软岩隧洞施工变形特性的研究

韩 强 吕 斌

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，乌鲁木齐 830000)

新疆阿克土木苏克隧洞为软岩隧洞，洞深段长1825m，为无压明流隧洞，开挖分进出口同时进行，隧洞开挖型式为圆拱直墙形，最大开挖断面尺寸为6.1m×6.1m，衬砌断面型式为马蹄形，断面尺寸为4.9m×4.9m，设计流量48m3/s，隧洞纵坡1/1000。隧洞穿越的地层为第三系半胶结状态的砂岩、砂砾岩和泥岩互层，岩体软弱，工程地质条件较差。天然状态抗压强度为 0.42～0.45MPa，纵波波速1000～2080m/s，洞体一般埋深30～40m，最大埋深43m，地下水不发育，局部地段含上层滞水。

1 开挖方法及支护参数

1.1 开挖方法

采用上下台阶法、先起拱点以上人工开挖，预留核心土，长度控制在 1～2m。后起拱点以下，机械（小挖机）开挖为主，局部不平欠挖，人工风镐开挖。要求围岩面清理干净、平整，无松动岩石。控制超挖，禁止欠挖。

开挖后断面要求：洞轴线允许偏差5cm,底部标高允许偏差 0～＋10cm,径向、侧墙允许偏差 0～10cm,开挖面平整度允许偏差≤10cm。开挖后支护前及时进行隐蔽工程验收。

1.2 支护参数

根据地质条件，Ⅳ类围岩地区衬砌断面型式为Ⅱ型，开挖断面尺寸为6.1m×6.1m，格栅拱架间距1.0m，一次支护喷混凝土C20，厚度15cm，挂钢筋网φ6，网格尺寸 20cm×20cm，系统锚杆φ20，长度2.0～2.5m，间距1.0m，二次衬砌厚度40cm。Ⅳ-Ⅴ类围岩地区衬砌断面型式为Ⅰ型，开挖断面尺寸为 6.1m×6.1m，格栅拱架间距 1.0m，一次支护喷混凝土 C20，厚度 20cm，挂钢筋网φ6，网格尺寸20cm×20cm，系统锚杆φ20，长度2.0～2.5m，间距 1.0m，二次衬砌厚度 45cm。其中个别地质条件较差地段，打超前锚杆。

2 岩体中一次支护后变形监测

阿克土木苏隧洞收敛监测是控制施工安全、变更支护参数和确定衬砌型式的要信息来源，在不同地质条件地段，安全监测工作是软岩隧洞保证安全施工，减少塌方，避免各种安全事故的发生的关键性措施。为此，安全监测工作在软岩施工中就特别重要。正是因为把安全监测贯穿于设计与施工的全过程，才保证了施工安全。

2.1 安全监测

阿克土木苏克隧洞为软岩隧洞，以粘性土为主，具有一定的膨胀性，节理、裂隙较发育。在隧洞施工中，以收敛和顶拱沉降监测为主，通过监测断面的监测获得围岩沉降、收敛变形数据。

收敛监测断面设置为 5测点、6条测线，断面布置见图1。

图1 收敛监测断面布置图

2.1.1 隧洞顶拱下沉状态

顶拱沉降监测断面间距为25m，监测采用前视顶拱挂尺，后视边墙底板立尺。在埋深10～20m的洞段中，监测天数 15～18d，距离掌子面 45m，沉降值一般在10～20mm之间，沉降速率一般在0.5～2.0mm/d之间。

就其目前的下沉变形状态分析，该洞段最大总下沉变形量约为22mm左右，平均速率为1.28mm/d，沉降值、沉降速率均较小，下沉变形速率在监控指标的范围内，比较典型的顶拱下沉变形状态如图 2所示。

从图中可以看出，在格栅拱架喷混凝土支护下，顶拱下沉变形没有明显的减缓，而是随时间的增加，下沉变形增量缓慢的减少。

图2 顶拱下沉监测成果图

图3 顶拱下沉监测成果图

在隧洞埋深达到最大42m的洞段中，统计了监测时间 15天左右各监测断面的资料，距离掌子面25～30m，沉降值一般在60～90mm之间，沉降速率一般在3～8mm/d之间，平均为4.9mm/d，沉降值、沉降速率均较大，典型的顶拱下沉变形状态如图 3所示。

从图3中可以看出，顶拱下沉过程线没有拐点，下沉变形量呈匀速增加，这就是土体隧洞与岩体隧洞的不同之处。在沉降过程中，洞室底板肉眼可见隆起，说明洞室是整体下沉的，其数据明显高于埋深浅的洞段，可见隧洞埋深大的洞段与埋深浅的洞段变形有明显的不同，土体隧洞埋深的深浅对洞室变形影响很大。

2.1.2 隧洞收敛变形状态

收敛变形监测断面间距为25m，在埋深10～20m的洞段中，监测时间 25天左右各监测断面的资料显示，收敛值一般在4～18mm之间，收敛速率一般在 0.07～5.35mm/d之间，该洞段最大收敛变形量约为18mm左右，平均收敛速率为0.74mm/d；收敛值、收敛速率均较小，各监测断面拱角2-3测线的收敛值，均大于侧墙4-5测线的收敛值，说明在该埋深洞段以拱角2-3测线变形为主。

其典型的收敛变形状态如图 4、5所示。围岩初期加速变形一般为前 3～4d、距离掌子面两倍洞径时完成，开始趋向减速变形。在掌子面前进过程中，下沉变形阶段性的加速，形成变形台阶，变形已收敛。控制洞室变形的主要是拱角2-3、侧墙4-5测线。

图4 顶拱下沉监测成果图

图5 顶拱下沉监测成果图

图6 顶拱下沉监测成果图

以SL1-5断面为例，停测时监测天数27天，距离掌子面40m，收敛变形拱角2-3测线11.30mm，侧墙 4-5测线 4.55mm；拱角 2-3测线收敛速率为0.17mm/d，侧墙4-5测线收敛速率为0.09 mm/d，收敛值、收敛速率均较小。从图4中可以看出，收敛变形趋于稳定变形，呈等速变形状态，说明变形已收敛，变形量和变形速率均在监控指标范围内，对二衬混凝土的厚度没有影响。

从图6中可以看出，收敛过程线没有明显的拐点，收敛变形量呈匀速增加，没有收敛的迹象，各监测断面拱角2-3测线的收敛值，均小于侧墙4-5测线的收敛值，说明在该埋深洞段以侧墙4-5测线变形为主（见图6）。

各监测断面的资料显示，该洞段的变形明显高于埋深浅洞段的变形，目前的变形已远超设计的监控指标的范围，在一衬喷射混凝土面上可见明显的纵向和横向裂缝，严重影响二衬混凝土的厚度和洞室安全。为此设计和施工方及时采取措施，用工字钢对格栅拱架底角进行水平横向支撑，格栅拱架间距从1.0m改为0.5m，限制住了洞室水平向变形，效果明显。支护后同期拱角2-3、侧墙4-5测线的收敛值、收敛速率均比支护前小了一半，保证了洞室的安全和二衬混凝土的厚度。

2.2 施工期与永久期观测相结合的观测

这种观测仪器主要采用从地表埋入岩体的多点位移计2套。每套5个测点（传感器距开挖面分别为 0.5m、1.7m、4.3m、9.7m和 20.7m距离，在施工前埋设）；开挖后距开挖面1.0m埋入岩体单点位移计 2 只，双点位移计 2 套；在锚杆上安装锚杆应力计 3 支，在格栅拱架上安装应力计 3 支。

各种监测仪器工作正常，监测结果规律与收敛监测结果基本一致，格栅钢筋计和锚杆应力计应力在开挖距离1.5倍洞径以内增长较快，以后缓慢发展，格栅应力在3倍洞径以后，开挖1个月以后，受力趋于稳定，锚杆由于围岩蠕变效应，趋于稳定时间和距离长一些。顶拱岩体变形较小，洞内位移计变形值在6mm以下，地表多点位移计最大变形值在17mm以下，越靠近洞顶变形越大，远离洞顶变形越小,其中多点位移计因为在开挖前从地表钻孔埋入岩体，所以测得了施工全过程的变形值，该仪器已工作1年,利用这些观测数据指导了衬砌结构的优化。

根据收敛变形实测资料和变形曲线图分析，阿克土木苏隧洞变形较大，具有一定流变特性，围岩属较典型的粘弹性体。具有较强的膨胀性，且岩体含水率大，其变形的时间效应在观测时段内接近开挖进尺产生的空间效应，应加大支护强度并适当预留变形量，控制和减小变形发展，并在适宜的时间和开挖进尺范围内进行二次衬砌。根据开挖掌子面通过多点位移的时间及变形情况分析，开挖掌子面距离多点位移计1.5倍洞径时变形速率随进尺逐渐增加，掌子面超过观测断面20～25m以后变形速率降至0.01mm/d，二次衬砌完成后变形停止。位移计观测变形值均小于收敛变形值，变形规律符合软岩隧洞的一般特征。

3 一次支护后变形特性

在泥岩地段一次支护以后，在浅埋深洞段，围岩变形较小，变形值在18mm以下，开挖距离在1.5倍洞径以内，变形速率在1～6mm/d之间，当开挖过去3倍洞径以后，围岩变形空间效应释放完毕，转变为时间效应，围岩变形蠕变效应明显，变形速率在0.05～0.20mm/d之间，变形随时间继续蠕变。而在深埋深洞段，上述效应基本消失，收敛变形量呈匀速增加，没有收敛的迹象，围岩变形较大，变形值达280mm，收敛速率一般在3～15mm/d之间。

一般规律，当围岩变形达到总变形的80%～90%时，是施工二衬混凝土的最佳时机，但此工程深埋深洞段，在按现有的设计方案施工过程中，完全违背了上述规律，测不到总变形，如想测总变形有可能导致洞室坍塌。这也是在此地质条件下，该隧洞深埋深洞段围岩变形与其他工程不同之处。

在软岩隧洞开挖中，遇到膨胀岩或类似地质结构时，由于岩体作用在支护体上的应力较大，在这种情况下很难用一次支护来限制其变形量，而适当加强一次支护，限制一次支护的变形速率，并根据实际情况预留适当的变形量，及时进行二衬混凝土施工，利用二衬混凝土来抵抗围岩应力，是一种可行的方法。

4 结 语

(1)软岩地区隧洞开挖及支护应遵循“短进尺、强支护、快封闭”施工原则。通过对现场监控量测信息分析及时调整支护设计参数，有效抑制了围岩异常变形，确保隧洞施工安全现场施工要适时支护，当变形速率较小，很快趋于稳定，就应该减弱一次支护。当变形速率较大，空间效应释放完毕以后，变形继续发展，应及时采取措施增加一次支护强度，抑制和减少变形速率及变形值，并根据实测变形应力的变化，适时进行二次衬砌。

(2)隧洞中强膨胀泥岩段后续施工中，采取加强一次支护，增大预留变形量，用工字钢对格栅拱架底角进行水平横向支撑，格栅拱架间距从 1.0m改为0.5m，限制住了洞室水平向变形，效果明显，并及时跟进施工二衬混凝土，二衬混凝土与开挖掌子面距离保持在 40～50m，这是通过收敛监测资料分析得到的较佳距离。利用二衬混凝土抵抗围岩膨胀力的施工方法，较好解决了膨胀泥岩对隧洞施工的影响。一次支护中格栅拱架、砂浆锚杆、挂网喷混凝土和锚杆加混凝土封闭底板限制围岩变形作用显著，对围岩安全稳定起到很大作用，说明这种支护方式是行之有效。