类土质隧道大变形机理及处治方案

汪祥国

(中铁十一局集团第二工程有限公司 湖北十堰 442000)

1 引言

近年来，随着我国经济建设的进行，铁路公路网络的修建完善了促进我国城市经济交流、带动国家经济持续稳定增长的重要环节，进而拉动了我国隧道建设规模的扩大，使得我国在隧道建设领域积累了丰富的经验。

在修建山岭隧道的过程中，经常会遇到围岩软弱破碎等复杂地质条件，进而导致开挖施工中发生挤压性大变形的问题，围岩会迅速且长时间持续发生变形，支护结构在持续受力后超过承载极限[1]。闫红江等[2]在丽江-香格里拉铁路中义隧道观测发现，自2016年初开挖后隧道进出口和横洞工区相继出现隧道大变形，最大日变形量大34 mm，最大累计变形量达到1 000 mm，变形持续到2018年末；戴永浩等[3]在大梁隧道发生大变形导致初砌失效、部分围岩垮塌后通过有限元分析实现数值模拟并提出了针对性的支护措施。

为了解决和预防大变形，许多学者针对大变形软岩隧道进行了一系列研究，李术才等[4]对国内外隧道工程修建过程中面临的大变形问题进行系统的总结探讨并提出了一系列预防和治理的对策；廖烟开等[5]对软岩大变形作出了系统分类；徐国文等人[6-8]通过比选试验发现在围岩条件差的情况下才用三台阶法可有效控制大变形灾害的发生。以上的研究成果，对软岩隧道开挖施工与设计提供了重要指导作用。

本文以白竺3号隧道为例，结合隧道变形监控数据对软岩隧道大变形及破坏机制进行分析，并通过设计处治方案，提出支护措施，最后通过工程实践验证方案合理性。

2 工程概况

江西萍莲高速白竺3号隧道(ZK26+205～ZK27+280/YK26+200～YK27+295)为萍乡至莲花高速公路的一段公路隧道，隧道长度为1 075/1 095 m，为一分离式隧道，位于江西省萍乡市。隧道区地貌地形属剥蚀丘陵-低山，高程为379.00～560.80 m。左、右隧道进口位于圆曲线内，半径均为2 550 m，出口左右线均位于缓和曲线上，隧道为人字坡，两侧纵坡分别为2.2%和2.447%，隧道单洞正常涌水量707.87 m3/d，最大涌水量2 063.63 m3/d。萍乡端洞口采用端强式，莲花端采用削竹式。

隧道出口施工至194 m时，掌子面桩号为YK27+101，设计Ⅴ级围岩，实际开挖掌子面发现围岩为全、强风石英砂岩及粉质黏土，灰褐色，为类土质围岩，岩体较为破碎，呈碎裂状结构，裂隙发育，掌子面出现些许渗水，出口掌子面开挖情况如图1所示。

图1 出口右洞掌子面开挖情况

继续开挖的过程中，初衬部分失效，部分围岩发生掉落和垮塌现象。在YK27+030～YK27+040段还出现严重侵限的现象，如图2所示。这给后续施工带来了巨大困难，因此需要设计处治方案解决大变形问题。

图2 YK27+030～YK27+040段侵限处围岩

3 现场监测与大变形原因分析

3.1 大变形监测断面布置

隧道围岩现场监测点布置为图3所示，以YK27+040和YK27+047为典型断面进行监测。每个断面布置1个沉降观测点和2条水平收敛观测线(1、2)。

图3 监测点布置示意

3.2 典型变形破坏段监测数据分析

通过实时跟踪监测，可以获得两个典型断面的变形数据(见图4)。

图4 现场监控量测折线图

从监测数据结果来看YK27+047断面拱顶下沉位移较大，且随时间的增长变形在持续变大，增长趋势没有缩减，水平收敛值较为稳定。而YK27+040断面水平收敛位移以及拱顶下沉位移均随时间急剧增长，偶而有平缓后继续保持增长。由图4可知，在8月14日至8月31日期间，YK27+047断面拱顶下沉最大值约为300 mm，YK27+040断面拱顶下沉最大值约为450 mm，水平收敛最大值约为170 mm，远远大于规范中所限定的同级围岩的规范值。上述围岩持续变形的过程导致了大变形灾害的发生、隧道初期支护出现侵限，对隧道施工安全带来了巨大隐患。

3.3 大变形破坏成因机理分析

针对白竺3号隧道发生大变形等现象进行进一步的研究分析，对上述灾害产生的原因探讨大致如下:

(1)开挖过程中，围岩由中风化砂岩过渡到全、强分化页岩和石英砂岩，为残坡积层，发育有断层破碎带，承载能力较低，岩体中构造应力难以聚集，原始应力以自重应力场为主[9]。且隧道属于偏压段，围岩所受荷载较为不均匀，支护结构应力相差大。这是造成大变形灾害的基本原因。

(2)隧道在洞口附近与白竺电站引水隧道交叉，引水隧道位于隧道顶板之上40 cm。虽然通过设计将引水隧道往东侧改移，但还是导致隧道整体地质条件变差。同时地表水丰富，进出口段山间小溪中常年有水。该段自进洞到灾害发生一直处于富水状态，开挖断面围岩突然变弱，出现渗水并导致部分全风化弱岩发生崩解，泥化速度快，稳定性较差[10-12]。受水影响，洞内围岩自身强度显著下降，水浸泡后呈稀泥状，致使初期支护不同程度的收敛下沉，整个隧道甚至有断面拱顶下沉量达70 cm。

4 围岩大变形段处治方案

为应对白竺3号隧道施工过程中出现的大变形问题，提出了大变形段有关处治方案。

4.1 隧道洞口预加固处治

通过设置超前管棚于两端洞口，减弱隧道支护的偏压，使围岩能承受开挖后形成的高应力。超前长管棚采用热轧无缝钢管 φ108×6 mm，外插角1°～2°，环向间距50 cm，节长3、4、6 m。管棚导管前端呈尖锥状，管壁四周钻12 mm压浆孔，尾部2.5 m不设压浆孔，注浆采用单液注浆，参数如下:水泥浆水灰比 1∶1，注浆压力0.5 ～1.0 MPa。

4.2 加强初期支护强度

改进隧道初期支护措施，调整为 20工字钢支撑，间距为0.5 m，砂浆锚杆间距1 m×0.5m矩形，锚杆长度为3.5 m，初支喷射混凝土厚度为27 cm。同时用超前支护的措施控制围岩的变形:使用超前小导管(见图5)从工字钢腹部穿过或尾部焊接于钢架上。小导管采用5 m长φ42 mm热轧无缝钢管，管壁厚5 mm，导管纵距根据工字钢间距不同，分别有3.60 m和3.75 m，外插角15°～18°。导管前端呈尖锥状，管壁四周钻6mm压浆孔，尾部1m不设压浆孔，注浆采用单液注浆，参数如下:水泥浆水灰比1∶1，注浆压力0.5～1.0 MPa。衬砌混凝土采用C30防水砼，使用一层或两层φ8焊接钢筋网。

图5 小导管径向注浆

4.3 塌腔体处治措施

对于隧道塌腔体，先对掌子面进行填土，反压回填稳定掌子面，采用喷射砼封闭塌腔岩面，然后对塌腔进行封堵，采用泵送砼回填塌腔体，控制回填砼厚度，减少回填自重，然后进行径向打设间距1 m×1 m的5 m长φ42×5 mm小导管注浆稳定变形初支，最后施作长9 mφ89×6 mm注浆长管棚对塌方区及掌子面前方进行预加固。

4.4 加强隧道防排水措施

选用EVA防水板(与密度不小于350 g/m2土工布分点粘结)。在原有的排水措施的基础上，针对初期支护渗漏水较为集中处采用Ω型弹簧排水管，其技术标准为拉伸钢丝与塑料脱离负荷≥250 N；低温(-30℃)弯折无裂缝、无变形；抗渗透性:3.0 MPa/24 N不渗漏水。加强隧道纵向排水，采用φ160双壁打孔波纹排水管，外包350 g/m2土工布。

4.5 优化施工方法,加强监控量测

在隧道施工过程中，根据围岩变形情况，适时调整施工方案为三台阶七步开挖法。加强施工监控量测，通过分析监控量测的数据可以及时了解施工段围岩变形状况，便于及时更新问题处治方案，保护安全施工条件。根据需要调整预留变形量为30～50 cm。

5 处治效果分析

为掌握大变形段处治后围岩变形状态变化，对YK27+040和YK27+047两典型断面的后续监控量测数据进行分析，时间与累计变形量趋势折线如图6所示。

图6 处治后现场监控量测折线图

采取专项处治措施后，由围岩累计变形量可看出，围岩变形得到了有效控制。最大累计沉降值都控制在较平稳范围，沉降速率在40 d后趋于稳定。YK27+040段拱顶沉降也在30 d左右稳定在450mm左右，水平收敛稳定在200 mm左右，没有再高速增长，围岩趋于稳定。

采取处治方案后，隧道大变形得到有效控制，围岩塌方、初衬开裂现象在此后两个月内均较为少见，围岩变形也保持在正常范围内，证明了处治方案的有效性和合理性。处置方案保证了该洞段的顺利施工，避免了施工成本的增加。

6 结束语

以类土质隧道——白竺3号隧道发生大变形灾害为例，通过对该隧道各项地质、物理指标进行分析，归纳出该隧道发生大变形破坏的影响因素和产生原因，同时在快速处治后得出如下结论:

(1)类土质隧道围岩大变形体现在初期支护发生形变、侵限，拱顶围岩发生快速下沉等破坏形式。

(2)大变形是多种不良地质、水文等因素共同作用的结果。首先，类土质隧道自身围岩较为软弱破碎，导致围岩承载能力较弱，这是导致大变形产生基本的缘由；其次，地下水对围岩的崩解软化作用也是类土质隧道发生破坏的另一个主要因素；再者，处于偏压段的同时洞口未做特殊处理、未使用预留核心土三台阶法等施工工艺问题也是客观因素之一。

(3)此次大变形灾害再一次证明重视隧道监控量测并对其数据进行系统记录分析的科学性和重要性，这些施工数据的记录以及相关研究都将为今后的设计施工提供强有力的参考依据。

(4)对于可能发生大变形的类似地段，应采用超前地质预报等手段以加强不良地质的调查，同时可以采取超前小导管或超前锚杆配合注浆的施工加固方法，减少可能的变形灾害，最终达到节约成本的效果。