黄土塬区浅埋大断面隧道施工变形分析与控制技术

于 介

(中铁第一勘察设计院集团有限公司， 陕西 西安 710043)

0 引言

近年来, 业界对黄土隧道发生变形侵限的问题做了一定研究。宋维龙等[1]采用统计分析和数值计算相结合的方法对甘肃某黄土隧道衬砌开裂进行分析, 结果表明围岩受到地下水浸水影响是衬砌开裂的主要原因，且浸水范围越大，衬砌受力情况越恶劣。赵元科[2]依托新庄岭隧道综合分析隧道开裂的原因为围岩等级划分有误导致支护结构偏弱，进而引起初期支护结构发生大变形。高晓春等[3]对黄土隧道隧址区地下水入渗引起支护结构开裂现象进行分析并给出处治建议，结果表明调整注浆参数、阻碍地下水渗流可以有效改善支护结构受力特性，控制隧道变形。陈建勋等[4]对大跨隧道支护结构大变形侵限等问题进行研究并得出结论，浅埋地段地基承载力较低的隧道可以使用钢管桩进行基底加固，从而达到控制隧道大变形的目的。赖金星等[5]对浅埋黄土隧道3层支护结构力学特性进行分析，结果表明初期支护结构在隧道安全施工中扮演了重要角色，承担了浅埋黄土隧道的大部分围岩荷载。

目前，大多数的浅埋隧道地表变形机制、支护结构受力特性以及浅埋隧道修建技术研究成果都是基于围岩自身的工程特性和原始地层特性考虑的，未能充分考虑地表水径流的影响以及埋深关系。上阁村隧道穿越董志塬区台塬地形地貌，为长距离浅埋慢坡段隧道，地表汇水面积广阔，浅埋黄土地层水敏性强。鉴于此，基于现场实际监测数据、模型对董志塬区浅埋大断面隧道施工变形问题进行分析研究，针对性地给出施工建议，并对处治效果进行评价，以期为同类工程提供参考。

1 工程概况

上阁村隧道位于甘肃省庆阳市董志塬区上塬部分，进口位于塬边沟壑梁茆区，出口位于塬面平坦农田区，全长6.78 km。出口1.1 km为长段落浅埋慢坡段，埋深小于20 m，如图1所示。

图1 上阁村隧道地质剖面

隧道通过地层为第四系上、中更统风积黄土，土质均一，针状孔隙发育，垂直节理发育，土体疏松，具有自重湿陷性，Ⅴ级围岩，Ⅴe复合式衬砌，初期支护采用I25a型钢钢架，间距0.6 m/榀，网喷C25混凝土，厚度35 cm，采用三台阶预留核心土法开挖[6]，开挖断面162 m2, 属于大断面隧道。

2 现场监测

2.1 测点布置与监测方法

选择在埋深H为5、10、15、20 m的对应里程设置监测断面，监测断面设置拱顶沉降监测点①，收敛点②-⑤，见图2。

监测方法为在围岩土体插入φ20 mm的钢筋，在露置于洞内侧的钢筋端部焊接一块方形薄铁片并粘贴反光膜片(GD01、SL01-SL04)，采用高精度的Leica全站仪进行观测，测量精度为0.1 mm。根据变形速率调整观测频率，一般为每天1次，直至变形基本稳定后结束观测。

图2 测点布置示意

2.2 监测结果与分析

根据现场监测结果，绘制不同埋深条件下隧道洞内变形及含水率变化时程曲线。综合分析后发现，含水率变化整体呈逐步增长趋势，沉降及收敛呈快速增长-持续增长-趋于平稳3阶段变化[7]。1)不同埋深所表现的差异沉降不尽相同。埋深增加，收敛变形量值有减小趋势，收敛变形明显小于拱顶沉降[8-9]。 2)随着时间推移，含水率变化与沉降量表现出一定的规律性，在掌子面掘进过程中，监测点位置的含水率逐渐增加，且拱顶沉降量曲线斜率整体呈增大趋势; 3)隧道初期支护封闭成环以后，含水率虽持续增长但基本对围岩变形影响较小。

由图3分析可知，隧道埋深H=5 m时，随着开挖自由面形成，在空间上地表水向洞内径流补给距离短，表现为含水率迅速增长，拱顶沉降量曲线斜率呈增大趋势，尤其在下台阶开挖后至仰拱开挖阶段，上台阶含水率增加2.9%，拱顶沉降量增幅约87.5%，累计沉降量达217 mm。

图3 埋深H=5 m时，含水率与沉降量随开挖的变化曲线(2019年)

隧道埋深H=10 m时，地表水向洞内径流补给在空间上存在一定距离，且越向下部发展黄土致密性越好，对径流下渗具有一定阻滞作用。直到自由面打开，自下台阶开挖至仰拱开挖阶段，含水率曲线斜率快速增大，拱顶沉降量曲线斜率呈增大趋势，上台阶含水率增加2.1%，拱顶沉降量增幅约47.1%，累计沉降量达304.6 mm，如图4所示。

图4 埋深H=10 m时，含水率与沉降量随开挖的变化曲线(2019年)

因此，现场施工中表现出下台阶、仰拱开挖沉降变形速率大于中台阶变形速率，甚至有时也大于上台阶变形速率。当累计沉降量>250 mm时，拱部初期支护喷射混凝土面就出现了环形张拉裂缝，且随着时间的推移裂缝继续扩展，极易发生脱拱应力释放完全而导致隧道塌方事故，同时地表产生纵向凹陷面。DK213+885拱顶支护出现结构开裂情形，如图5所示； DK213+885地表出现凹陷面、纵向裂缝，如图6所示。

图5 DK213+885拱顶支护结构开裂

图6 DK213+885地表的凹陷面、纵向裂缝

由图7分析可知，隧道埋深H=20 m时，洞身基本位于Q2中更新统黏质黄土层，渗透性相对Q3上更新统黄土低，含水率曲线斜率呈现平缓增加-快速增加-饱和含水平稳形态，沉降量曲线斜率遵从快速增长-持续增长-趋于平稳的3阶段变化。自由面打开后，自下台阶至仰拱开挖阶段，上台阶含水率增加2.6%，拱顶沉降量增幅约42.3%，总累计沉降量达176 mm。查看地表可见左右对称于隧道中线的地表纵向裂缝[10]，裂缝与隧道中线之间的水平距离为13.5～13.87 m，中间形成纵向沉降槽。产生这种情况的原因是因为自由面打开后拱部为支护结构受力集中区，表现为拱顶初期支护结构下表面拉应力和剪应力值大，土体抗剪强度低，出现两翼沿开挖自由面形成滑动剪切破坏现象，地表逐渐形成纵向沉降槽，如图8所示。

图7 埋深H=20 m时，含水率与沉降量随开挖的变化曲线(2019年)

(a) (b)

3 三维数值计算模型及结果分析

3.1 模型建立及参数选取

针对上阁村隧道DK213+870～+910浅埋段变形开裂的情况，利用FLAC 3D软件建立三维仿真地质模型对隧道初期支护受力特征进行分析。隧道采用三台阶预留核心土法模拟，开挖工法与模型示意如图9所示。模型长、宽及下表面高度取4倍洞径，分别为125、80、73 m，上表面取埋深8 m至地表，地表Q3黄土厚度为10 m，其余为Q2黄土。

图9 开挖工法及模型示意

文献[11-13]通过室内试验、数值计算等手段对Q2、Q3黄土本构模型进行分析，研究表明低含水率黄土垂直节理发育特性可以用遍布节理准则中较小的节理黏聚力和垂直节理倾角模拟。本文选取双线性应变软化遍布节理模型模拟黄土围岩，根据室内试验给出计算参数。衬砌采用线弹性模型模拟。围岩物理力学参数与支护结构力学参数见表1和表2。

表1 围岩物理力学参数

表2 支护结构力学参数

3.2 围岩变形分析

为消除模型Y轴固定边界造成的计算误差，对模型中间断面数据进行分析。隧道开挖后，中间监测断面完整拱顶沉降LDP曲线如图10所示。数值计算可以完整展现上台阶初期支护施作前的超前位移和应力释放位移。由图10可知，模型计算出的最大沉降量为288 mm，超前沉降量为80 mm。与现场监测值相比相差5.7%，在合理误差范围内，验证了模型和取值参数的可靠性。掌子面超前位移占总位移的27.8%；上台阶开挖位移为76 mm，占总位移的26.4%。上台阶开挖后拱顶围岩变形量已经超过总位移的一半，说明隧道拱部初期支护承担了大部分的围岩荷载。

图10 纵向开挖中间断面拱顶沉降LDP曲线

Fig. 10 Settlement curve of crown of longitudinal intermediate cross-section

3.3 初期支护结构应力分析

3.3.1 拉应力

初期支护拉应力云图如图11所示。由图可知，上台阶拱脚到拱顶的拉应力值远大于其他位置的，隧道拉应力最大值出现在拱顶位置，向两侧拱脚依次递减。通过放大拱顶拉应力云图可以看出，衬砌下表面拉应力大于上表面拉应力值，达到4 MPa左右。取C25混凝土拉应力极限值为2.4 MPa[14]，此时隧道拱部拉应力值为抗拉极限强度的1.7倍，隧道拱部下表面极易产生张拉裂缝。衬砌拱部中部拉应力为1.88 MPa，上表面拉应力值为0.9 MPa，支护结构环向裂缝容易向内部发展。

提取隧道初期支护拱顶下表面拉应力随施工步骤变化数值，绘制拱顶拉应力变化如图12所示。由图可知，掌子面开挖完成并施作拱部初期支护后，拱顶拉应力迅速增大，增长速率最快。此时，隧道衬砌尚未成环，拱部初期支护承担了大部分的围岩压力[15]。随着中、下台阶开挖，拱腰、边墙衬砌施作，拱顶拉应力值增长速率有所减缓。仰拱封闭后，拱顶拉应力值变化幅度不大，拉应力值基本趋于稳定。

图11 初期支护拉应力云图(单位： Pa)

图12 初期支护拱顶拉应力变化

3.3.2 剪应力

初期支护剪应力云图如图13所示。由图13可知，初期支护剪应力最大值在隧道衬砌拱部下表面，与拉应力最大值所处位置相同，最大剪应力达到3.4 MPa。左右上台阶拱脚位置最大剪应力值均较大，为3.1 MPa左右，仰拱部位剪应力值非常小。可以看出，剪应力最大值均出现在隧道拱部衬砌内表面，这与拉应力最大值出现位置相同。可见拱部初期支护结构为隧道受力最薄弱处。

图13 初期支护剪应力云图(单位: Pa)

Fig. 13 Maximum shear stress nephogram of primary support(unit: Pa)

综上分析可知，研究段落隧道地层自上而下主要为上更新统黏质黄土Q3和中更新统黏质黄土Q2，其中Q3层厚5～15 m，Q2层厚15～120 m。黄土层质地松散、围岩强度低、自稳能力差，加上隧道埋深浅、开挖跨度大，以及地表水径流下渗影响，隧道开挖应力释放迅速。在条件复杂变化的情况下，隧道拱部初期支护变形和地表沉降发展速度快、量值大。对比图3(埋深H=5 m)和图4(埋深H=10 m)，两者均处于上更新黄土层Q3段落，埋深浅段地层饱和含水率先于埋深厚段到达，故而埋深浅段落相较于埋深厚段落沉降发展速度快，但埋深厚段落累计沉降量大于埋深浅段落，且累计沉降量>250 mm时，拱部初期支护就出现了环形张拉裂缝。这种现象的出现与黄土直立结构性有关，地表沉降变形值达到一定程度时产生可见的张拉裂缝，拱部上部形成垂直土柱，自重全部施加在结构上，导致支护结构迅速沉降变形，初期支护内表面拉应力迅速增大，引起隧道拱部沉降量大，甚至开裂。

故而建议在埋深H<10 m的段落采取必要的加密超前、加强锁脚支护措施，缩短开挖台阶步距。对于开挖断面位于Q3、Q2黄土层界面附近、埋深为10～15 m段落，黄土隧道施工安全的关键是加固隧道拱部松散围岩，改善地层结构性能，使得浅埋地层形成围岩压力拱，减小围岩超前变形量和隧道拱部围岩压力值，最终达到控制围岩变形的目的。

4 施工控制技术

4.1 地表注浆方案

为保证开挖安全，对隧道DK213+800～+760段洞身(拱顶覆土厚度约13 m)采取地表垂直注浆进行超前预加固，对隧道洞身开挖区域及开挖轮廓线外一定范围进行充填、劈裂注浆加固，增加土体自稳性[16]，处理措施如下。

1)洞身横向加固范围为隧道开挖轮廓线两侧各5 m，竖向加固范围为拱顶以上5 m至拱顶以下3 m，隧道开挖轮廓线两侧为仰拱底至拱顶以上5 m。

2)采用φ50 mm、厚度δ=3.5 mm刚性袖阀管垂直注浆，布管间距为2.0 m×2.0 m，呈梅花形布置，浆液扩散半径为1.2 m，注浆压力为2.0～3.0 MPa。

3)利用水囊式止浆塞实施后退式分段注浆工艺，分段长度为0.5～1.0 m。注浆浆液选用普通P·O 42.5硅酸盐水泥单液浆和水泥水玻璃双液浆mw∶mc=0.8～1∶1。水玻璃玻美度35～40 ° Bé，模数2.4。

4)注浆方法： 利用CL-600型地质钻机垂直于地面进行钻孔，将制作好的袖阀管下放入孔内，利用套壳料注入管向袖阀管周边孔隙内投入套壳料(套壳料采用水泥和膨润土混合液，配合比为水泥∶膨润土∶水=2∶1∶2)。通过下入注浆芯管(直径20 mm)和止浆塞实现后退式分层注浆。止浆塞通过手压泵加压至2 MPa时开始注浆，当注浆指标达到技术要求时，停止注浆并后退一段，进行下一阶段注浆。同时，刚注过浆的阀套会收缩，紧紧抱住套管防止刚注过的浆液回流到袖阀管中，若注浆效果不好需要重新补注浆时，可在套管的适当位置重新下入注浆塞，进行重注。地表注浆技术工艺见图14。

图14 地表注浆技术工艺

地表刚性袖阀管注浆加固范围剖面、平面布置如图15和图16所示。

图15 地表刚性袖阀管注浆加固范围剖面图(单位: cm)

图16 袖阀管注浆平面布置示意图(单位： cm)

4.2 效果评价

注浆后，地层中的缝隙逐渐被充填密实，注浆结石率高，能有效改善地表黄土垂直节理发育特性，使得节理开度不同程度地减小，洞内简化为采用三台阶法施工，小导管超前支护。对加固段采集监测数据显示，累计沉降量为160.2 mm，较加固前降低约47.4%，显然，地表注浆加固对围岩稳定性控制有效。地表袖阀管注浆加固掌子面围岩效果如图17所示，地表注浆加固后围岩监测情况如图18所示。

图17 地表袖阀管注浆加固掌子面围岩效果

图18 地表注浆加固后围岩监测情况(2019年)

在注浆前后分别取样进行室内土工试验，黏聚力、摩擦角、弹性模量等指标各自平均值增幅为10%～35%。为进一步验证刚性袖阀管注浆的处置效果，采用加固后的围岩参数对处置效果进行分析。围岩采用摩尔-库仑屈服准则，物理力学参数提高30%，具体数值如表3所示。

表3 加固后围岩物理力学参数

注浆加固后隧道竖向、横向位移云图分别如图19和图20所示。由图分析可知，在采取地表注浆加固之后，拱顶竖向位移减小至198 mm，相比加固前减小31%的拱顶沉降量。围岩横向位移最大值为82 mm，小于拱顶竖向位移，在后续施工过程中需要对隧道拱部变形情况进行重点监测。

图19 围岩加固后隧道竖向位移云图(单位: m)

图20 围岩加固后隧道横向位移云图(单位: m)

5 结论与讨论

1)黄土塬区浅埋慢坡段地层颗粒较粗，结构疏松，孔隙率高，含水率高，水敏性强，随地表水径流下渗影响，隧道开挖应力释放迅速，拱部初期支护变形和地表沉降发展速度快、量值大。

2)在Q3黄土地层埋深浅段饱和含水率先于埋深厚段到达，沉降变形速度快，但埋深厚段落累计沉降量又大于埋深浅段落。含水率与围岩沉降变形量增量正相关，但初期支护封闭成环后，含水率虽持续增长但对围岩变形影响基本较小。当累计沉降变形量>250 mm时，隧道结构最不安全，易产生环向张拉裂缝。

3)建议埋深H<10 m段落采取必要的加密超前、加强锁脚支护措施，缩短开挖台阶步距。对于开挖断面位于Q3、Q2黄土层界面附近、埋深H为10～15 m段落，黄土隧道施工安全的关键是加固拱部松散围岩，改善地层结构性能。数值计算结果表明，地表袖阀管注浆能有效加固黄土围岩、改善黄土的结构性能，有效控制地表沉降和围岩变形。

4)浅埋隧道地质地形条件复杂多样，设计、施工通常采用经验法、类比法进行，这可能难以满足未来浅埋大断面隧道建设需求，后续可针对浅埋黄土隧道设计荷载计算方法，自稳状态下界限含水率、围岩含水率变化规律及支护受力特性等方面进行研究。