受的内力，有利于围岩的稳定性。该隧道的工况决定了初期支护最大内力位于拱腰及拱脚位置，对于两侧的壁后注浆是极为必要的。

从原模型二次衬砌应力分析结果来看，隧道拱顶部位表现为拉应力，应力最大值为7.88kPa，隧道拱腰位置表现为压应力，应力最大值为111.3kPa；通过初支优化设计后，隧道拱顶部位表现为拉应力，应力最大值为6.91kPa，隧道拱腰位置表现为压应力，应力最大值为111.5kPa；拉应力有所减小，考虑到本依托工程原设计的合理性，初期支护优化后，二衬作为安全储备，安全性能仍然较高。

6 结束语

在对隧道进行施工后，根据监控量测结果所反映出来的问题，对支护结构进行优化设计。通过有限元数值模拟分析可以得知，对支护结构优化后，在富水强风化岩区域修建隧道沉降值减小至原来的73.82%。锁脚锚杆受力减小，可见总有效锚固长度增加了。初期支护所承受轴力仅为原来的的83.4%。初期支护优化方案更有利于隧道稳定，同时造价更少。

对于系统锚杆的取消，减小锁脚锚杆长度，增加锁脚锚杆数量并对围岩背后进行注浆加固通过数值模拟的分析对隧道结构不会造成不良影响。但对于系统锚杆取消这一点建议通过实验等方式，进行验证，在今后的隧道建设中对结果进行验证。