软弱膨胀性泥岩隧道变形控制技术研究

范 军 胜

(中国水利水电第七工程局有限公司 国际工程公司, 四川 成都 610213)

1 概 述

在软弱围岩隧道开挖过程中常伴有隧道变形发生。根据变形发生部位的不同可分为地表变形和洞内变形，其中地表变形又可分为地表沉降和地表滑移；而洞内变形则根据其部位的不同又可分为拱顶沉降、拱脚变形和基底变形。以热带雨林地区修建的某软弱膨胀性泥岩隧道为例，其两条隧道共有1 694 m处于Ⅴ级围岩中，隧道开挖断面面积为152.45～165.55 m2。该隧道的开挖采用挖机配合铣挖头进行开挖。

由于隧道在开挖过程中会遇到渗流和震动，加之自身应力重新分配会导致隧道的各个部位产生位移或变形。变形不仅会影响到隧道的稳定、导致施工风险的产生，还会引起侵限问题，导致后续的衬砌施工要重新换拱，不仅影响工期，而且会给工程增加很大的成本。如果能够确定隧道变形的机理、范围和取值并在施工中进行动态优化，及时调整施工参数，将在加快隧道施工进度和降低安全风险的同时产生显著的经济效益。

关于隧道的变形机理，很多人都进行了研究。任博[1]等结合已有工程案例的数据，分析并得出整体沉降与支护闭合前的挠曲变形是隧道大变形主要来源的结论。郭波前[2]利用理论分析和现场实测数据反馈结果等综合方法，综合分析了高地应力区隧道的围岩变形特征及机制，得出了围岩变形分区的结论。李春清等[3]在对比总结前人研究成果的基础上，提出了大断面黄土围岩纵向位移的变化曲线(Loess曲线)，并推出了黄土隧道围岩的预留沉降量计算公式。陈智等[4]提出了基于隧道参数反演的隧道预留沉降量动态调整方法。杨建民等[5]通过现场测试结果，分析出郑西高铁贺家庄隧道的拱脚压力过大是导致其初期支护沉降过大的主因。王鹏[6]经过对开挖过程中各工序过程变形量的研究，提出了围岩总变形量的理论公式。

但是，以上隧道变形机理的分析多数为定性分析，而且分析预留变形量的较多，很多参数还只是依赖现场施工经验或测量数据，而且在国内的工程施工实践中没有热带雨林的膨胀性软弱泥岩隧道开挖案例。阐述了以印度尼西亚雅万高铁2号和4号隧道Ⅴ级围岩开挖实践过程为依托，结合开挖过程中的测量数据对软弱膨胀性泥岩隧道进行的变形分析，及时掌握隧道变形信息并依据理论计算和测量结果对各种围岩状况下隧道的预留变形量进行了动态调整，确保了隧道施工安全，实现了初期支护面最小预留变形量及技术经济优化的目标。

2 隧道变形原因分析

2.1 隧洞施工情况

(1)2号隧道。2 号隧道总长1 030 m，全段围岩为Ⅴ级，表覆第四系更新统火山堆积层(Qos)黏土，下伏第三系中新统 subang 组(Msc)泥岩，黏土具有弱膨胀性，泥岩具有中等膨胀性，自由膨胀率为68%～80%，洞身范围为全风化～强风化泥岩。隧道洞身存在基岩裂隙水，渗透系数为0.02 m/d，预测最大涌水量为905 m3/d，正常涌水量为382 m3/d。衬砌类型为 Vs-p-1和Vr-p复合式衬砌；超前支护采用φ89 mm 中管棚和φ42 mm超前小导管,施工采用三台阶临时仰拱法或CRD法。2号隧道围岩分段统计情况见表1。

表1 2号隧道围岩分段统计表

(2)4号隧道。4号隧道总长1 315 m，其中Ⅴ级围岩长度为664 m，分布的地层从新至老包括第四系坡积层(Qdl)黏土、第四系更新统火山堆积层(Qos)黏性土、碎石类土及泥岩(半成岩)；新生界安山岩(ha)；第三系中新统Jatiluhur组(Mdm)泥岩、火山角砾岩。 其中黏性土具中等膨胀性，自由膨胀率为42%～61%。水文地质条件为第四系孔隙潜水及基岩裂隙水，渗透系数为0.1 m/d，最大涌水量为859 m3/d，正常涌水量为328 m3/d。该段复合式支护类型为Vs-p-1，超前支护措施为φ108 mm超前大管棚+超前小导管。Ⅴ级围岩施工工法为三台阶临时仰拱法或CRD法， 4号隧道Ⅴ级围岩分段统计情况见表2。

表2 4号隧道Ⅴ级围岩分段统计表

2.2 沉降因素分析

众所周知，在诸多文献中已经阐述过隧道施工期发生沉降的原因。对于一般隧道而言，主要是施工期间的扰动致使围岩内部的应力重新分配引起的变形，该变形由两部分组成，分别是整体的向下沉降和结构的挠曲变形。但对于膨胀性泥岩而言，还应该包括泥岩软化产生的膨胀变形，同时，施工期间的爆破扰动导致的沉降量也需要考虑在内。以下对导致围岩产生变形的原因进行了分析。

2.3 初期支护施工时间

从隧道开始开挖到初期支护完成需要经历开挖、出渣、排险、初喷、立架、挂网、打锁脚、打超前小导管(上台阶)、注浆、喷浆等工作。在开挖与初期支护过程中因工序多、各施工班组交替作业、工序的衔接不畅和工序时间超标都会使初期支护时间增加。在没有完成初期支护的情况下围岩会持续风化、膨胀和软化，而持续不断的变形会导致初期变形增大，从而增加隧道的总变形量。

2.4 单循环进尺长度

单次进尺的长度一方面会影响各个工序完成该进尺的时间，另一方面也决定了该进尺施工过程中暴露在初期支护状态下的面积。对于同样的施工工法、同样的施工班组，在不考虑单榀拱施作时工效差异的情况下，与每次进尺长度相比较，其进尺长度越长会导致所有工序的时间变长，也会成倍增加围岩的暴露面积和时间。因此，进尺的长度将通过以上两个因素直接影响隧道开挖的初期沉降量。

2.5 膨胀泥岩渗水产生的变形

为充分说明膨胀泥岩遇水膨胀对隧道变形的影响，选取了2号隧道和4号隧道进行说明，具体情况如下。

(1)2号隧道的膨胀变形。施工过程中，2号隧道DK74+817～DK74+789里程发生了较大沉降并全部侵限。

经现场踏勘发现，发生较大沉降部位附近的掌子面揭示围岩上台阶为全风化泥岩，呈土夹碎石状，中下部为强风化泥岩，少量渗水，拱顶全风化层稳定性较差，围岩分级仍为Ⅴ级较差类型。掌子面覆土厚度约为23 m，附近地表距隧道中线右侧17～30 m 范围内几处砖房出现较大的开裂，地表出现宽度为5 ～15 cm的贯通裂缝。

隧址区范围内雨季部分冲沟内有季节性流水。现场施工记录了2号隧道各施工里程的含水量及沉降量，2号隧道已施工里程含水量及沉降量对照情况见表3。

表3 2号隧道已施工里程含水量及沉降量对照表

(2)4号隧道的膨胀变形。在4号隧道施工过程中，DK77+000～DK76+945发生了较大的沉降变形并发生了侵限。在隧道掌子面前方约25 m(里程约DK77+020)地表处发现垂直线路方向、长度约为20 ～25 m、宽度约为10～30 cm的裂缝。在DK76+996断面进行中管棚施工时管棚成孔向外股状涌水明显。暴雨过后，洞内初期支护漏水严重，单日最高沉降量达62.2 mm，位于DK76+988与DK76+991断面的初期支护出现开裂，监控量测显示两天内K76+990处拱顶沉降达203 mm，裂缝宽度达5 cm；DK76+985.8～DK76+996左侧拱肩部位初期支护明显向内挤压变形并已侵限，最大侵限量为39.8 mm。

现场施工记录了4号隧道各施工里程的含水量及观测到的拱顶沉降量。 4号隧道已施工里程含水量及沉降量对照情况见表4。

表4 4号隧道已施工里程含水量及沉降量对照表

结合2号隧道和4号隧道的涌水情况与对应的拱顶最大平均沉降值可以看出：水量较大时其相应的拱顶平均沉降值明显偏大，两者呈正相关关系。对于膨胀性泥岩隧道而言，遇水膨胀变形导致的沉降明显。由此可知，软弱膨胀性泥岩隧道的遇水膨胀变形也是引发隧道变形的一个关键性因素。

3 沉降量的确定

3.1 沉降量的表达式

隧道Ⅴ级围岩的开挖采用三台阶临时仰拱法,根据对文献[6]进行的研究，施工期隧道围岩的总变形量u可表示为：

u=u1+u2+u3+u4+u5

(1)

式中u1为掌子面未开挖时的超前变形；u2为掌子面开挖后至第一次观测这段时间的变形；u3为上台阶开挖引起的变形；u4为中台阶开挖引起的变形；u5为下台阶开挖引起的变形。

同时，考虑到软弱膨胀性泥岩隧道在开挖遇水之后要发生膨胀变形，因此，适用于软弱膨胀性泥岩的隧道的总变形量可以表示为：

u=u2+u3+u4+u5+u6

(2)

式中u6为隧道泥岩膨胀引起的变形。

3.2 沉降量数值

目前，对隧道沉降量数值的确定主要有四种方法，分别是数值模拟、公式计算、工程类比和测量观测。

数值模拟的方法见于诸多文献[4]，[7～9]，主要是利用ANSYS等有限元软件的CFD模块进行模拟求解。

李春清等人对大断面黄土隧道纵向位移进行了研究，发现围岩纵向位移占总位移的比例在隧道半径一半范围内呈线性分布关系，其线性方程为：

y=ax+b

(3)

式中x为围岩已知沉降距离开挖掌子面的距离与隧道开挖半径的比值;y为围岩纵向位移占总位移(Ur)的比例(%)；a为线性系数；b为初始位移比，两者均可通过现场观测数据反推得到。

工程类比是根据以往类似工程的变形数据进行类比套用。但由于热带雨林的膨胀性泥岩隧道难以在国内寻找到对应的类似工程，因此，该方法不适用。但是，可以根据已有施工段的变形情况，按照临近施工部位的上中下台阶的分配系数反算隧道的最终沉降量。

测量观测是在初期支护面上埋设观测标进行观测，通过观测各个断面的数据可以获得相应的信息，从而根据处理结果进行预警和调整施工参数的方法。不同文献中上中下台阶初期支护沉降量占总沉降量的比值见表5。

表5 不同文献中上中下台阶初期支护沉降量占总沉降量的比值表

4 工程应用

为了检验以上方法在雅万高铁隧道施工中的适应性，项目部选取了2号隧道DK74+020～DK74+050和4号隧道DK77+963～DK77+993两段作为试验段进行了相关的观测和分析试验，结果发现：试验段施工时采用设计的预留沉降量能够满足要求，并根据观测结果反算出上台阶、中台阶、下台阶和隧底开挖初期支护过程中沉降值占总沉降的比例，并且换算出式(3)中的a、b值。最终通过试验获得了各项参数值，采用各种方法得到的沉降值及参数汇总情况见表6。

表6 采用各种方法得到的沉降值及参数汇总表

5 变形控制方法

5.1 变形量预测流程

采用上述方法进行预留沉降量预测后，通过监控量测法及时对沉降部位进行核对，对于与预测情况不符的情况及时进行调整。

5.2 变形量预测的实施

5.2.1 布置观测点

对于Ⅴ级围岩，大部分使用三台阶临时仰拱法施工。现场根据施工工序的调整，少部分部位使用CRD法施工。三台阶临时仰拱法开挖测线布置情况见图1，CRD法开挖测线布置情况见图2。

图1 三台阶临时仰拱法开挖测线布置示意图

图2 CRD法开挖测线布置示意图

隧道内所有量测点均采用全站仪配合反光片进行观测。所有量测点的观测均严格按照《铁路隧道监控量测技术规程》(Q/CR 9218-2015)中的要求观测。在Ⅴ级围岩中，量测点的布置为每5 m布设一个断面，出现沉降突变时加密观测频次。

5.2.2 预测采用的变形量及数据处理方法

在现场施工过程中，应对量测到的数据及时进行整理、核对并绘制量测数据与时间的关系曲线，同时绘制与开挖面距离的关系曲线，再根据现场实际施工情况对数据进行处理回归分析。

(1)依据回归分析，预测位移、收敛、拱顶下沉并确定其最终值；

(2)以位移和时间曲线为基础，根据位移、速率分析围岩的支护稳定性。

5.2.3 变形控制标准

在隧道开挖过程中，如果隧道的实测最大位移超过极限位移，隧道很可能会发生失稳破坏。为确保隧道施工安全，在量测数据采集后应及时进行数据的整理与分析，严格按照隧道监控量测位移控制基准等级进行判断并采取相应的工程对策。隧道初期支护极限相对位移参照表见表7。

表7 隧道初期支护极限相对位移参照表

根据位移控制基准，位移管理等级可以分为三个等级，位移管理等级及相应应对措施见表8。

表8 位移管理等级及相应应对措施表

6 工程应用效果分析

在采用上述基于各种变形量预测的动态调整方法后，该工程在雨季施工时水量大的情况下仍安全地度过了2号隧道DK74+200～DK74+220段和4号隧道DK77+963～DK77+993段。

7 结 语

基于变位控制原理，根据数值模拟、工程类比、公式计算和实际的观测结果对已开挖部位的预留沉降量进行了系统研究，对几种方法的适应性进行了对比分析，提出了针对不同围岩类型和渗水状况下预留变形量的控制方法，并以此作为控制隧道预留沉降量的预测依据构建了隧道开挖预留沉降量的动态设计体系，取得的主要结论为：

(1)在其他条件相同的情况下，隧道开挖至初期支护完成的时间长短对隧道的初期变形具有很大的影响；

(2)对于软弱膨胀性泥岩隧道，隧道的渗水量和泥岩的膨胀特性直接决定隧道的膨胀变形量；

(3)对于同一条隧道而言，不同的预留变形量控制方法适应性不同，不能一概而论地进行照搬预测，一定要根据所施工隧道的工程地质特性对有效的预测方法进行识别，动态的选择预测预留沉降量方法的组合以提高预测的准确性。

同时，各种方法预测的变形量可能会有所差异，但其所反映的基本原理和趋势仍具有一定的指导意义，在施工过程中可以借鉴相应的规律作为变形量宏观调整的依据。