富水千枚岩隧道围岩变形特征及基准

闫鑫雨

(中交第二航务工程局有限公司； 交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心， 武汉 430040)

在隧道建设过程中，千枚岩由于其独特的物理化学性质和环境敏感性，通常将其归类为软弱岩体。目前，许多学者和工程师对千枚岩隧道的工程地质特性和围岩变形控制进行了研究，取得了丰富的研究成果。郭小龙等依托成兰铁路茂县隧道对破碎千枚岩高地应力挤压大变形情况下初期支护形式和二衬施作时机进行了研究[1]。钟宇健等对大跨径浅埋偏压千枚岩隧道变形规律进行了分析，研究了支护变形的不利位置，通过数值模拟对支护参数进行了进一步优化[2]。汪波等对破碎千枚岩隧道三台阶法围岩开挖位移安全控制基准进行了研究，比较了埋深、施工工法等不同控制因素对变形的影响[3]。杨晓华等对深埋千枚岩隧道支护参数对结构受力与变形的影响进行了室内试验和现场测试，同时利用FLAC3D软件进行了数值模拟，得出了不同支护参数条件下围岩拱顶沉降和周边位移变化[4]。陈桂虎等对成兰铁路云屯堡隧道千枚岩变形量大及变形时间长等特征进行了调研，并分析了导致大变形产生的地质成因[5]。夏润禾等针对新建兰渝铁路两水隧道软岩大变形导致衬砌开裂原因进行了分析，进而提出了双层初支和双层衬砌等加固支护措施，取得了较好的变形控制效果[6]。赵建军等针对边坡岩体强度劣化，指出了千枚岩遇水耦合劣化是岩体损伤破裂的主要原因[7]。

众多研究结果表明，千枚岩隧道施工过程中围岩变形机理、隧道开挖时空效应及支护结构应力-应变关系极为复杂。本文以九绵(九寨沟-绵阳)高速公路五里坡隧道千枚岩地层为研究对象，对三台阶临时仰拱法的适用性进行了数值模拟分析，同时根据现场监控量测数据结果，总结了千枚岩开挖过程中围岩变形规律。

1 工程概况

九绵(九寨沟-绵阳)高速公路五里坡隧道位于四川省平武县构造剥蚀中山地貌区，处于龙门山构造带与摩天岭构造带交界处。隧道全长4 666 m，双向两车道。隧道洞身涉及地层主要为上古生界三叠系下统罗让沟组绢云千枚岩、灰岩和变质砂岩，围岩级别主要为V级。受场区断层破碎带及层间剪切破碎带影响，破碎千枚岩地层富水性较强，极易发生软化大变形。五里坡隧道地质构造如图1所示。

图1 隧道地质纵向剖面示意图

2 数值模拟分析

2.1 模型建立

本文选取3DEC软件来进行模拟计算分析，不考虑天然岩土体在自然沉积过程中的塑性破坏。初始地应力场生成后，进行开挖方法对围岩变形影响的模拟计算。五里坡隧道开挖断面尺寸为11.06 m×8.65 m(宽×高)，依据隧道的设计断面建立三维计算模型，模型长度为60 m，宽度为50 m，高度为65 m，对其赋予对应的岩土体参数，模型的边界条件为四周和底部施加法向约束。岩土体采用摩尔库仑弹塑性本构模型。隧道采用双层初期支护，内层采用I18@50，外层I20@50进行支护。支护厚度分别为20 cm(内)和28 cm(外)。

整体计算模型如图2所示。

图2 计算模型网格划分

2.2 模型参数设定

隧道围岩及支护结构相关物理力学性质指标由室内土工试验确定，见表1、表2。

表1 材料物理力学参数

表2 锚管(杆)支护力学参数

2.3 计算结果分析

富水千枚岩隧道通常拱顶沉降远大于周边位移，因此设定两种工况主要分析开挖方法对围岩垂直位移变化的影响：①三台阶法；②三台阶+临时仰拱法。

采用三台阶法和增加临时仰拱千枚岩隧道开挖过程垂直位移云图如图3、图4所示。

图3 三台阶法开挖情况下垂直位移

图4 三台阶临时仰拱法开挖情况下垂直位移

从隧道开挖支护完成后的垂直位移云图可以看出，采用三台阶法开挖，隧道拱顶沉降最大约17.53 cm，采用三台阶临时仰拱法开挖，隧道拱顶沉降最大约11.31 cm，累计沉降量相比未施作临时仰拱，减少了约35%，可见在地质较差的情况下，使用三台阶临时仰拱法可对围岩下沉起到一定减缓作用。

3 隧道围岩变形特征

3.1 围岩变形分析

在五里坡隧道浅埋段(埋深<60 m)，渗水段的围岩普遍表现出沉降大、变形快、难控制、易崩塌等特点，对三台阶临时仰拱法开挖情况下隧道围岩变形特征进行分析，进而采取针对性措施，是保障隧道施工顺利与否的关键问题。针对富水千枚岩隧道围岩变形规律，大量工程实践和研究结果表明[8-13]，软弱围岩隧道开挖位移除受埋深和围岩工程地质特性之外，也与开挖工法的时空效应密切相关。

针对现场围岩变形情况，选取部分典型断面，对拱顶累计沉降纵向分布规律、拱顶水平收敛纵向分布规律、各测点拱顶沉降变形时程曲线、周边收敛变形时程曲线分别进行数据统计分析。

典型断面ZK146+028、ZK146+048累计变形及变形速率如图5～图8所示。

图5 累计变形时程曲线

图6 围岩开挖变形速率

可以看出，ZK146+028断面围岩拱顶累计沉降较大，变形速率快(达60 mm/d)，围岩变形受台阶开挖影响较大，中台阶开挖导致的拱顶变形占比达60%。

由图7、图8可知，其变形时程曲线特征表现为：在ZK146+048断面中，拱顶沉降主要发生在中台阶开挖完成后，仰拱封闭前。在下台阶开挖之前的累计变形占比超过80%。

对已完成里程段12个典型断面进行全过程监控量测，其围岩开挖变形统计如图9所示。

图7 累计变形时程曲线

图8 围岩开挖变形速率

从以上数据可以看出，围岩开挖主要变形在中台阶开挖后，下台阶开挖前，中台阶开挖-下台阶开挖前的变形占比超过总变形占比的57%，其主要原因是拱脚悬空时间长，锁脚锁不住拱架，导致围岩整体下沉。而且变形最大的断面与仰拱封闭成环速率成正比，在渗水段表现更为突出。

3.2 变形控制基准分析

根据前期围岩变形分布规律及各施工阶段围岩变形占比，提出施工过程中采取分步变形量控制的方法，总结得到各施工阶段围岩变形分级控制标准及各施工阶段围岩变形控制应对措施。若正常施工无法达到对应控制值时，还应采取相应的加强控制技术措施，从而实现“主动控制”围岩变形。

基于五里坡隧道围岩变形情况，制定千枚岩隧道位移安全控制基准，见表3。

需要指出的是，该位移控制标准并不具有普适性，其主要适用于埋深在60 m以内，以自重应力场为主，拱顶沉降在围岩位移中占主控因素，施工工法为三台阶临时仰拱法，围岩为V级的绢云千枚岩隧道。

4 结论

1)在富水千枚岩地层，使用三台阶法开挖，应采取主动加强支护理念，提高支护强度，增加临时仰拱，可对减缓围岩变形起到控制作用。

2)现场监控量测数据表明，在千枚岩地层，围岩变形可能持续较长时间。中台阶开挖-下台阶开挖前的变形占比超过总变形的57%，实际施工中应加快各阶段施工速度，及时将仰拱封闭成环，同时做好超前注浆措施。

3)结合依托工程现场统计数据，建立了三台阶临时仰拱法为基础的位移安全控制基准，并以此为依据，提出了相应的围岩变形控制措施。

由于考虑了模型简化，计算过程中部分荷载参数可能与实际有所差异，结果仅作为参考，实际变形以现场施工监测为主。

图9 不同台阶开挖阶段沉降占比

表3 千枚岩地层位移安全控制基准