浅埋软岩隧道大变形特征及控制措施

李建敦， 肖靖,2*， 江鸿,2， 杨林,2， 陈世豪,2

(1.中交第二航务工程局有限公司， 武汉 430040； 2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室， 武汉 430040)

随着我国经济的快速发展，对基础设施的投入不断增长，公路、铁路等交通工程逐渐向地质条件复杂的山区发展。在受到线路和地形限制的情况下，山岭隧道所占的比例越来越大，施工环境极其复杂。山岭隧道在修建时经常会遇到围岩软弱、强度低等复杂地质条件，导致隧道开挖后极易发生混凝土开裂、钢拱架扭曲、隧道大变形发生侵限等重大工程灾害[1-4]，对设计和施工提出了重大挑战。

目前大量中外学者对软岩隧道大变形进行了研究，并取得宝贵成果。李生杰等[5]依托高速公路安远隧道，通过监测数据和数值模拟结果对软岩大变形的特征和产生原因进行了分析；高发征[6]针对六盘山隧道的大变形情况，提出了型钢和格栅拱架相结合的联合支护技术，充分发挥格栅拱架的柔性作用；李玉平等[7]依托凤合高速公路大草山隧道，提出在软岩大变形段采用预应力钢束(锚杆)将围岩松动圈加固形成承载拱，计算结果表明控制变形效果良好；韩常领等[8]通过统计数据分析了高地应力软岩的大变形机理，并对围岩大变形进行分级的基础上提出分级控制理念；王伟等[9]依托文马文麻高速公路大法郎隧道，对32个监测断面的变形特征进行分析；王升等[10]在超前地质预报的基础上基于属性综合评价模型对围岩级别进行二次评价，利用数值计算软件对深埋软岩隧道的支护参数进行优化。

上述研究成果对软岩隧道大变形的控制和治理提供了有益参考，但是研究较多的是高地应力和深埋隧道，对于处于浅埋洞口段的软岩隧道研究较少。现依托在建隧道工程，通过现场监测数据分析浅埋洞口段隧道的大变形特征，结合数值模拟软件分析大变形发生的原因，在此基础上提出相应的控制措施，保证工程的施工进度和施工安全，为类似软岩隧道的设计和施工提供借鉴和参考。

1 工程概况

董奉山隧道位于福建省福州市，中间布置双洞双向八车道主路隧道，两侧布置双洞双向四车道辅路隧道，辅路隧道全长4 098 m。隧道属于剥蚀残丘地貌，起伏变化大，进口段围岩为Ⅴ级，地面自然坡度6°～10°，主要组成为坡积粉质黏土、全风化花岗岩和砂土状强风化花岗岩，其结构较为松散，强度低，开挖后自稳能力差，遇水易软化；隧址区地下水水位较高，土体天然含水率高，承载力低，存在较高施工安全隐患。隧道V级洞口段衬砌类型为FS5x，如图1所示，采用初期支护+防水板+二次衬砌的复合式衬砌，初期支护参数见表1。

表1 隧道原始设计支护参数

图1 V级洞口段衬砌图

由于隧道洞口段围岩松散，整体性较差，在施工过程中隧道横向裂缝、地表裂缝、拱架变形、开挖后掌子面掉块和小型溜塌、隧道大变形及初支局部侵限等均有出现，如图2、图3所示。

图3 地表开裂

2 隧道围岩变形情况

监控量测是新奥法施工必不可少的环节，是隧道进行信息化设计与施工的基础。通过监测数据可以为判断围岩稳定性，支护结构可靠性提供依据。根据《公路隧道施工技术规范》(JTG/T 3660—2020)[11]要求，在隧道5～10 m断面处布置监测点。隧道采用三台阶预留核心土+临时仰拱施工方法，在上台阶开挖之后及时布置测点，保证能够采集到变形的最原始数据，监测点布置如图4所示。

图4 隧道洞内监测点布置示意图

针对隧道洞口浅埋段，选取里程桩号FZK6+102.5～ FZK6+197，共18个监测断面进行分析。该浅埋软弱围岩段隧道的变形如下特点。

(1)隧道变形量大且分布不均匀。隧道开挖后，对围岩的扰动明显，围岩变形十分剧烈。如图5为各监测断面的变形情况。洞内各监测断面的累计沉降能够达到数百毫米以上，且沿纵向表现出不均匀分布的规律。在同一断面上，拱顶沉降普遍大于水平变形。

图5 隧道洞口浅埋段围岩变形的纵向分布

(2)开挖初期变形快且变形速率大。选取FZK6+123、FZK6+147断面进行分析，这两个断面的累计时程变化曲线分别如图6和图7所示。

图6 FZK6+123断面支护变形-时间变化图

图7 FZK6+147断面支护变形-时间变化图

由图可知，隧道在开挖之后初期变形快和变形速率大，基本上在20 d内能够完成大部分的变形。FZK6+129断面20 d内累计拱顶沉降达355.1 mm，最大拱顶下沉速率可达38.4 mm/d，20 d内累计周边收敛达73.9 mm，最大周边收敛速率可达28.2 mm/d。FZK6+147断面20 d内累计拱顶沉降达260.0 mm，最大拱顶下沉速率可达27.8 mm/d，20 d内累计周边收敛达143.5 mm，最大周边收敛速率可达29.2 mm/d。

(3)变形持续时间长。隧道在初期大变形之后并未逐渐趋于稳定，而是以较大的速率继续发生变形。如FZK6+129变形后期拱顶下沉和周边收敛日变形速率最大分别能达到10.2 mm/d和3.9 mm/d，表明隧道围岩具有软弱和显著流变性的特征。

(4)隧道沉降主要发生在上、中台阶开挖阶段。不同施工阶段拱顶沉降占比如图8所示。由图8可知，上台阶、中台阶、下台阶及仰拱开挖拱顶沉降占比分别为17.69%、55.45%、11.72%和15.14%。隧道拱顶沉降主要发生在上台阶和中台阶开挖阶段。在施工时应加强上、中台阶支护参数及各工序衔接，让初支尽早封闭成环。

图8 不同施工阶段拱顶沉降占比

3 数值模拟分析

采用计算模拟软件[12-13]，建立三维隧道模型，对董奉山隧道在施工过程中围岩及支护结构的变形及受力特征进行分析。

3.1 模型建立

根据依托工程的实际地质情况，建立了计算模型。基于圣维南原理，为了减小边界条件的影响， 取地层范围为横向114 m，约4倍洞径，下部取50 m，约4倍洞径，上部取至底部，整个模型尺寸为114 m×50 m×74 m(长×宽×高)，计算模型如图9所示。采用固定边界条件，模型左右两侧施加水平方向的约束，底部施加法向约束，地表为自由边界，本构模型采用摩尔库伦模型。围岩和支护结构采用实体单元进行模型，计算时仅考虑重力。

图9 模型整体示意图

模拟计算过程为：初始地应力模拟；上台阶开挖并支护；上台阶核心土开挖和中台阶左侧开挖并支护；中台阶右侧开挖并施做初期支护和临时仰拱；下台阶左侧开挖并支护；下台阶右侧开挖并支护；仰拱开挖。各部分计算时错开3 m，每循环开挖1 m，仰拱一次开挖3 m。

3.2 材料参数选取

在数值计算时，为了考虑型钢拱架的影响，将型钢拱架的弹性模量按照抗弯刚度等效的原则结合到喷射混凝土中[14]。计算模型围岩从上到下依次是坡积粉质黏土，全风化花岗岩和砂土状强风化花岗岩，根据地勘资料和《公路隧道设计细则》，数值计算参数取值如表2所示。

表2 围岩及支护结构计算参数

3.3 数值计算结果分析

为了使研究的围岩和支护结构的位移和应力变化规律具有代表性，消除边界条件的影响，选取模型的中间截面进行分析。

3.3.1 初期支护应力

初期支护为混凝土结构，是隧道在开挖后抑制松动区发展的重要支护措施。计算完成后，初期支护的最小主应力云图和最大主应力云图如图10所示。

图10 初期支护主应力云图

最小主应力为负表示压应力，最大主应力为正表示拉应力。由图10可知，隧道初期支护结构大部分位置受压，在拱脚左右两侧出现应力集中，压应力最大，最大压应力为16.3 MPa，超过C25喷射混凝土的抗压强度设计值13.5 MPa。由图可知，初期支护结构在上台阶范围内出现拉应力，拱顶处应力集中，最大拉应力为2.24 MPa，超过C25喷射混凝土的抗拉强度设计值1.3 MPa。计算时支护结构强度是瞬时达到设计值，而实际施工过程中喷射混凝土达到设计强度会有一个过程，在刚施工完成后由于应力过大会导致混凝土出现细微裂缝，后续再受到施工扰动、降雨等原因会使围岩压力增大，导致裂缝继续扩展。由于初期支护混凝土的抗拉强度远小于其抗压强度，因而多数情况下混凝土会由于承受过大拉力发生破坏。

3.3.2 隧道变形规律

实际施工时隧道变形特征能够最直观地反映隧道的稳定状态。计算完成后围岩竖向位移云图和水平位移云图如图11所示，监测断面拱顶下沉和周边收敛与开挖步的关系曲线如图12所示。由图可知，在隧道开挖到监测断面之前，围岩变形很小，在隧道开挖到第25步，即上台阶之后，变形突然增大，后续在开挖中台阶、下台阶和仰拱的时候变形也有较大增长，最后由于整个断面封闭成环，随着开挖步的进行逐渐趋于稳定。最终拱顶累计沉降为286.8 mm，周边收敛值为133.6 mm。数值模拟结果比现场实测数据小，这是由于在模拟时对模型进行了简化，忽略了地下水、围岩节理裂隙和走向以及结构面填充情况等众多因素，导致计算结果和实测值存在一定差异。

图11 围岩位移云图

图12 监测断面拱顶下沉和周边收敛与开挖步的关系曲线

3.3.3 围岩塑性区分布

隧道施工计算完成后围岩的塑性区分布如图13所示。由图13可知，塑性区范围是比较大的，基本沿着隧道开挖轮廓线呈对称分布，两侧拱肩处塑性区深度最大，其次是两侧拱脚处。后续塑性区会由于受到开挖扰动、围岩渗水等原因屈服区域进一步扩大，造成围岩松动压力增大，从而发生混凝土开裂、剥落，钢架扭曲和初支侵限等病害，甚至发生隧道坍塌。

图13 围岩塑性区分布

4 大变形处治措施

4.1 开挖工法优化

根据现场实际情况，采用计算模拟软件对三台阶七步开挖法、三台阶预留核心土+临时仰拱法、中隔壁(center diaphragm,CD)法进行分析。各开挖工法下数值计算结果如表3所示。

由表3可知，采用三台阶七步开挖法由于各台阶分左右两侧错开进行开挖，隧道开挖纵深过长，隧道初期支护闭合成环时间长，因而隧道沉降、支护结构应力和塑性区范围均大于其他两种工法。三台阶预留核心土+临时仰拱法和CD法相比只有在控制围岩水平位移方面优于CD法，因而后期根据监测情况，在考虑到实际地质情况、项目成本、人员配置及施工进度等因素下可以考虑采用CD法进行施工。

表3 各开挖工法下数值计算结果

4.2 综合处治方案

针对隧道地质条件差，围岩易发生大变形的特点，采取如下针对性的措施。

(1)将临时仰拱钢支撑由I16变更为工I18。

(2)超前小导管采用Φ42 mm(壁厚4 mm)的无缝钢管，长3.5 m，在拱部150°范围内施做，环形间距30 cm，每环54根，纵向间距由2.4 m变为1.2 m。

(3)设置双层锁脚锚管，锚管采用Φ42 mm(壁厚4 mm)的无缝钢管，长3.5 m，每处打设4根，每榀共24根。

(4)上、中、下台阶两侧拱脚采用I16型钢进行连接，增强拱架的整体性。

(5)拱脚支垫采用40 cm×30 cm×15 cm的C35混凝土预制块。

(6)对大变形段采用Φ42 mm(壁厚4 mm)无缝钢管，环向间距1 m，纵向间距1.2 m，梅花形布置进行注浆加固，浆液采用水泥浆，水灰比0.5∶1，注浆压力0.5～1 MPa。

(7)在隧道中台阶左右两侧设置降水井，管径125 mm，深度15 m，纵向间距10 m，梅花形布置。

(8)将预留变形量由50 cm调整为60 cm。

5 结论

针对董奉山隧道，介绍了隧道的大变形情况，分析了大变形的原因及机制，并根据分析结果提出相应的工程处治措施，得到如下主要结论。

(1)董奉山隧道进口处于浅埋段，地下水位高，围岩工程力学性质差，岩体破碎、软弱，强度低，遇水易软化，自稳性差，造成开挖之后围岩发生大变形和隧道支护结构破坏严重。

(2)隧道变形量大，拱顶最大累计沉降达到624.7 mm，累计最大水平收敛达到174.9 mm。隧道初期变形量大且变形速率快，后期达到稳定的时间长。

(3)隧道支护结构发生破坏是由于开挖之后支护结构应力过大，且塑性区过度发展导致屈服区逐渐变为松动区，引起围岩松散压力增大。

(4)针对隧道变形特征，采用计算模拟软件对三台阶七步开挖法、三台阶预留核心土+临时仰拱法和CD法进行分析，结果表明CD法优于其他两种工法，在后续施工中可以考虑采用此工法。另外，为了控制围岩变形，采取加大支护参数，进行洞内降水，增大预留变形量的措施，严格控制各台阶的变形，确保围岩的变形在允许范围内。研究结果可为后续段的施工和类似工程提供参考。