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摘要：在隧道围岩受高应力、大变形地段，采用通常的IV级或者V级支护参数不足以保证隧道施工安全，需要对支护参数进行加强。武都西隧道受高应力，围岩结构差的影响，采用双层拱架进行支护。而双层拱架的支护形式施工工序多，如何解决施工进度与工程质量、施工安全之间的矛盾迫在眉睫。
关键词：双层支护、武都西隧道、围岩大变形
中图分类号：U45文献标识码： A
1、引言
在隧道工程施工中，由于开挖活动造成应力重新调整分布，围岩压应力使支护体系发生变形，一旦支护抗力难以满足围岩压力时，将会出现初期支护变形后侵入设计的二次衬砌净空限界，简称”变形侵限”。隧道变形侵限不仅严重影响施工工期，提高工程费用，增加安全隐患，同时，若处理措施不当则会遗留重大的质量后患。日本的惠那山、意大利的陶恩、中国的家竹箐、二郎山、乌鞘岭等隧道都出现过不同程度的变形侵限问题。因此，如何控制及处理变形侵限是隧道工程施工中应当十分重视的问题。
隧道支护指隧道的开挖过程中对周边环境造成一定的影响，影响范围内的既有建筑物、道路、岩土体及底下水体等。为保证地下结构施工的安全，对隧道围岩进行支挡、加固与保护。根据新奥法原理，软弱围岩隧道支护一般采用复合衬砌。复合衬砌由初期支护、二次衬砌两部分组成。隧道开挖后先实施喷射混凝土、锚杆、钢拱架等与围岩密贴的初期支护，约束围岩变形，并根据变形监控量测结果，适时施作二次衬砌。
2、支护参数
2.1武都西隧道围岩情况
武都西隧道左线中，YK86+780-YK86+320段处于围岩大变形段，围岩主要为炭质千玫岩，黑色，强风化，受构造影响严重，节理裂隙发育，节理面光滑，岩体软弱且破碎，围岩稳定性极差，开挖及支护过程中岩体沿节理面易发生坍塌（见图2-1）。该段围岩设计级别为IV级，根据现场观察及超前地质探测反应该段围岩实际级别与设计相差较大。若使用IV级围岩的支护参数进行支护，将会导致拱架扭曲变形，发生大面积塌方。
图2-1 YK86+740掌子面节理、褶皱素描图
2.2支护形式
在进入大变形的初期，首选采用的是SVb支护形式，支护参数为：超前支护采用Φ42×4mm注浆导管，长度为450cm，环向间距35cm，斜插角10°～15°；初期支护为拱架采用I20a型钢，纵向间距75cm；沿着拱架梅花状布置R27中空注浆锚杆，长3.5米，间距75（纵）×100（横）cm；喷射C25早强砼26cm，预留沉降量为12cm。
根据现场施工情况以及监控量测数据（表1 YK86+710断面拱顶沉降、周边收敛统计表）显示，SVb支护形式不能保证施工安全，并且此段出现拱架变形、扭曲、初支表面砼开裂、掉块（如图2-2）。
表1YK86+710断面拱顶沉降、周边收敛统计表
图2-2 钢拱架拱架扭曲、剪断
SVb的支护参数根据现场施工情况及数据已经表明不足以保证隧道施工安全，故需对支护进行加强最后确定采取双层支护，支护参数为：超前支护采用Φ42×4注浆小导管，长600cm,环向间距45cm，斜插角10°～15°；一层初支：H175型钢（全封闭），间距75cm；梅花状布置R27中空注浆锚杆，长4m,间距75（纵）×100（横）cm；C25喷射砼厚度为24cm。二层初支：I20a型钢（半封闭/全封闭），间距75cm；C25喷射砼厚度26cm，预留变形量为35cm。
施工时发现采取上述双层支护参数进行支护能有效控制隧道沉降收敛（见表2 YK86+680断面拱顶沉降、周边收敛统计表），保证施工质量及安全。
表2YK86+680断面拱顶沉降、周边收敛统计表
2.3武都西隧道双层支护施工难点
2.3.1支护参数选取
（1）隧道围岩预留变形量的选取，从设计角度考虑可用弹性力学计算，锚固体与弹性体受力性质相似，可以将组合拱问题转化为壁厚圆筒来分析（力学模型见图2-3）。
圖2-3 组合拱力学模型
根据弹性力学平面轴对称问题，可求得组合拱极限变形量。
式中 ——组合拱内表面极限变形量
——原岩弹性模量
——开挖半径
——原岩抗压强度
根据《工程岩体分级标准》（GB50218-94）查得炭质千枚岩，，武都西隧道开挖半径a=593cm，解得=23.6cm<35cm，根据表2可知当沉降量约33cm后围岩基本稳定。
（2）锚杆是利用其头部、杆体的特殊构造和尾部托板，或依赖于黏结作用（注浆）将围岩与稳定岩体结合在一起而产生悬吊效果、组合梁效果、补强效果，以达到支护的目的，它能阻止破碎岩块掉落并抑制浅部围岩扩容和离层。
武都西隧道围岩分级是使用岩体构造和岩性特征为代表（泰沙基分级法）以及地质勘察手段相联系的分级法。根据松动圈理论在炭质千玫岩中松动圈为3m<4.5m，由于围岩构造导致炭质千枚岩不能单纯以V级围岩来定义，故此段锚杆长度设计为4.5m。当锚杆安装越及时，它的预紧力越大，支护效果越好。因岩层产生一定变形时锚杆才有载荷，所以它不能控制在这以前拱顶岩层的离层和失稳。若锚杆安装不及时，较大范围内的岩层已产生滑动、失稳、离层，岩层承载能力丧失很大，再打锚杆，不会取得良好的锚固效果。
（3）钢拱架与锚网喷相结合的联合支护方法，按照“刚柔结合”的支护原理，即开挖后架设钢拱架、挂网片、施做锚杆、然后喷砼。拱架的刚性支护与锚网喷的柔性支护相结合控制围岩变形，使围岩变形趋于稳定状态，从而达到永久支护的要求。
由于掌子面围岩大部分为强风化炭质千枚岩，可以根据普氏fk法，计算出武都西隧道围岩压力，再根据经验类比法确定拱架间距、喷砼厚度等，但是从对上台阶拱脚处受的轴向压力盒上的数据与计算出的数据有很大偏差，所以武都西隧道的支护参数是在参考监控量测数据中根据经验类比法确定。如刚拱架间距，二层初支中的钢拱架半封闭或全封闭等。
3、支护参数与施工的差异
（1）虽然根据掌子面节理走向等可以简略判断围岩构造及时的调整支护参数，但由于围岩长期受高应力影响，开挖时的扰动可能会对掌子面围岩结构产生破坏从而引起围岩塌方。
（2）围岩性质差、结构不稳定，在开挖时会造成部分超挖。钢拱架未能紧贴围岩，初期只有锚喷受力，会造成砼开裂。并且因为存在超挖，围岩应力的二次重分布会对初支产生更大的轴向力及剪力，对初支的稳定性产生影响。
（3）由于围岩结构不稳定为保证施工安全先挂网喷砼后施作锚杆，但双层网片挂设后部分会干扰锚杆的布距，使锚杆作用减小。锁脚钢管施作时若被网片阻挡，2根钢管间插入的角度不一致会导致焊接不牢固，锁脚作用减小。
4、结论
（1）在武都西隧道大变形段使用双层支护能确保施工安全，但增加了多道工序使隧道掘进时间增加，并且由于围岩结构的不确定性，在设计中对于局部的处理上欠佳。
（2）武都西隧道炭质千枚岩段围岩节理、褶皱发育，在隧道开挖中需要随时观察掌子面围岩，画出素描图，并根据上一循环的围岩素描图与监控量测数据进行分析，对支护参数进行调整。如对预留沉降量、锚杆的分布等进行调整，这样做可以在确保施工质量、安全的前提下加快施工进度并节约成本的效果。
参考文献
【1】锚杆喷射混凝土支护技术规范 GB50086-2001
【2】吴家龙.《弹性力学》.高等教育出版社，2010
【3】徐志英.《岩石力学》.中国水利水电出版社,1993
关键词：双层支护、武都西隧道、围岩大变形
中图分类号：U45文献标识码： A
1、引言
在隧道工程施工中，由于开挖活动造成应力重新调整分布，围岩压应力使支护体系发生变形，一旦支护抗力难以满足围岩压力时，将会出现初期支护变形后侵入设计的二次衬砌净空限界，简称”变形侵限”。隧道变形侵限不仅严重影响施工工期，提高工程费用，增加安全隐患，同时，若处理措施不当则会遗留重大的质量后患。日本的惠那山、意大利的陶恩、中国的家竹箐、二郎山、乌鞘岭等隧道都出现过不同程度的变形侵限问题。因此，如何控制及处理变形侵限是隧道工程施工中应当十分重视的问题。
隧道支护指隧道的开挖过程中对周边环境造成一定的影响，影响范围内的既有建筑物、道路、岩土体及底下水体等。为保证地下结构施工的安全，对隧道围岩进行支挡、加固与保护。根据新奥法原理，软弱围岩隧道支护一般采用复合衬砌。复合衬砌由初期支护、二次衬砌两部分组成。隧道开挖后先实施喷射混凝土、锚杆、钢拱架等与围岩密贴的初期支护，约束围岩变形，并根据变形监控量测结果，适时施作二次衬砌。
2、支护参数
2.1武都西隧道围岩情况
武都西隧道左线中，YK86+780-YK86+320段处于围岩大变形段，围岩主要为炭质千玫岩，黑色，强风化，受构造影响严重，节理裂隙发育，节理面光滑，岩体软弱且破碎，围岩稳定性极差，开挖及支护过程中岩体沿节理面易发生坍塌（见图2-1）。该段围岩设计级别为IV级，根据现场观察及超前地质探测反应该段围岩实际级别与设计相差较大。若使用IV级围岩的支护参数进行支护，将会导致拱架扭曲变形，发生大面积塌方。
图2-1 YK86+740掌子面节理、褶皱素描图
2.2支护形式
在进入大变形的初期，首选采用的是SVb支护形式，支护参数为：超前支护采用Φ42×4mm注浆导管，长度为450cm，环向间距35cm，斜插角10°～15°；初期支护为拱架采用I20a型钢，纵向间距75cm；沿着拱架梅花状布置R27中空注浆锚杆，长3.5米，间距75（纵）×100（横）cm；喷射C25早强砼26cm，预留沉降量为12cm。
根据现场施工情况以及监控量测数据（表1 YK86+710断面拱顶沉降、周边收敛统计表）显示，SVb支护形式不能保证施工安全，并且此段出现拱架变形、扭曲、初支表面砼开裂、掉块（如图2-2）。
表1YK86+710断面拱顶沉降、周边收敛统计表
图2-2 钢拱架拱架扭曲、剪断
SVb的支护参数根据现场施工情况及数据已经表明不足以保证隧道施工安全，故需对支护进行加强最后确定采取双层支护，支护参数为：超前支护采用Φ42×4注浆小导管，长600cm,环向间距45cm，斜插角10°～15°；一层初支：H175型钢（全封闭），间距75cm；梅花状布置R27中空注浆锚杆，长4m,间距75（纵）×100（横）cm；C25喷射砼厚度为24cm。二层初支：I20a型钢（半封闭/全封闭），间距75cm；C25喷射砼厚度26cm，预留变形量为35cm。
施工时发现采取上述双层支护参数进行支护能有效控制隧道沉降收敛（见表2 YK86+680断面拱顶沉降、周边收敛统计表），保证施工质量及安全。
表2YK86+680断面拱顶沉降、周边收敛统计表
2.3武都西隧道双层支护施工难点
2.3.1支护参数选取
（1）隧道围岩预留变形量的选取，从设计角度考虑可用弹性力学计算，锚固体与弹性体受力性质相似，可以将组合拱问题转化为壁厚圆筒来分析（力学模型见图2-3）。
圖2-3 组合拱力学模型
根据弹性力学平面轴对称问题，可求得组合拱极限变形量。
式中 ——组合拱内表面极限变形量
——原岩弹性模量
——开挖半径
——原岩抗压强度
根据《工程岩体分级标准》（GB50218-94）查得炭质千枚岩，，武都西隧道开挖半径a=593cm，解得=23.6cm<35cm，根据表2可知当沉降量约33cm后围岩基本稳定。
（2）锚杆是利用其头部、杆体的特殊构造和尾部托板，或依赖于黏结作用（注浆）将围岩与稳定岩体结合在一起而产生悬吊效果、组合梁效果、补强效果，以达到支护的目的，它能阻止破碎岩块掉落并抑制浅部围岩扩容和离层。
武都西隧道围岩分级是使用岩体构造和岩性特征为代表（泰沙基分级法）以及地质勘察手段相联系的分级法。根据松动圈理论在炭质千玫岩中松动圈为3m<4.5m，由于围岩构造导致炭质千枚岩不能单纯以V级围岩来定义，故此段锚杆长度设计为4.5m。当锚杆安装越及时，它的预紧力越大，支护效果越好。因岩层产生一定变形时锚杆才有载荷，所以它不能控制在这以前拱顶岩层的离层和失稳。若锚杆安装不及时，较大范围内的岩层已产生滑动、失稳、离层，岩层承载能力丧失很大，再打锚杆，不会取得良好的锚固效果。
（3）钢拱架与锚网喷相结合的联合支护方法，按照“刚柔结合”的支护原理，即开挖后架设钢拱架、挂网片、施做锚杆、然后喷砼。拱架的刚性支护与锚网喷的柔性支护相结合控制围岩变形，使围岩变形趋于稳定状态，从而达到永久支护的要求。
由于掌子面围岩大部分为强风化炭质千枚岩，可以根据普氏fk法，计算出武都西隧道围岩压力，再根据经验类比法确定拱架间距、喷砼厚度等，但是从对上台阶拱脚处受的轴向压力盒上的数据与计算出的数据有很大偏差，所以武都西隧道的支护参数是在参考监控量测数据中根据经验类比法确定。如刚拱架间距，二层初支中的钢拱架半封闭或全封闭等。
3、支护参数与施工的差异
（1）虽然根据掌子面节理走向等可以简略判断围岩构造及时的调整支护参数，但由于围岩长期受高应力影响，开挖时的扰动可能会对掌子面围岩结构产生破坏从而引起围岩塌方。
（2）围岩性质差、结构不稳定，在开挖时会造成部分超挖。钢拱架未能紧贴围岩，初期只有锚喷受力，会造成砼开裂。并且因为存在超挖，围岩应力的二次重分布会对初支产生更大的轴向力及剪力，对初支的稳定性产生影响。
（3）由于围岩结构不稳定为保证施工安全先挂网喷砼后施作锚杆，但双层网片挂设后部分会干扰锚杆的布距，使锚杆作用减小。锁脚钢管施作时若被网片阻挡，2根钢管间插入的角度不一致会导致焊接不牢固，锁脚作用减小。
4、结论
（1）在武都西隧道大变形段使用双层支护能确保施工安全，但增加了多道工序使隧道掘进时间增加，并且由于围岩结构的不确定性，在设计中对于局部的处理上欠佳。
（2）武都西隧道炭质千枚岩段围岩节理、褶皱发育，在隧道开挖中需要随时观察掌子面围岩，画出素描图，并根据上一循环的围岩素描图与监控量测数据进行分析，对支护参数进行调整。如对预留沉降量、锚杆的分布等进行调整，这样做可以在确保施工质量、安全的前提下加快施工进度并节约成本的效果。
参考文献
【1】锚杆喷射混凝土支护技术规范 GB50086-2001
【2】吴家龙.《弹性力学》.高等教育出版社，2010
【3】徐志英.《岩石力学》.中国水利水电出版社,1993