非饱和性黏土隧道变形原因分析与二次换拱技术研究

蒋宏兴

（中铁隧道集团杭州分公司，浙江 杭州 310030）

引言

在建湖南炎汝高速公路寒岭界隧道出现了严重的围岩大变形，多处隧道初期支护侵入净空，边墙出现纵向开裂现象，威胁了施工人员的安全和工程进度。因此，有必要分析围岩大变形原因，研究控制大变形的措施，总结大变形规律，保证隧道施工安全。本文在通过对隧道各种变形现象的分析，查阅相关文献资料[1][2]，结合现场的监控量测资料对围岩大变形的变形原因进行梳理，借鉴数值模拟仿真技术，全面分析初支结构的受力性能。采取加固措施，稳固支护结构，对侵入净空地段进行二次换拱处理。通过监控量测数据结论，满足结构沉降要求后组织二衬结构施工，达到隧道整体结构的技术指标和要求。

1 隧道初支结构大变形特征

寒岭界隧道全长2820米，围岩状况复杂多变，以炎陵端570米范围内不良地质较频繁，多处出现变形现象。监控量测断面布置如下图。

变形现象一：

洞身初支结构全断面侵入净空，最大沉降76cm，侵入净空51cm，变形段长度60米，环向开裂迹象。断面测量净空表见下表（以最大变形段三个断面数据分析）

断面净空测量表

地质描述：

隧道洞壁左半幅为碎石类堆积土夹漂石，施工过程中进行了注浆加固。洞顶和右半幅洞壁均为砖红色非饱和粉质粘土，含水量偏大。

变形现象二：

洞身初支结构局部侵入净空，最大沉降36cm，侵入二衬结构。变形段长度37米，纵向或环向开裂迹象。断面测量净空表见下表（以最大变形段三个断面数据分析）

断面净空测量表

地质描述：

隧道均为砖红色非饱和粉质粘土，含水量偏大。

变形现象三：

观测线c-c'位置出现严重的纵向开裂，初支掉块现象，无渗水现象。局部断面有突变，最大收敛位移7cm，影响长度25米

地质描述：

隧道均为砖红色非饱和粉质粘土，含水量偏大。

2 变形原因分析

2.1 结构变形机理

软弱围岩的岩性和地质构造是影响隧道开挖安全的重要参数指标。一般在施工图设计已经根据地质勘查揭示的资料采取了超前预加固处理。但是在实际施工过程中还是存在不安全的偶然事件发生，地质勘查不可能全面准确的描述地下工程的地质构造状况、构造形成机理及影响带的情况。多数情况下因施工造成围岩体的应力变化，构造中的次生结构和水灾害的综合影响，局部产生了突变，从而造成不良地质地段的整体性变形，产生了施工安全隐患。

软弱围岩的变形机理的本质差别很大程度上决定变形规模。大变形的特征一定是失稳破坏，造成严重的后果。通常根据变形形成机制认为：一是开挖形成的应力重分布超过围岩强度而发生塑性变化，在介质变形缓慢时属挤出状态；二是岩体中的某些矿物和水反应发生膨胀导致变形发生。而在软弱围岩地层中，围岩应力重分布后会产生较大的塑性区和松动区，从而引起围岩随时间而增长的大变形。当隧道的纵轴线与主应力平行或小角度相交时对围岩的稳定最不利。

2.2 变形原因分析

根据变形现象一净空断面测量结果显示，结构的初支全断面产生沉降和收敛。根据施工过程监控量测统计，该段隧道在施工后一个月内的最大变形量为5mm/d，施工后17天内平均沉降量为0.2mm/d，监控单位认为基本处于稳定，二衬施工时间距离开挖支护的时间为7个月，施工时进行净空断面测量发现结构全面侵入净空，环向出现开裂现象。

根据变形现象三现场的结构变形情况，初支结构在c-c'测线位置发生内突变，喷射砼剥落、掉块，产生纵向开裂现象。其原因是仰拱施工后，初支结构在拱架连接板薄弱位置收敛突变，最大突变70mm。

根据变性特征判断，三种变形情况符合塑性变形特征。通过监控量测和变形数值模拟分析[4]，其主要原因如下：

1.断面开挖后初期属于应力重分布超过了围岩强度而发生的塑性变形。尤其长时间未跟进二次衬砌形成受力拱圈，围岩容易发生严重的流塑性变形导致围岩体破坏。

2.后期结构由于非饱和性粘土在地下水的作用下产生膨胀导致缓慢变形。

3.非饱和性粘土易发生塑性变形，变形长时间内难以被有效控制。因此，围岩强度对隧道变形的影响是物质因素的一种。

4.初支结构对隧道变形的影响。通过锚杆的检测及地质雷达探测分析，非饱和性粘土的围岩松动圈最大值范围较大，而Ⅴ级围岩的锚杆长度、中空锚杆的注浆效果、I18工字钢刚度、拱架连接板质量、锁脚锚杆质量均是造成变形的原因。

3 初支拱圈更换方案

3.1 施工方法和工艺

根据净空测量断面数据，对初期支护结构组织拆除，全断面二次施作初支结构。针对非饱和性黏土围岩体的力学性能，技术方案和施工工艺如下：

第一步：断面环向采用地质雷达进行地质预报，深度35米；配合红外线探测技术，探明拱圈结构外地下水情况。

第二步：采用高压径向注浆，对全断面拱圈外进行注浆加固。

隧道的围岩体为非饱和性黏土，普通注浆效果达不到固结土体的要求，根据土体的试验数据，采用高压注浆法，加固拱圈范围为2.0m。保证变形段初支结构围岩体形成稳定结构体。

第三步：原初支结构临时补强。

纵向在原拱架下安装钢拱架，焊接牢固并喷射砼临包裹，是新旧钢拱架形成共同受力结构，形成临时支撑体系。

第四步：切槽安装二次初支钢拱架。

①、换拱严格按每循环施作一榀，采用切割机切缝，风镐开凿。

②、拆除初支时，使用开挖台车作为操作平台，采用风镐对初支进行凿除，需拆除部位的初支与未拆除部位的初支形成一道环向分割缝后，再采取气割除掉纵向连接钢筋，结合挖掘机进行逐榀拆除。

③、原初期支护钢架每拆除一榀、岩面修整后立即对岩面进行初喷，架设新钢架（拱脚嵌入回填面10cm）、安装锚杆、铺设钢筋网片完成初支结构。待喷射混凝土达到一定强度后方进行下一循环更换施工。如下图所示

二次钢拱架置换完成后拆除对应的临时支撑体系，布设监控量测点，测量频率为1次/3h。满足沉降速率小于0.1mm/d[5]，后组织二次衬砌混凝土施工。

4 技术研究

非饱和性黏土对隧道开挖后的拱圈结构变形是关键的内在因数，对初支结构进行二次置换的诱发安全事故发生的可能性不较高。因此，在该地段进行换拱的首要条件是加固围岩体，普通的注浆工艺很难达到固结效果。根据非饱和性黏土的物理力学性质[6]，对开挖后一段时间的黏土取样进行土工试验发现，其含水率明显增加，注浆工艺的压力抵抗值更高。通过技术分析，采用高压注浆工艺[7]能够很好地解决类似工程问题。

换拱施工方法应从技术经济和安全两方面综合考虑。根据本文中寒岭界隧道初支变形情况，二次置换钢拱架在其台它地段采用超强小管棚加固的方法。对比发现本文所采用的全断面注浆固结施工方案其造价经济较高，固结效果非常明显；其二施工组织快速方便，对其它工作面的施工干扰较小，速度快；安全性较高。

5 结论

软弱围岩隧道的变形由开挖前的变形，开挖瞬时变形，开挖后的变形共同组成。后一阶段的变形可以通过监控量测获得数据，但在非饱和性黏土地段由于其塑性变形引起的围岩体二次应力重分布不够重视，监控量测的频率不足，加之二次衬砌不及时造成侵入净空限界。

软弱围岩地质条件下，隧道开挖后初期支护应力释放时间较长，在很长一段时间内不能达到稳定状态，其变形具有时效性，中后期的变形以蠕动变形为主。施工中应该加强钢拱架的应力应变监测，提高支护结构的刚度，抵抗后期的变形，尤其加强施工前的预加固措施。

[1]景韧，韩有续，王毅东.木寨岭隧道围岩大变形的处治与技术分析[J].公路，2003.12.12.

[2]王梦恕，中国隧道及地下工程修建技术[M].北京:人民交通出版社，2010.

[3]朱建明，徐金海，张宏涛. 围岩大变形机理及控制技术研究.科学出版社，2010.

[4]来弘鹏，林永贵，谢永利.不同应力场下公路隧道的力学特征试验[J].中国公路学报，2008.07.

[5]公路隧道施工技术规范（JTGF60)[M].北京:人民交通出版社，2009.

[6]高凌霞，栾茂田，杨庆，汪东林.非饱和重塑粘土渗透性试验研究.岩土力学，中国建筑工业出版，2008.05.

[7]崔玖江，崔晓青. 隧道与地下工程注浆技术.中国建筑工业出版，2011.01.