穿越陡坎地形的偏压黄土隧道大变形时空特征研究

周 鹏， 高金仓， 李 磊， 郑 飞， 戴 勇

(1. 三门峡市国道三一零南移项目建设管理有限公司, 河南 三门峡 472000；2. 中南大学土木工程学院, 湖南 长沙 410075)

0 引言

由于黄土的特殊工程性质，隧道施工穿越黄土地层时，常伴随有围岩大变形现象。为确保施工安全，国内部分学者对黄土隧道的变形机制和规律进行了研究，例如： 赖金星等[1]通过水准仪与收敛计，对大断面黄土隧道的围岩变形进行了现场测试，发现围岩变形随时间的变化符合指数函数规律； 李波等[2]通过现场试验测试及数据分析，研究了大断面黄土隧道开挖时5种不同试验工法下的支护力学特性和变形特征，并对其适用性作出了评价； 杨建民等[3]通过理论计算及现场实测，发现大断面黄土隧道初期支护整体下沉大的主要原因之一是拱脚压力较承载力大一个数量级； 赵东平等[4]统计分析了大断面黄土隧道初期支护变形量，研究了大断面黄土隧道变形规律及预留变形量的合理取值范围； 张爱军等[5]通过现场实测，获得了近饱和黄土层隧道在三台阶七步开挖条件下的初期支护变形和应力特征。

对于黄土隧道出现大变形，除了黄土的特殊工程性质这一关键因素，地形的起伏变化也同样起着重要作用。文献[6-7]利用数值模拟手段，研究了隧道在通过浅埋或偏压及沟谷地形条件下的初期支护受力及变形规律； 李龙福等[8]通过现场监测及数值模拟，得出浅埋隧道穿越黄土冲沟不良地段时的地表位移规律及洞内支护收敛特征。

以上文献仅针对于富水、浅埋或偏压等单特征黄土隧道进行了研究，而对于穿越冲沟地形的偏压、膨胀性黄土隧道的变形特征及处理措施的综合研究目前鲜有报道。本文根据地坑院黄土隧道穿越陡坎地形、偏压的受力特点，基于现场监测数据系统地分析了现场围岩大变形段的横、纵断面的初期支护变形规律及影响因素，针对性地制定了相关控制措施，因此可为相关黄土隧道工程施工提供参考。

1 工程概况

国道310洛三界至豫陕界段南移新建工程地坑院隧道为双向4车道分离式隧道，两线净距约32 m，起讫里程ZK89+660～ZK93+116(YK89+681～YK93+121)，设计车速80 km/h。

1.1 隧道工程地质地形特征

1.1.1 地质特征

隧道处于丘陵-黄土梁地貌，地形起伏较大，围岩结构松散、垂直节理发育，地表水易下渗。右线隧道出口段纵断面如图1所示，隧道出口段从上到下的地层依次为黄土状粉土层(Ⅱ级湿陷性)、粉土层(土质不均，黏粒含量较高)、粉质黏土层(硬塑弱胶结，土质均匀，质地坚硬)。该区域内地下水深度一般大于40 m，主要由大气降水和地表水渗入补给。

K92+900断面后开挖的围岩主要为硬塑状粉质黏土，呈棕红色，黏粒较多，含有黑色铁锰质斑点，局部含有少量钙质结核。根据勘察资料，该土体平均天然重度20.8 kN·m-3，含水率26.8%，孔隙比0.78，液限34.6%，塑限20.8%，塑性指数13.8。从右洞YK92+795断面开挖典型土样的XRD物性分析结果来看，围岩以石英+长石为主要成分(占比62.5%～67.8%)，其中黏性矿物(蒙脱石+绿泥石+云母等)占比25.2%～26.7%，平均蒙脱石含量为17.38%，平均自由膨胀率为65.89%，属于膨胀性土，具中等膨胀潜势。

图1右线隧道YK93+121～YK92+120出口段纵断面

Fig. 1 Longitudinal cross-section of YK93+121～YK92+120 of right-line tunnel

1.1.2 地形特征

隧道出口段三维地形如图2所示，隧道出口处至K92+675段埋深最大约为70 m； K92+850～+620段为偏压段，右线地势高于左线，也是隧道大变形较严重地段； K92+700～+620段为陡坎段，沟深10～25 m，沟内植被茂盛，据查证，该陡坎段深沟是30年前滑坡所致，沟内及周围表层土体主要为碎石土及粉土，构成了不稳定的松散堆积体。

图2 隧道出口段三维地形图

图3所示的K92+735处横断面为典型偏压横断面，该位置左线受偏压影响较大，埋深61.5 m，右线埋深70.6 m。如图4所示，左线陡坎段沟底ZK92+665至隧顶的深度为52.3 m，与ZK92+730断面存在约12 m的埋深突变。

图3 YK92+735处横断面位置关系

1.1.3 施工风险

结合隧道地质地形情况，可能存在的施工风险有：

1)地表土层垂直节理发育，隧道开挖会形成一定的卸荷裂隙，节理面和裂隙往往会成为地下水渗流的通道[9]，特别是陡坎段易汇集地表水，导致围岩遇水后膨胀，加剧隧道变形。

图4 左线陡坎段纵剖面

2)隧道偏压段左右线埋深相差较大，地压不均，容易造成隧道施工时左右变形收敛差异。

3)隧道穿越陡坎段时，埋深迅速降低，在浅埋条件下，洞内变形及地表沉降将难以控制； 加之上覆土体不稳定，施工扰动严重时易发生塌方。

4)陡坎段的土层松散，受洞内施工影响大。洞内围岩变形严重时，地表易产生裂缝，表层松散土易沿软弱层位移，导致滑坡灾害。

1.2 隧道施工及支护设计

截至2019年6月15日，隧道掌子面开挖至ZK92+627和YK92+650，左线超前右线约25 m。现场采用三台阶加临时仰拱、CD法，但对隧道变形控制效果均不理想。

1.2.1 支护设计

隧道标准开挖断面面积为103.58 m2。隧道原设计支护类型及参数见表1，其中，拱部(120°)锚杆长2.5 m，预留变形量20 cm，采用HRB400型φ22 mm主筋。

表1 原设计支护类型及参数

K92+750～+650段为大变形较严重地段，该段支护类型为H-V-C。后期由于现场初期支护收敛严重，对初期支护参数进行调整： 1)预留沉降量调整为80 cm； 2)钢拱架改为I22a，纵距50 cm； 3)设双层钢筋网，2根4 m长φ42 mm锁脚小导管； 4)超前小导管180°打设，长3.5 m； 5)喷射混凝土厚28 cm。

1.2.2 施工工序

为加快施工进度，K92+720以后仍采用三台阶法开挖，三台阶法施工横断面如图5所示。其中，上台阶长度为6～8 m并预留核心土，中台阶长度为8～10 m，下台阶长度为8～10 m； 仰拱初期支护超前仰拱二次衬砌及仰拱回填6～12 m； 仰拱二次衬砌与仰拱回填超前拱墙二次衬砌施作6～12 m； 二次衬砌距掌子面距离不大于50 m。

图5 三台阶法施工横断面

1.3 隧道变形破坏情况

自2017年10月开工以来，隧道出口段发生多次大变形导致的塌方事故，变形严重地段支护参数加强后，初期支护仍表现持续性应力释放，难以自稳。

1.3.1 现场初期支护破坏情况

隧洞开挖过程中，已施作初期支护出现多处严重开裂、喷射混凝土剥落、钢拱架扭曲等病害，地表产生多处裂缝，现场频繁换拱(见图6和图7)。

(a) 钢拱架严重扭曲

(b) 侧墙初期支护开裂剥落

(a) 地表裂缝错台

(b) 换拱后新钢架

1.3.2 大变形段初期支护换拱统计

当初期支护侵入二次衬砌外轮廓线时，需进行换拱处理，现场初期支护变形至需要换拱的周期一般为15～25 d。表2示出了右线典型大变形段(YK92+750.0～+650.0)换拱情况及变形监测数据。典型大变形段位于隧道偏压段及陡坎段，从现场统计数据来看，越靠近沟谷段，围岩变形收敛值越大，由变形导致的衬砌破坏越严重。图8示出左线陡坎段ZK92+670～+710的初期支护最终变形量变化曲线。由图8可知初期支护变形量与陡坎段隧道埋深有显著相关性，表现为埋深越小，初期支护整体变形越大，且拱顶沉降增速加大，变形量也逼近周边收敛变形值。这可能是因为越接近沟底，隧道上覆土体应力越集中，且沟底松散堆积体堆积厚度越大，导致洞内变形加剧。

表2 右线大变形段信息统计

图8左线陡坎段断面初期支护变形量与埋深关系

Fig. 8 Relationship between deformation of primary support and burial depth on steep section of left line

2 围岩变形监测

2.1 横断面初期支护变形

2.1.1 YK92+710断面变形监测

右线典型断面YK92+710埋深约65 m，经过1次换拱，该断面施工事件统计信息见表3。

表3 YK92+710断面监测期内施工事件统计

图9示出YK92+710断面在监测期内的拱顶下沉和周边收敛曲线。从图9中可以看出：

1)上中台阶和下台阶开挖后变形速率迅速增大，说明开挖对围岩会产生扰动；开挖后变形速率逐渐减小，说明钢架、网喷混凝土与锁脚锚杆的联合初期支护起到一定约束效果。

2)仰拱开挖后，初期支护变形速率迅速增大，增长期为仰拱开挖(23 d)至仰拱回填后(30 d)，最大速率为拱顶沉降37.9 mm/d，周边收敛41.3 mm/d，之后迅速减小，说明初期支护闭合与仰拱施作对断面变形稳定起重要作用。

3)上中下台阶换拱后，初期支护变形速率暂时回升，说明换拱施工对围岩稳定有一定干扰，但由于仰拱二次衬砌、回填基本硬化，使得后续初期支护变形速率逐渐减小。

4)第48天大雨过后，初期支护变形速率迅速增大，拱顶沉降速率达到26.5 mm/d，周边收敛40.8 mm/d。大雨过后发现断面附近拱顶、拱腰初期支护部位出现渗水，且仰拱YK92+712.8～+707.3已有较大隆起(超出标高约20 cm)，边墙、拱腰处初期支护出现明显开裂。分析认为，由于地处偏压段，埋深较浅，地层应力较大，加上地表土体垂直节理发育，雨水下渗使得膨胀土地层形变加剧，地应力进一步释放，初期支护强度不足导致变形开裂。

(a) 拱顶下沉曲线

(b) 周边收敛曲线

Fig. 9 Crown subsidence and peripheral convergence curves of YK92+710

5)本断面的拱顶沉降速率为9.8 mm/d，周边收敛8.8 mm/d时即施作二次衬砌，这是因为现场隧道围岩变形长期处于缓慢增长状态，长时间充分变形条件下初期支护变形速率仍不能满足规范要求[10]，因此现场适当提高了二次衬砌施作时的初期支护变形速率限值。同时二次衬砌厚度调整为50 cm，强度增至C40，受力筋加粗至φ25 mm，发现监测期内二次衬砌无明显开裂情况。

图10示出YK92+710断面在监测期内拱顶下沉和周边收敛关系曲线。图10(a)中阶段变形占比是以二次衬砌施作时的总变形量为分母进行了归一化处理； 图10(b)以周边收敛速率为自变量，拱顶沉降速率为因变量，绘制成散点图并进行了线性拟合，图中剔除点正处于不具代表性的换拱阶段。

1)由图10(a)可知： ①拱顶沉降与周边收敛曲线的变化趋势基本一致且有一定相关性，断面拱顶沉降累计值约0.92 m，小于周边收敛累计值(1.25 m)，该断面以收敛变形为主； ②断面开挖后，拱顶沉降与周边收敛的阶段变形占比逐渐拉开，仰拱初期支护施作后又逐渐减小，表明仰拱支护的施作能较好地约束整环衬砌的不均匀变形。

(a) 累计变形对比曲线

(b) 变形速率关系曲线

Fig. 10 Correlation curves between crown subsidence and peripheral convergence of YK92+710

2)校正决定系数越接近1表示拟合度越好； 相关系数绝对值越接近1表示变量相关性越强；P值小于0.05表示回归模型总体显著，P值小于0.01表示极显著。由图10(b)可知： ①2个拟合方程是可信的，且仰拱回填前拱顶下沉和周边收敛速率的相关性更强。②仰拱施作对隧道不同部位的变形规律造成了影响，仰拱回填后的拟合线斜率更小，说明相同条件下，仰拱封闭成环对拱顶沉降的约束作用更大。

2.1.2 YK92+700初期支护横断面扫描

选取YK92+700断面进行初期支护断面扫描分析，该位置处于陡坎处，受偏压影响较大。该段初期支护于2019年4月6日结束上中台阶换拱，4月8日下台阶开挖支护，4月20日施作仰拱初期支护，4月23日施作仰拱回填。该段二次衬砌厚度为50 cm，换拱初期支护预留变形量为60 cm，换拱初期支护面与二次衬砌内轮廓之间的理论差值应为110 cm。

如图11所示，本断面4月8日换拱后初测的变形时间为2 d，断面各点收敛相差不大，为10～15 cm，拱顶沉降略小于单侧周边收敛值。4月24日末测时，可以看出断面偏压收敛现象非常明显，末测较初测时左边墙(D1)、左拱腰(C1)和左拱肩(B1)分别收敛了约45、60、60 cm，右边墙(D2)、右拱腰(C2)和右拱肩(B2)分别收敛了约21、26、37 cm，拱顶下沉了约50 cm； 且末测时YK92+700横断面拱顶至左边墙段已侵入二次衬砌，因此施作二次衬砌前需进行换拱。图11所示右线左侧(靠左线)的变形较右侧大，造成这种变形特征的原因有： 1)该段地处偏压段，地压不均匀； 2)右线开挖滞后左线20～25 m，左线施工对该侧地层已经造成扰动； 3)初期支护背后有空洞存在，土体压力不均导致衬砌受力不均，加之初期支护整体刚度不够，导致断面变形不均。

(a) 2019年4月8日初测

(b) 2019年4月24日末测

2.2 纵向初期支护变形

截至2019年5月22日，右线掌子面桩号为YK92+654.7，二次衬砌施工至YK92+700。根据右线换拱过程中断面呈现的收敛沉降值、钢拱架严重变形等情况，选取右线掌子面(YK92+654.7)至二次衬砌(YK92+700.0)间的纵向初期支护段进行变形分析。

YK92+699～+674.5经过1次上中台阶换拱(截至5月20日)，YK92+674.5～+654.7为未换拱段，YK92+671.7～+673.7开挖上台阶时曾出现过2次小范围拱顶塌方。YK92+654.7～+700.0段拱顶沿隧道纵向变形曲线如图12所示。从图12可以看出：

1)在监测期内，断面YK92+662～+670基本处于上台阶，断面YK92+675～+680基本处于中台阶，断面YK92+685～+695处于下台阶。可以看出各断面的累计变形值随开挖顺序呈阶梯状下降，但断面YK92+695～+685的累计变形值依次递增，其变形速率也依次递增，分析是由于仰拱回填和二次衬砌的空间约束作用，导致离闭环衬砌越近的断面变形速率越小，判断该约束距离为10～15 m。

(a) YK92+654.7～+700段

(b) YK92+654.7～+700段

Fig. 12 Longitudinal deformation curves of arch at YK92+654.7～+700 (in 2019)

2)在监测期内可以发现断面变形速率5月10日—17日一直处于上升阶段，5月17日—19日以后变形速率减小； 在此期间，隧道上、中台阶一直掘进至5月17日后停止施工，结合现场施工情况来看，隧道土体一直处于不稳定状态，受开挖扰动影响较大。

3)在上、中台阶断面范围内，一般离掌子面越近，变形速率越大，但是从5月14、19日的变形速率曲线可以看出，离上台阶掌子面约8 m范围内的变形速率反而越小。

4)断面YK92+680在5月9日完成了换拱施工，断面YK92+680在5月10日的单日变形速率曲线上出现速率突变，在5月12日完成换拱的断面YK92+675也出现类似变化，故换拱施工对隧道围岩稳定性存在一定影响。

3 大变形原因分析与处治措施探讨

3.1 围岩变形原因分析

隧道K92+720～+650段洞内大变形严重。结合现场情况和研究成果分析，上述围岩变形规律受地质、地形、地下水和施工等因素综合影响，包括： 1)围岩软弱，具吸水膨胀性，变形周期长。2)开挖、换拱等施工干扰导致围岩应力场的持续调整，继而导致围岩变形再次发展，形成负反馈效应，最终体现为围岩变形速率居高不下。3)现场断面开挖至封闭的窗口期较长，一般在20 d以上，个别段在50 d以上，期间围岩持续变形，导致地表开裂塌陷，隧道上方土体破碎、产生空洞，开挖时易导致塌方。4)地处沟谷段，该段易汇集地表水，且地表土体垂直节理发育，雨水下渗导致围岩吸水产生膨胀应力。5)该段隧道埋深突变，且偏压严重，地层应力较大，洞内围岩变形难以控制； 加上左右线施工滞后距离较短，两线施工影响较大，导致围岩不均匀收敛。

3.2 施工控制措施

结合现场情况和变形分析结果，判断本隧道变形应属于非稳定变形，现场应及时采取有效支护措施以控制围岩产生过大变形：

1)三台阶法开挖施工时，应严格控制各台阶长度，上台阶应控制在4 m以内，预留核心土； 中下台阶控制在6～8 m，必要时分左右导坑开挖。

2)各台阶开挖立架后，应打设锁脚锚管并注浆，同时扩大拱脚以控制断面沉降。

3)为避免初期支护累计变形过大而进行多次换拱施工，隧道断面开挖至封闭的窗口期应尽量缩短，现场应控制在30 d以内，掌子面至二次衬砌的距离控制在40 m以内。这样可能会导致施作二次衬砌时围岩的变形速率仍然较大，因此应适当提高二次衬砌强度，减小后期因强度不足而导致二次衬砌病害。

4)本隧道开挖预留变形量应根据现场实际施工情况，按横、纵断面变形规律进行动态设置，现场拱顶处超挖值一般应小于边墙部位，二次衬砌施作时初期支护尽量不超限以致换拱。

5)为减小横、纵断面不均匀收敛，应严格控制超欠挖保证钢拱架与围岩密贴，均匀围岩压力； 同时两线先后施工，为避免施工干扰应拉开一定距离。两线掌子面纵距不小于3倍开挖净宽。

6)地下水对本隧道围岩稳定性影响极大，施工过程中，应严格做好地表、洞内的防排水工作。特别是地表裂缝要及时填充处理，必要时进行地层注浆加固； 洞内做好初期支护基底的集中引排措施[11]； 掌子面及时进行喷混凝土封闭，避免渗水。

7)在变形严重地段，初期支护强度可能无法承担围岩形变压力而接近压溃，此时应采取临时支撑或临时钢拱架等应急措施；在塌方风险段掘进前可采取加设超前管棚、注浆等措施提高围岩整体刚度，防止突发性形变。

现场经过以上大变形针对性处治措施，左右线的施工效果均有较为可观的改善。主要表现在雨期洞内滴渗水明显减少，断面开挖后同时期的初期支护沉降速率有较明显的降低，初期支护断面的最终沉降量控制在约1 m左右，换拱次数降低至1次左右，断面不均匀收敛程度减小。这表明在考虑施工进度与施工效果的情况下，合理的三台阶法施工对大变形控制仍能起到较好效果，其中洞内外防排水、各台阶打设锁脚锚管、二次衬砌及时闭环以及预留变形量动态设置等施工措施起到了重要的变形控制作用。

4 结论与体会

本文依托地坑院黄土隧道，基于全站仪监测数据，针对典型大变形段，对偏压黄土隧道大变形特征进行了精细化分析与研究，综合变形原因分析及施工控制措施，得出以下结论：

1)围岩大变形受地质、地形、地下水和施工等因素综合影响，其中地层膨胀性以及地处偏压、沟谷段为重要影响因素；现场应注意做好地表、洞内的防排水工作，降低地下水对围岩造成的影响。

2)隧道纵向偏压对断面整体变形影响较大；为防止突发性形变，现场陡坎段施工应注意塌方风险，掌子面开挖后应立即立架，并打设锁脚锚管进行注浆，同时设置大拱脚提高基底承载力； 在塌方风险段掘进前，可加设超前管棚、注浆等提高围岩整体刚度。

3)围岩变形持续时间长，总变形量大，难以自稳。为避免多次换拱，施工过程中应严格控制各台阶施工步距； 仰拱、二次衬砌紧跟，尽量缩短断面开挖至封闭的窗口期； 同时根据断面收敛规律动态设置开挖预留变形量； 合理调整初期支护参数避免过早产生严重病害； 提高二次衬砌强度，保证施工受力后无明显开裂或变形。

4)大变形段的周边收敛一般大于拱顶沉降量，且两线靠近侧的围岩收敛变形更大。该特征受隧道地形、埋深以及施工影响。现场应采取加固措施提高初期支护整体刚度，同时两线掌子面纵距应拉开至少3倍隧道开挖净宽以避免施工干扰。

以上研究主要基于现场监控量测与统计数据，虽对偏压黄土隧道大变形特征有较为具体的描述分析与施工验证，但研究手段偏少，对其中变形规律的解释还不够详尽，无法定量描述各种施工措施对变形控制的权重占比，这有待利用数值模拟或其他分析手段进行深入研究。