隧道软岩大变形施工控制措施分析

文/谢磊

1 前言

在隧道工程中，软岩大变形一直是威胁隧道施工安全的主要工程问题之一。通过大量工程实践表明，隧道在穿越高地应力、浅埋偏压以及软弱破碎带时隧道的层级结构容易变形[1]。通过对目前大量实际工程中发生软岩大变形的隧道的地质情况进行分析可以发现，在围岩强度低、易风化、透水率差等地段，由于围岩具有遇水膨胀等特点，非常容易发生隧道的软岩大变形，且对工程的安全和进度造成了非常严重的影响，因此需要加强重视和防治。

目前的研究并没有对隧道产生软岩大变形的深层次原因和机理进行彻底剖析。实际上，隧道软岩大变形的产生是一个十分复杂的过程，其中既包含了工程力学、理论力学、材料力学以及工程地质等多方面的学科和知识，同时还涉及施工工艺和方法等诸多因素，因此对于软岩大变形的施工控制工作需要结合实际的工程情况和变形特点进行相应的控制措施设计和分析。

2 工程概况

王家山隧道是某高速公路中的一座分离式单向两车道隧道。隧道建筑界限尺寸为11×5m，全长1090m，隧道呈272°的轴向直线布置。根据工程地质勘探结果显示，该隧道区域地质情况分布为表层第四系全新统残坡积（Q4el+dl）粉质粘土、角砾土，下伏基岩为强风-中风化志留系新滩组（S1x）页岩。基岩裂隙发育，物探结果显示异常，局部褶皱破碎较明显。

王家山隧道自施工至YK57+815～+845 段由于穿大梁山F1 断裂带，隧道围岩破碎划分为5 级。在隧道掌子面开挖初期支护后，右洞出现了初级支护开裂、掌子面垮塌、钢架变形侵限等地质情况，严重威胁了隧道施工的安全，耽误了工期。

3 变形特点及原因分析

在隧道开挖出现衬砌开裂变形侵限等问题后，通过监控量测对隧道的变形速率和特点进行监控和统计，总结分析得出隧道的变形特点和原因如下。

3.1 变形量及变形速率大

王家山隧道施工至YK57+815～+845 段，右洞出现大范围变形。根据监控两侧显示，这次变形具有变形速率大的特点；根据监控量测的数据统计得出，如图一所示的隧道各端面变形速率和时间关系曲线。如图所示，在短时间内隧道的最大变形位移达到了896.88mm，最大变形速率为150.46mm/d；拱顶下沉累计变形量达到484.3mm，变形速率达到45.58mm/d。由此可见，隧道的水平位移量大于拱顶沉降量时，出现了较为典型的水平方向挤压变形特点[2]。

图1 王家山隧道位移变形时间曲线图

此次变形除了具有变形速率大的特点外，还具有破坏严重的特点。如图2 所示，在掌子面后方约20m范围内的初级支护，均出现了初喷混凝土开裂、拱架变形等情况，如图2 图所示。根据裂缝的发展方向统计可以看出，其主要以斜向的裂缝为主，在拱顶和拱墙部分裂缝较为集中。

图2 隧道初衬变形图

3.2 隧道变形的原因分析

根据隧道现场的变形情况和裂缝发展方向可以判断，造成这次隧道变形的主要原因是水平方向的挤压剪切作用。结合工程地质的纵断面可以看出，在该段隧道存在着水平方向的偏压，进而造成水平方向的应力不平衡而导致的向左变形；另一方面，在隧道施工过程中，由于该段围岩地质条件差，施工单位为了追求进度，没有根据实际工程地质情况调整施工方法，进而造成施工步距较大，而这也是造成隧道发生变形的一个诱因[3]。

4 大变形施工控制

4.1 提高衬砌结构的支护强度

在隧道的支护结构中，初期衬砌结构是控制和防止软岩大变形的主要因素。因此，我们需要提高和加强初期支护结构的强度和整体性。为了提高隧道衬砌结构的整体受力性，将该段原设计的初期支护纵向间距120cm 布置的18 工字钢改成纵向间距50cm 布置的22B 工字钢；除此之外，将系统锚杆改为注浆小导管环向50cm 布置纵向和钢架匹配；将原设计的10cmC25 喷射混凝土改为15cm。另外，根据调整完的初期支护参数，对已发生变形段进行拆除且重新施工。

4.2 提高围岩的整体受力特性

由于该段的围岩比较破碎，开挖后应力会重新分布，进而导致应力出现集中现象。为了提高围岩的整体受力特性，工程采用4m 的φ42 小导管对围岩进行环向注浆，同时结合系统锚杆和超前小导管来提高隧道围岩的整体性，改变隧道围岩软弱破碎带的受力特点。

4.3 控制施工，减少对围岩的扰动

除了环向和超前注浆外，还需要通过对施工工法的控制来减少对围岩的扰动。具体做法是改变三台阶施工工法，采用预留核心土临时仰拱横撑三台阶法施工，如图4 所示；同时结合实际情况对施工参数进行控制，缩短台阶的间距，加快仰拱的施工，使初期支护尽早成环，以此提高整体的受力特性。另外，控制掌子面的爆破参数，坚持以“短进尺、弱爆破，勤支护”的原则控制施工，同时做好隧道施工的监控量测和超前地质预报工作。

图4 隧道软岩大变形段施工方法示意图

4.4 合理控制变形预留量

在王家山隧道该段原设计的预留变形量为12cm，但目前大部分变形段已经不能够满足实际需求。钢架在发生变形后，出现了较为明显的侵限现象。因此，施工人员需要结合实际情况将原设计的12cm 预留变形量调整为15～20cm，具体为在拱顶变形较小段采用15cm 预留变形量，在拱墙和拱脚部分应力较为集中地段采用15cm 的预留变形量。通过预留足够的变形量使得围岩能够充分进行变形，重新达到应力平衡状态，进而减少围岩对二衬的压力。

4.5 适时施作二次衬砌

对隧道变形段处理完后，便需要及时施作二次衬砌结构，以此提高围岩的整体承载能力。另外，在施作二衬前需要对围岩的变形进行持续的监测，只有满足设计和施工规范要求及周边位移速率小于0.1～0.2mm/d或拱顶下沉速率小于0.07～0.15mm/d 时，才能施作二次衬砌结构。

5 结语

根据本文的分析调查发现，造成王家山隧道发生变形的主要原因是该段围岩为软弱破碎，同时还存在偏压等不良地质情况。因此，在施工过程中，通过加强王家山隧道衬砌结构的强度、优化施工方法、增加隧道围岩预留变形量、及时施作二次衬砌结构，能够综合提高围岩的完整性和结构的支撑强度。优化调整后，根据监测量控数据显示，隧道的变形段围岩变形趋于稳定，且取得了良好效果。