公路隧道围岩大变形控制措施及其应用研究
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图 ３ 钢拱架屈曲变形
３．１．２ 提升初期支护强度［６］ 许多案例表明，初期支护刚度不足将会导致初
支开裂、钢拱架变形屈曲、初支大变形等问题，这 是由于隧道开挖支护后混凝土早期强度较低，此时 钢拱架作为主要受力构件进行支撑，若钢拱架刚度 不足则可能会引起支护结构破坏等问题，无法控制 围岩变形。此外，提供混凝土标号以及适当增加初 期支护结构厚度也是一种常见的围岩变形控制措 施。 ３．１．３ 径向注浆加固围岩
曹 波，等：公路隧道围岩大变形控制措施及其应用研究
１８５
图 ６ 工况 １围岩竖向变形 （单位：ｍ）
图 ５ 数值模型示意图 （单位：ｍ）
３２２ 模拟方法及模型参数
由于该隧道仅对初期支护变形进行监控量测，
３２１ 模型建立 模型左右边界尺寸取大于 ３～５倍洞径，下边
界取 ４倍洞高，上边界取 ３倍洞高，模型尺寸为长 ×宽 ＝８０ｍ×８３ｍ。具体模型尺寸为长 ×宽 ＝１００ ｍ×６９ｍ。模型左、右边界进行水平方向约束，底 部边界进行竖向约束，上表面自由。具体模型几何 示意图与局部网格划分如图 ５所示。
３期
隧道右线 ＹＫ６４＋０３０～ＹＫ６４＋１７０段为Ⅴ级围 岩，埋深约为 ３０～８５ｍ。该段采用三台阶法施工， 上台阶高 ３ｍ，台阶长 ４～６ｍ，中台阶高 ３２ｍ， 台阶长 ８～１０ｍ。支护设计为 ２５ｃｍ厚 Ｃ２５喷射混
图 １ 掌子面炭质板岩情况
凝土、Ｉ１８钢拱架间距 ６０ｃｍ、３ｍ长 ４２×４ｍｍ 注浆小导管，二次衬砌采用 ５０ｃｍ厚 Ｃ３０防水钢筋ห้องสมุดไป่ตู้混凝土，预留 ２０ｃｍ变形量，衬砌断面图见图 ２。
工况
支护参数
初支 ２５ｃｍ厚 Ｃ２５混凝土，Ｉ１８钢拱架，３ｍ长 工况 １（原设计）
锚杆，间距 １００ｃｍ×６０ｃｍ
初支 ２９ｃｍ厚 Ｃ３０混凝土，Ｉ２２ｂ钢拱架，６ｍ长 工况 ２（加强型）
锚杆，间距 １００ｃｍ×６０ｃｍ
注：２个工况均选取 ＹＫ６４＋１４０断面进行模拟，该断面埋深 为 ８２ｍ，拱部沉降值为 １１３ｍｍ，收敛为 ４１５ｍｍ。
本文以云南省某高速公路隧道为依托，采用数 值分析以及现场试验的手段研究了隧道围岩大变形 控制措施，研究可为类似工程提供参考。
１ 工 程 概 况
云南省某高速公路隧道是一座分离式隧道，采 用单洞双线设计，隧道右线起讫里程为 ＹＫ６３＋９８０ ～ＹＫ６５＋２１０，隧 道 Ⅳ 围 岩 段 ４００ｍ，Ⅴ 围 岩 段 ８３０ｍ，全长 １２３０ｍ，最大埋深约 ３４７ｍ。隧道通 过三叠系下统板岩 （图 １），岩性为中风化、强风 化板岩，岩体呈松散状或角砾状镶嵌结构，节理裂 隙发育，围岩稳定性较差，施工中拱部无支护或处 理不及时会出现大规模坍塌。地下水以松散裂隙水 和基岩裂隙水为主，为弱富水区，在雨季施工时易 发生突水现象。
隧道在开挖后，在地应力作用下周边围岩内部 出现细小微裂纹，再加上地下水的作用，导致围岩 整体承载能力较差，在施工过程中进行径向注浆并 保证注浆效果也是一种常见的控制围岩变形的方 法。 ３．１．４ 拱脚变形控制［７－８］
软弱围岩隧道施工过程中，拱脚下沉对围岩稳 定性影响是无法忽视的，施工过程中应加强锁脚锚 杆设计及拱脚围岩补强注浆的施工工艺，同时保证 施工质量，达到控制拱脚下沉的目的，提升初期支 护的整体效果以控制围岩变形。 ３２ 数值模拟
摘 要：针对云南省某高速公路隧道大变形特点，利用数值分析以及现场试验的手段研
究了公路隧道围岩大变形控制措施。数值分析结果表明，在长锚杆与高强度初期支护共同作
用下，隧道拱顶沉降、周边收敛以及围岩等效塑性变形量均有一定减小；现场试验段监测数
据表明，在采用了高强度初支、长锚杆、径向注浆加固围岩、加强锁脚锚杆几种措施后，围
基于该 公 路 隧 道 变 形 的 特 点，使 用 ＡＢＡＱＵＳ 有限元软件对原设计及加强型支护 ２种工况 （表 １） 进行隧道三台阶开挖模拟，以探究锚杆长度及 初期支护强度对围岩变形控制效果的影响。
表 １ 模型工况分析表
图 ４ 初支变形侵限
该隧道因围岩变形大且变形速率较快，现场已 出现了初支掉块、变形侵限等现象，严重影响了施 工安全和进度，因此，研究隧道围岩大变形控制措 施尤为必要。
图 ２ 复合式衬砌断面设计图 （单位：ｃｍ）
收稿日期：２０１８?１１?１５ 作者简介：曹 波（１９８５—），女，工程师，主要从事路桥建设。
１８４
湖南交通科技
４５卷
２ 围 岩 大 变 形
隧道右线 ＹＫ６４＋０３０～ＹＫ６４＋１７０段在建设过 程中发生了围岩大变形现象，初期支护封闭成环后 变形仍持续增长，局部出现钢拱架屈曲变形 （图 ３）、围岩侵限 （图 ４） 问题。该段围岩变形整体呈 现出变形量大、变形速率高以及变形持续时间长的 特点，该段二衬支护前拱部下沉量最大达到 ２５４１ ｍｍ，水平收敛最大达 １１０９ｃｍ。
岩变形控制效果良好，现场未出现异常现象，控制措施有效。
关键词：公路隧道；围岩大变形；控制措施；监控量测
中图分类号：Ｕ４５５
文献标志码：Ａ
随着我国山区高速公路的快速发展，目前已成 功设计和施工了大量的山区高速公路隧道。当隧道 处于复杂的软弱地层等不良地质条件情况时，现场 施工过程中往往会出现围岩大变形现象，大变形同 时会引发钢拱架屈曲变形、初支变形侵限、隧道局 部塌方等问题，给隧道施工带来了极大的挑战［１－４］。
３ 围 岩 变 形 控 制 措 施 研 究
３１ 控制措施探讨 ３．１．１ 长锚杆支护［５］
隧道开挖后，周边围岩发生塑性变形，此时若 打设锚杆长度较短，将可能造成锚杆无法穿过围岩 塑性变形区域的情况，从而引起围岩的再次扰动， 加剧围岩破碎，导致围岩变形增大。因此，长锚杆 支护是一种非常重要的围岩变形控制措施。
第 ４５卷 第 ３期 ２０１９年 ９月
湖南交通科技
ＨＵＮＡＮＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
文章编号：１００８?８４４Ｘ（２０１９）０３?０１８３?０４
Ｖｏｌ．４５ Ｎｏ．３ Ｓｅｐ．，２０１９
公路隧道围岩大变形控制措施及其应用研究
曹 波，骆 伟，练 民
（湖南尚上公路桥梁建设有限公司，湖南 长沙 ４１００００）
３．１．２ 提升初期支护强度［６］ 许多案例表明，初期支护刚度不足将会导致初
支开裂、钢拱架变形屈曲、初支大变形等问题，这 是由于隧道开挖支护后混凝土早期强度较低，此时 钢拱架作为主要受力构件进行支撑，若钢拱架刚度 不足则可能会引起支护结构破坏等问题，无法控制 围岩变形。此外，提供混凝土标号以及适当增加初 期支护结构厚度也是一种常见的围岩变形控制措 施。 ３．１．３ 径向注浆加固围岩
曹 波，等：公路隧道围岩大变形控制措施及其应用研究
１８５
图 ６ 工况 １围岩竖向变形 （单位：ｍ）
图 ５ 数值模型示意图 （单位：ｍ）
３２２ 模拟方法及模型参数
由于该隧道仅对初期支护变形进行监控量测，
３２１ 模型建立 模型左右边界尺寸取大于 ３～５倍洞径，下边
界取 ４倍洞高，上边界取 ３倍洞高，模型尺寸为长 ×宽 ＝８０ｍ×８３ｍ。具体模型尺寸为长 ×宽 ＝１００ ｍ×６９ｍ。模型左、右边界进行水平方向约束，底 部边界进行竖向约束，上表面自由。具体模型几何 示意图与局部网格划分如图 ５所示。
３期
隧道右线 ＹＫ６４＋０３０～ＹＫ６４＋１７０段为Ⅴ级围 岩，埋深约为 ３０～８５ｍ。该段采用三台阶法施工， 上台阶高 ３ｍ，台阶长 ４～６ｍ，中台阶高 ３２ｍ， 台阶长 ８～１０ｍ。支护设计为 ２５ｃｍ厚 Ｃ２５喷射混
图 １ 掌子面炭质板岩情况
凝土、Ｉ１８钢拱架间距 ６０ｃｍ、３ｍ长 ４２×４ｍｍ 注浆小导管，二次衬砌采用 ５０ｃｍ厚 Ｃ３０防水钢筋ห้องสมุดไป่ตู้混凝土，预留 ２０ｃｍ变形量，衬砌断面图见图 ２。
工况
支护参数
初支 ２５ｃｍ厚 Ｃ２５混凝土，Ｉ１８钢拱架，３ｍ长 工况 １（原设计）
锚杆，间距 １００ｃｍ×６０ｃｍ
初支 ２９ｃｍ厚 Ｃ３０混凝土，Ｉ２２ｂ钢拱架，６ｍ长 工况 ２（加强型）
锚杆，间距 １００ｃｍ×６０ｃｍ
注：２个工况均选取 ＹＫ６４＋１４０断面进行模拟，该断面埋深 为 ８２ｍ，拱部沉降值为 １１３ｍｍ，收敛为 ４１５ｍｍ。
本文以云南省某高速公路隧道为依托，采用数 值分析以及现场试验的手段研究了隧道围岩大变形 控制措施，研究可为类似工程提供参考。
１ 工 程 概 况
云南省某高速公路隧道是一座分离式隧道，采 用单洞双线设计，隧道右线起讫里程为 ＹＫ６３＋９８０ ～ＹＫ６５＋２１０，隧 道 Ⅳ 围 岩 段 ４００ｍ，Ⅴ 围 岩 段 ８３０ｍ，全长 １２３０ｍ，最大埋深约 ３４７ｍ。隧道通 过三叠系下统板岩 （图 １），岩性为中风化、强风 化板岩，岩体呈松散状或角砾状镶嵌结构，节理裂 隙发育，围岩稳定性较差，施工中拱部无支护或处 理不及时会出现大规模坍塌。地下水以松散裂隙水 和基岩裂隙水为主，为弱富水区，在雨季施工时易 发生突水现象。
隧道在开挖后，在地应力作用下周边围岩内部 出现细小微裂纹，再加上地下水的作用，导致围岩 整体承载能力较差，在施工过程中进行径向注浆并 保证注浆效果也是一种常见的控制围岩变形的方 法。 ３．１．４ 拱脚变形控制［７－８］
软弱围岩隧道施工过程中，拱脚下沉对围岩稳 定性影响是无法忽视的，施工过程中应加强锁脚锚 杆设计及拱脚围岩补强注浆的施工工艺，同时保证 施工质量，达到控制拱脚下沉的目的，提升初期支 护的整体效果以控制围岩变形。 ３２ 数值模拟
摘 要：针对云南省某高速公路隧道大变形特点，利用数值分析以及现场试验的手段研
究了公路隧道围岩大变形控制措施。数值分析结果表明，在长锚杆与高强度初期支护共同作
用下，隧道拱顶沉降、周边收敛以及围岩等效塑性变形量均有一定减小；现场试验段监测数
据表明，在采用了高强度初支、长锚杆、径向注浆加固围岩、加强锁脚锚杆几种措施后，围
基于该 公 路 隧 道 变 形 的 特 点，使 用 ＡＢＡＱＵＳ 有限元软件对原设计及加强型支护 ２种工况 （表 １） 进行隧道三台阶开挖模拟，以探究锚杆长度及 初期支护强度对围岩变形控制效果的影响。
表 １ 模型工况分析表
图 ４ 初支变形侵限
该隧道因围岩变形大且变形速率较快，现场已 出现了初支掉块、变形侵限等现象，严重影响了施 工安全和进度，因此，研究隧道围岩大变形控制措 施尤为必要。
图 ２ 复合式衬砌断面设计图 （单位：ｃｍ）
收稿日期：２０１８?１１?１５ 作者简介：曹 波（１９８５—），女，工程师，主要从事路桥建设。
１８４
湖南交通科技
４５卷
２ 围 岩 大 变 形
隧道右线 ＹＫ６４＋０３０～ＹＫ６４＋１７０段在建设过 程中发生了围岩大变形现象，初期支护封闭成环后 变形仍持续增长，局部出现钢拱架屈曲变形 （图 ３）、围岩侵限 （图 ４） 问题。该段围岩变形整体呈 现出变形量大、变形速率高以及变形持续时间长的 特点，该段二衬支护前拱部下沉量最大达到 ２５４１ ｍｍ，水平收敛最大达 １１０９ｃｍ。
岩变形控制效果良好，现场未出现异常现象，控制措施有效。
关键词：公路隧道；围岩大变形；控制措施；监控量测
中图分类号：Ｕ４５５
文献标志码：Ａ
随着我国山区高速公路的快速发展，目前已成 功设计和施工了大量的山区高速公路隧道。当隧道 处于复杂的软弱地层等不良地质条件情况时，现场 施工过程中往往会出现围岩大变形现象，大变形同 时会引发钢拱架屈曲变形、初支变形侵限、隧道局 部塌方等问题，给隧道施工带来了极大的挑战［１－４］。
３ 围 岩 变 形 控 制 措 施 研 究
３１ 控制措施探讨 ３．１．１ 长锚杆支护［５］
隧道开挖后，周边围岩发生塑性变形，此时若 打设锚杆长度较短，将可能造成锚杆无法穿过围岩 塑性变形区域的情况，从而引起围岩的再次扰动， 加剧围岩破碎，导致围岩变形增大。因此，长锚杆 支护是一种非常重要的围岩变形控制措施。
第 ４５卷 第 ３期 ２０１９年 ９月
湖南交通科技
ＨＵＮＡＮＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
文章编号：１００８?８４４Ｘ（２０１９）０３?０１８３?０４
Ｖｏｌ．４５ Ｎｏ．３ Ｓｅｐ．，２０１９
公路隧道围岩大变形控制措施及其应用研究
曹 波，骆 伟，练 民
（湖南尚上公路桥梁建设有限公司，湖南 长沙 ４１００００）