隧道软弱围岩变形控制技术研究

李正文

(中铁四局集团第五工程有限公司，江西 九江 332000)

0 引 言

在铁路隧道工程施工时，以隧道施工的质量以及安全角度出发，软弱围岩对其有较大的影响[1]。目前，隧道在软弱围岩情况下施工常伴随有大变形，易坍塌的安全事故发生。而在隧道的设计以及施工中对于软弱围岩产生大变形的机理以及控制措施并不完善，因此，如何解决在软弱围岩的环境下控制隧道的变形问题迫在眉睫。

1 工程概况

该铁路隧道围岩多以强、弱风化千枚岩板岩为主。隧道工程实际的支护结构与原设计具有较大偏弱，原有的初期支护已有较大的变形并有侵限现象出现。总体而岩该隧道两大问题，即围岩具有较大的变形以及结构变形较为严重。以现场测试数据可知，围岩有高达60cm以上的变形量。分析该围岩的变形原因可知其为“挤压型大变形”，对于该种变形的控制思想为：采取扩挖的方式预留与围岩变形量相应的预留变形量以控制隧道的变形。如：采取扩挖的方式预留相应的变形量，即通过扩挖的方式使隧道内部变形量足以提供应力卸荷时所需的变形，隧道在经过扩挖之后其拱顶的沉降量并不会因扩挖而有所加大，即其变形量与扩挖前的变形量一致，且将支护结构控制在安全受力范围内的话，对于围岩的压力即可通过扩挖相应围岩量的方式进行释放，从而起到控制围岩变形的目的。

2 隧道围岩扩大变形控制技术研究

隧道围岩受到支护结构的约束，当围岩变形量不断上升时，由支护结构所提供的抗力表现为逐渐下降的趋势，即围岩的变形与支护的抗力是成反比的。若以传统的强支硬撑的方式采取支护措施，对于围岩的变形控制而言往往无法得到较好的效果[2]。因此，结合该隧道现场条件以及变形量较大的特点，该隧道的变形控制考虑本文采用扩挖围岩的方式。

2.1 FLAC3D计算模拟

本文采用软件FLAC3D模拟四种扩挖量(即0.6m、0.65m、0.70m、0.75m)下隧道围岩变形的变形规律，以研究采取扩挖的方式对围岩的变形控制是否可行。模拟计算时，各个控制点的布置如图1所示，各控制点偏号见表1。

图1 隧道控制点布设示意图

表1 控制点编号名称

在开挖隧道时，若移除部分围岩将会破坏其原有的平衡状态，隧道周围围岩将会因此而释放应力，进而出现土体的应力重分布。在重力作用下对隧道上部围岩进行开挖将会使其因卸荷作用而有位移出现，不利于隧道围岩及其支护结构，若控制不当将会使其在施工或运营时出现安全事故[3,4]。下面本文将针对扩挖时隧道围岩位移情况进行分析研究。由于拱腰和拱脚具有对称性，因此试验过程中它们基本具有同样的位移沉降量。因此，本文仅描绘左边的拱腰以及拱脚的位移变化图，鉴于篇幅有限，本文仅列出部分数据。

2.2 扩挖轮廓线上隧道各部位竖向位移分析

4种扩挖量下，拱顶轮廓上竖直位移变化如图2所示。

图2 四种扩挖量下拱顶轮廓线上竖直位移曲线图

从图2可知，在扩挖围岩时，拱顶，拱腰以及拱脚具有较大的变形，但在其达到最大值后趋于有所降低，并在后续施工逐渐趋于稳定。围岩沉降虽然在后续施工时有所上升，但其仅具有较平缓的上升曲线，在完成扩挖之后，沉降的变形并不能被初期支护完全抑制，其在阻止围岩沉降的角度上仅以柔性支护结构的形式体现。在完成初期支护之后，围岩沉降变形基本不再发生，但随着不断开挖的下台阶，其沉降不断上升，有2～4cm的增加量，并在下台阶完成支护之后逐渐稳定，下台阶相比于围岩扩挖时所产生的沉降，其开挖卸荷作用导致的沉降较小。随着扩挖量的不断增加，围岩的沉降量均有所增加，当从0.6m增加到0.75m的扩挖量时，拱顶有从-67.01cm到-69.40cm的最终沉降量变化，拱腰则表现为从-62.76cm上升到-64.92cm，拱脚表现为从-30.12cm上升到-33.20cm，分析可知，三个部位的沉降变化幅度均在2～3cm。

2.3 初期支护外侧轮廓线上各控制点竖向位移分析

不同扩挖量下初支外侧轮廓线处拱顶竖向位移变化如图3所示。

图3 不同扩挖量下拱顶初期支护轮廓线上竖向位移曲线图

由图3可知，在施加扩挖支护之前，没有沉降值出现在拱腰以及拱顶的初期支护外侧轮廓线上，而拱脚处则有正值的沉降变形，具体为拱脚上鼓[5]。在围岩施加扩挖之后之前拱顶以及拱腰具有较大的沉降，其值约为2.8cm，但在下台阶完成初期支护并开始开挖的前期表现得较为稳定，基本没有再次出现沉降，并且拱顶还有逐渐变小的沉降值出现。在开始开挖下台阶的第2天之后，拱顶以及拱腰具有较大的沉降变形量，具体表现为从2.8cm的沉降量上升为6cm。拱顶和拱腰的沉降在数值方面体现为-7～-6cm，拱顶处有-7.861cm的最大沉降量，拱腰处有-8.033cm的最大沉降量。在四种扩挖量中，拱腰和拱顶处在0.6m扩挖量下具有最大的沉降值，且其沉降随着扩挖量的增加而有所减小。拱脚处的沉降量不同于拱腰和拱顶，其随着不断增加的扩挖量表现出不断上升的沉降量，拱顶以及拱腰主要在开挖下台阶阶段出现沉降，拱脚则是在围岩扩挖阶段均有发生。

2.4 初期支护内侧轮廓线上隧道各部位竖向沉降分析

不同扩挖量下初支内侧轮廓线处拱顶竖向位移变化如图4所示。

图4 不同扩挖量下初期支护内侧轮廓线的竖向位移图

初期支护内侧轮廓线上拱顶以及拱腰的沉降变化与外侧轮廓线的沉降变形一致，可参考上述分析结果。在完成初期支护并开始开挖下台阶时，拱顶以及拱腰具有更大的沉降变化曲率，即在该阶段中，拱顶以及拱腰具有更大的增长速率。初期支护内侧的拱顶以及拱腰具有较小的最终沉降值，在扩挖0.6m时拱顶有-5.130cm的最大位移值，拱腰具有-5.334cm的最大位移值，特别是在开挖下台阶之前，拱顶以及拱腰更小的沉降值，分别为拱顶-0.7911cm，拱腰-0.7764cm。因此，在下台阶开挖之前，必须要采取一定的支护措施，以防止突然增加的变形。

2.5 四种扩挖量下围岩相对于初期支护外侧轮廓线的沉降对比图

本文将对四种扩挖量下隧道围岩各个部位的沉降值与其因扩挖所增加的沉降量的差值进行对比。如拱顶在扩挖量为0.6m时具有-67.01cm的沉降量，将基准定为初支时外侧的轮廓线并进行换算之后拱顶的沉降量即为-7.01cm。初期支护轮廓线下即代表沉降方向向下。所得结果如图5所示。

图5 相对于初期支护外侧轮廓线四种扩挖量下围岩的沉降量示意图

拱顶处在0.6m的扩挖量时具有7.01cm的沉降值，拱顶以及拱腰在0.7以及0.75m的扩挖量时尚未达到扩挖量，可知，适当的扩挖围岩可对较大的沉降位移进行有效的控制。鉴于只对上台阶进行了扩挖而未扩挖下台阶，因此上台阶各部位具有较为理想的沉降控制，下台阶处则具有鼓起现象，因此可知，扩挖围岩可以对其沉降进行有效的控制。

3 结束语

围岩在四种扩挖量下的沉降主要在其扩挖外侧发生，初期支护内侧仅具有较小的沉降变形，并且在四种扩挖量下围岩竖向位移值的差距较小，在0.6m以及0.65m扩挖量的前提下，围岩的扩挖量小于沉降位移，在0.7m以及0.75m扩挖量的前提下，围岩的扩挖量大于沉降位移，若以沉降位移的角度考虑通过扩挖围岩的方式进行隧道变形的控制时，本文建议采取0.65m的扩挖量。