分水岭隧道软弱围岩大变形特征及其控制技术研究

时间：2024-07-28

刘思迪王兆丰

（河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作 454000）

1 引言

目前，国内外对软弱围岩隧道的变形机理及控制技术[1-4]研究尚处于探究摸索阶段，分析软弱围岩大变形特征，探索有效的控制技术对隧道施工具有十分重要的意义。本文依托分水岭隧道工程，以现场监控量测与理论分析为基础，分析分水岭隧道软弱围岩大变形特征，并提出合理的控制技术，为该隧道安全施工提供技术指导。

2 工程概况

分水岭隧道位于湖北省恩施境内，隧址区横跨宣恩县及鹤峰县，该隧道主洞建筑限界净宽10.5m，净高5.0m。隧道左线长4570m，最大埋深约236m，洞轴走线方位角约35°；隧道右线长4561m，最大埋深约230m，洞轴线走线方位角约35°。隧址区北侧约200m 处发育一逆冲断层（F2），长约5.9km，走向NE65°，与线路近似平行，倾向SE155°，倾角约为75°。隧址区揭露岩体主要为泥盆系中上统（D2+3）泥岩、砂岩、泥灰岩，节理裂隙发育，岩体破碎，属于软弱围岩隧道。

分水岭隧道右线出口端在掘进至1413m 时，实际工程地质条件与原勘察报告不符。该隧道出口右线YK77+700-YK77+800 段原设计为中风化砂岩，属于Ⅳ级围岩，现场围岩与设计不符，现场围岩为微风化泥灰岩。分水岭隧道出口右线地址剖面图如图1 所示。该段施工完成后伴有初支开裂、脱落、钢拱架扭曲变形等现象，拱顶下沉及周边收敛变形量均较大，导致隧道发生大变形[5]，初期支护侵入二衬界限。

图1 分水岭隧道出口右线地质剖面图

3 分水岭隧道大变形特征分析

3.1 监控量测结果分析

选取YK77+800 断面，通过监控量测分析拱顶沉降与周边收敛，进而得出分水岭隧道变形特征。由YK77+800 断面的拱顶沉降与周边收敛监测结果可以得出，该断面总共监测40d 拱顶累计沉降量达到310.3mm，且此时拱顶沉降速率为2.1mm/d，周边收敛量达到184.1mm，此时周边收敛速率为1.3mm/d。YK77+800 断面拱顶沉降及周边收敛与时间关系曲线如图2、图3 所示。

图2 YK77+800 断面拱顶沉降与时间曲线

图3 YK77+800 断面周边收敛与时间曲线

3.2 大变形特征分析

通过监控量测数据分析，可总结分水岭隧道大变形有如下特征。

（1）变形时间长，变形速率快，总变形量大

分水岭隧道开挖后，围岩应力重新分布，由于软岩的流变性[6]，隧道变形破坏持续时间较长。YK77+800 断面在监测40d 左右时拱顶沉降速率虽明显减弱但沉降速率依然很大。此时拱顶沉降量达到310.3mm，沉降速率为2.1mm/d，约是公路隧道施工技术细则中规定稳定速率的11 倍；周边收敛量达到184.1mm，最大收敛速率达到1.3mm/d，约是公路隧道施工技术细则中规定的稳定速率的7 倍。

（2）变形具有明显阶段性

从施工工艺分析，分水岭隧道变形可归纳为三个阶段：①上台阶初期支护完成到下台阶开挖之前，整体支护结构强度较弱，拱顶下沉与周边收敛速率较大，此时隧道变形处于迅速增加阶段。②下台阶初期支护完成到仰拱闭合阶段，整体支护结构强度有所加强，围岩变形速率有所下降。由于围岩流变对支护结构形成挤压，结构受力在拱架拱脚处形成应力集中区，整体变形依然在增加，此时隧道变形处于正常增加阶段。③在仰拱闭合以后，初期支护结构封闭成环，整体支护结构强度较强，初期支护承受围岩压力与抵抗围岩形变能力大大增强。由于围岩流变继续变形，此时隧道变形达到缓慢增加阶段。

4 分水岭隧道大变形控制技术

软弱围岩隧道开挖后易发生变形破坏，为抑制这种破坏，应允许适当变形，释放围岩压力，但又要保持围岩变形与围岩压力的平衡，以防止围岩过度松弛，导致变形破坏。因此，既要优化施工方法、合理预留变形量，又要提高支护结构的强度，以保持围岩压力与支护体系的平衡，避免变形破坏的发生。

4.1 优化施工方法

在隧道施工中都会产生一定的变形，大变形只是相对正常变形而言的，软弱围岩隧道的变形与时间、施工工序密切相关。尽早使初支全断面闭合能提高整体支护刚度，有效抵抗围岩压力，极大地减缓围岩变形速率。控制软弱围岩隧道大变形应按照“快挖、快支、快封闭”的原则，即在施工中要缩短开挖周期，减少对围岩的扰动，在开挖后及时封闭岩面，减少围岩暴露时间，保护原岩并及时做初期支护。

施工中应加强对拱顶下沉、周边位移的监测，加大地质超前预报，因地制宜、及时调整。根据分水岭隧道地质条件、围岩岩性及变形特征，优化施工方法应采用三台阶法开挖，并控制台阶长度，使初期支护尽早封闭成环。由实践可知，三台阶开挖施工中上、中、下台阶长度应分别控制在8m、8m、10m，下台阶距离仰拱15m，仰拱距掌子面距离不大于50m。

4.2 加大预留变形量

加大预留变形量不仅能防止隧道大变形后初期支护侵陷，同时能使初期支护产生较大位移，较大程度地释放地应力，减少作用在二次衬砌上的荷载。分水岭隧道右线出口端YK77+700-800 段原设计预留沉降量120mm。根据分水岭隧道YK77+800 断面监控量测数据结果，由拱顶沉降与周边收敛曲线可知，在监测40d 时，拱顶沉降量为310.3mm，周边收敛量为184.1mm。因此，将预留变形量调整为450mm，很大程度减少了初期支护侵陷，有效地释放了围岩压力，减小了后期二次衬砌的承受荷载。但此时由于围岩流变效应，围岩形变还在发生，二次衬砌施工后与初期支护共同承受围岩荷载。

4.3 双层初期支护

分水岭隧道是按照新奥法[7]理论进行施工的，采用“让压为主、先让后抗”的被动支护，允许围岩发生一定量的变形来释放围岩的应变能，充分利用围岩的自承能力。根据分水岭隧道变形影响因素与变形特征，初期支护结构采用双层支护形式。根据“边放边抗”的原则，初期支护充分利用双层钢拱架、注浆小导管、长锚杆，容许围岩适当变形，但同时抑制过度变形，释放地应力。在变形基本趋于稳定后，围岩压力与支护抗力得到平衡，此时做二次衬砌，控制围岩流变产生的变形，使隧道达到稳定，保证隧道安全。其支护结构如图4 所示，支护参数如表1 所示。

图4 分水岭隧道支护结构图

表1 分水岭隧道支护参数表

图5 YK77+740 断面拱顶沉降与时间曲线

图6 YK77+740 断面周边收敛与时间曲线

经现场实践，采用双层初期支护施工时，初期支护结构基本稳定，无混凝土剥落、钢拱架扭曲与侵陷现象发生。选取YK77+740 断面进行分析，围岩变形量明显减弱，拱顶最大下沉量159.7mm，最大变形速率为11.3mm/d，最大周边收敛量93.4mm，最大周边收敛速率6.8mm/d。因此可得出，采用双层初期支护使大变形得到了有效的控制。YK77+740 断面拱顶沉降及周边收敛与时间关系曲线如图5、图6 所示。