分水岭隧道软弱围岩大变形特征及其控制技术研究

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。

5 结论

（1）分析了分水岭隧道大变形特征为变形时间长，变形速率快，变形量大，且大变形可总结为三个阶段：上台阶支护完成到下台阶开挖之前的变形急剧增加阶段、下台阶支护完成到仰拱闭合的正常增加阶段和仰拱闭合后的缓慢增加阶段。

（2）研究了分水岭隧道围岩变形控制技术：采用三台阶法施工、双层初期支护并扩大预留变形量为450mm。通过现场应用实践，该技术有效地控制了该隧道施工中的大变形问题。