喀鲁莫其隧道初支大变形的处置措施研究

任永强，乔 雄，刘文高，倪伟淋，黄锦聪

(1.甘肃省远大路业集团有限公司，甘肃 兰州 730050; 2. 兰州理工大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730050)

0 引言

我国西部地区地质情况较复杂，在隧道建设的过程中往往会出现初支开裂、拱顶下沉以及结构大变形等病害，针对隧道开挖过程中出现的类似问题，诸多学者在实际工程中进行了大量的理论分析与现场研究，探讨了隧道开挖过程中围岩的稳定性与安全性，为工程建设提供了可靠的理论基础和实例参考。

一般情况下隧道开挖过程中围岩本身具有一定的承载能力，但由于岩体结构和力学性能的差异导致围岩承载强度有所不同，因此，在同一开挖条件下软弱围岩相比于较坚硬围岩的承载能力将有所下降，会出现围岩自身承载力不足而导致的初支开裂和变形等问题，为解决此类隧道病害问题，何乐平、戴世伟等[1-2]对大量软岩隧道的病害原因及处治方法进行了研究，提出了新的云模型综合风险评价方法和从事故出发逆推事故致灾因素耦合机制的方法，对软岩隧道病害的预防和隧道安全评估做出了贡献。Jiang、李天斌等[3-7]通过对隧道变形里程内的地质条件以及变形特性进行大量的工程实践，发现导致软弱围岩隧道大变形的重要原因，是水对围岩的软化作用产生的，软弱围岩遇水后出现了结构破坏和承载强度降低的现象，隧道整体结构受力增大，发生承载结构的破坏。韩常领、谭忠盛等[8-9]基于现场实测数据进行了不同支护类型下围岩的变形和支护的受力特性分析研究，同时结合数值模拟的方法，比较分析了不同支护类型对于控制围岩变形的可行性。王治才等[10]通过现场实测的方法，对隧道断面的初支变形和拱架受力等进行了受力分析，并根据各支护体系间接触压力的断面分布模式分析了隧道支护结构的协同作用机理。鲍先凯等[11]结合现场实测数据，利用MIDAS/GTX研究对比分析了3种不同施工方法的拱顶沉降、水平收敛和仰拱隆起的变化规律，结果表明双侧壁导坑法可以有效保证隧道的施工安全。李廷春[12]通过现场实测数据结合大型工程试验的方法，得到采用超前导洞技术能够有效地降低隧道施工过程中产生的变形速率。上述研究表明，目前针对软弱围岩隧道的施工方法优化和变形控制都取得了较好的成效。

关于隧道大变形产生机理以及控制措施，国内学者进行了大量的研究工作，并在理论和实践中取得了一系列的成果，如兰新铁路的乌鞘岭隧道[13]、兰渝铁路的木寨岭隧道[14]和青藏铁路关角隧道[15]等，在很大程度上降低了隧道施工成本和缩短了施工周期，并保证了隧道施工的安全性和支护结构的稳定性。经过长期的研究，软弱围岩隧道变形的机理以及控制技术都有了很大的进展，但由于不同隧道的施工特点以及变形控制理念的不同，无法形成具有普遍适用性的应对标准。为此，本研究以建设中的喀鲁莫其隧道为依托，通过岩性分析查明变形原因，提出了变更设计参数、换拱等处置措施，并通过数值模拟的方法验证了该措施的可靠性以及可行性，有效避免了后续隧道建设中初支的开裂和变形，保证了隧道的安全性和施工进度。

1 依托工程概况

1.1 工程概况

卓尼到合作高速公路上的喀鲁莫其隧道，位于卓尼县完冒乡沙冒后村北约2.5 km处，S306省道旁，交通较便利。隧道按左、右线分离式设计，间距约30 m。左线隧道全长2 195 m；右线隧道全长2 145 m，属长隧道。

隧道区域山体形态多呈浑圆状，山脊较宽，草被发育，高程处于3 145～3 340 m，相对高差195 m，隧道左线最大埋深187.57 m，右线最大埋深188.93 m。隧道整体围岩以中风化板岩为主，竖向薄层状、节理裂隙发育，同时节理裂隙充填有较多软弱夹层。此段落隧道支护参数为：超前支护采用Φ22药卷锚杆，环向间距50 cm，每环23根；初期支护钢拱架为I16，纵向间距100 cm；仰拱采用厚度为40 cm，C30混凝土结构。

1.2 病害发生段围岩情况

喀鲁莫其隧道ZK108+160-ZK108+180区域地处秦岭东西向构造带西端、合作市地处青藏高原东北边缘；北邻祁吕贺山字型构造体系前弧西翼；西毗康藏歹字型构造体系；东部已达武都弧型构造体系的端部，使本区断裂、褶皱十分发育，构造形迹主要呈北西西向、北北西向展布。

隧道采用两台阶法施工，在桩号ZK108+150处的上台阶施工1～2 d内，距掌子面后方40 m位置处ZK108+010-ZK108+110段落于2020年10月30日出现初支变形增大，拱顶部分出现喷射混凝土的脱落以及开裂的现象，且变形部分有着明显的持续增长，变形速度量值较大，纵向连接钢筋以及初支钢拱架已出现强拉变形，且变形较大，上台阶拱脚处的初支钢拱架已发生断裂，随时会出现整体失稳而坍塌，变形监测数据显示上台阶拱脚位置变形最大且出现突变现象，现场情况如图1所示。

图1 初支破坏现场Fig.1 Site of initial support damage

地勘报告显示，ZK108+010-ZK108+110处围岩以中风化板岩为主(如图2所示)，近乎竖向薄层状，节理裂隙发育，同时节理裂隙充填有较多软弱夹层，且掌子面横向和斜向发育多条小的裂隙带，岩体较破碎，岩芯多呈短柱状，局部碎块状。地下水为基岩裂隙水，主要赋存于板岩节理裂隙中。施工时洞室会有渗水、滴水现象，局部地段会出现“淋雨”情况，受雨季影响较大。发生初支大变形的段落洞室埋深为153～187 m，稳定性较差，顶部无支护可能会发生掉块、坍塌现象，侧壁有时会出现失稳。

图2 病害发生段地质纵断面图Fig.2 Geological longitudinal section of the section where disease occurred

2 病害产生及原因分析

2.1 围岩级别的确定

通过对现场隧道围岩进行勘测发现，结构面发育程度高，主要结构面倾角为52°，主要结构面走向与隧道轴向之间的夹角约为30°。根据《公路隧道设计规范》(JTG3370.1—2018)[16]确定岩体完整性系数Kv=0.55，如表1所示，可得BQ为325。根据现场调查结果和饱水单轴抗压强度试验成果，对BQ值进行修正，K1=0.52，K2=0.48，K3=0，得到[BQ]=225，从而判定该段隧道围岩级别为Ⅴ级，属于软弱围岩。

表1 Jv与Kv对照表Tab.1 Comparison table of Jv and Kv

2.2 断面收敛监测

为保证施工的安全性，探究隧道初支结构的变化情况，在初支大变形段落选择ZK108+063断面对拱顶下沉、拱腰以及拱脚收敛进行监控量测。拱顶下沉采用水准仪、水准尺和钢卷尺进行监测(CL04A电子水准仪高程精度达到±0.1 mm)，水平收敛监测仪器采用SWJ-IV隧道收敛计(量测误差限为±0.02 mm)，具体监测方案如图3所示。

图3 隧道断面监测方案Fig.3 Tunnel section monitoring scheme

自2020年10月30日开始对隧道ZK108+063断面进行监控量测，得到该断面处各位置累计下沉曲线与下沉速率曲线如图4所示。监测过程中(11月3日)隧道拱脚收敛出现了突变，变形呈现出持续增加的趋势。拱顶最大下沉值为13 mm，拱腰最大收敛值为24 mm，拱脚最大收敛值为50 mm，拱脚处收敛值以及变化速率均大于拱顶位置，拱脚最大收敛速率为29 mm/d。

图4 ZK108+063处断面变形曲线Fig.4 Section deformation curves at ZK108+063

2.3 病害原因分析

通过上述围岩级别的划定及现场变形监测结果，对喀鲁莫其隧道出现病害的原因分析如下：

(1)ZK108+010-ZK108+110段围岩主要以中风化板岩为主，节理裂隙发育，同时节理裂隙充填有较多软弱夹层，结构整体完整性差，无自稳能力。现有支护形式不能够满足此类围岩的应力需求，开挖过程中出现围岩的坍塌和脱落，初支变形逐渐增大，各位置出现变形且持续增加，拱脚收敛出现突变，从而使得原支护结构产生破坏。

(2)结合地质勘探确定围岩级别为Ⅴ级，隧道走向与断裂带走向小角度相交(小于30°)，造成断裂带在隧道内的延伸大，断裂带蠕变突显，地应力的释放时间长，同时由于拱顶左、右侧围岩裂隙发育程度高，拱脚处有渗水现象，加剧了围岩整体稳定性变差，故施工过程中拱部、边墙坍塌现象严重。

(3)隧道围岩的稳定性在一定程度上也受到各种工序的影响，岩体在开挖扰动的影响下表现出较差的完整性和稳定性，并且开挖面拱顶位置存在掉块现象。特别是上下台阶落底时，在没有及时完成闭环的情况下，会使得应力作用于某一薄弱区域，使得围岩位移极易产生突变，从而造成初支的破坏。

3 处置方案设计与施工

3.1 处置措施

喀鲁莫其隧道ZK108+010-ZK108+110段地质情况复杂，围岩结构变化较为明显，整体稳定性较差，按原设计条件进行支护不能够满足承载能力要求，故出现初支的开裂和下沉现象，因此对于喀鲁莫其隧道ZK108+010-ZK108+110段进行病害处置。

将原设计SIVb支护参数调整为SVa支护参数，调整后的参数为：超前支护Φ42超前小导管，环向间距40 cm，每环31根；初期支护钢拱架为I18纵向间距80 cm，仰拱拱架闭合成环；上下台阶采用22 cm厚的C25喷射混凝土；锁脚采用Φ22药卷锚杆；系统锚杆采用Φ22药卷锚杆支护，环向间距1.2 m，纵向间距1 m；边墙、拱部采用40 cm厚的C30钢筋混凝土，仰拱采用45 cm厚的C30钢筋混凝土。设计变更内容具体如表2所示，变更衬砌结构设计如图5所示。

表2 变更优化内容Tab.2 Modification and optimization contents

图5 变更衬砌结构设计图Fig.5 Design drawing of modified lining structure

3.2 数值模型建立3.2.1 有限元模型的建立

为了探讨变更后的支护参数设计方案是否能够满足承载力的要求，对喀鲁莫其隧道ZK108+063断面处采用MIDAS/GTX NX软件建立了隧道开挖平面有限元模型，二维有限元模型如图6所示。为了减少边界条件和模型尺寸对数值模拟结果的干扰，模型左右采用水平约束，模型底部采用全约束，模拟范围取洞径的3～5倍[17-19]，该隧道施工方案优化断面洞径为11.9 m，故模拟范围可为35.7～59.5 m，根据现场地质条件情况，取模拟范围为44 m。上部取至山顶表面，研究段落隧道埋深162 m(见图2)，其中0～2 m范围内为碎石，2～50 m范围内为强风化板岩，50～162 m内为中风化板岩,洞身下部深度为44 m，主要岩体为中风化板岩。

图6 平面有限元模型Fig.6 Plane finite element model

3.2.2 模型材料物理参数

通过现场地质勘探以及各支护材料资料，得到在变更后的围岩和各支护材料的物理力学参数如表3所示，采用Mohr-Coulomb强度准则对岩土体进行分析。

表3 围岩及支护结构物理力学参数Tab.3 Physical and mechanical parameters of surrounding rock and supporting structure

3.3 计算结果分析

喀鲁莫其隧道采用上下台阶方法进行开挖，为模拟隧道开挖的施工过程，将上下台阶开挖模拟了6个施工步，隧道开挖完成以后激活钢拱架的支护，随后进行混凝土的喷射。

3.3.1 变更参数后围岩变形分析

图7和图8表示隧道在上台阶和下台阶开挖施工步完成以后，隧道初期支护位移云图。从图中可以看出，方案调整后数值模拟ZK108+063断面拱顶最大沉降量为2.6 mm，相比于现场检测时间范围内拱顶下沉值12 mm减小了9.4 mm，约80%；拱腰位置变更前收敛值为24 mm，变更后拱腰位移为2.2 mm，相对减少了21.8 mm，约90.8%；拱脚位置变更前收敛值50 mm，变更后拱脚为1.9 mm，相对减少了48.1 mm，约96.2%。

图7 上台阶开挖位移图(单位:mm)Fig.7 Nephogram of excavation displacement of upper step(unit:mm)

图8 下台阶开挖位移图(单位:mm)Fig.8 Nephogram of excavation displacement of lower step(unit:mm)

结合现场实测数据以及变更前后的数值模拟分析可得，变更后的SVa支护参数产生的位移变形较小，在拱顶、拱腰以及拱脚位置产生的变形均符合设计规范的要求，能够保证隧道施工的安全性和结构的稳定性。

3.3.2 变更参数后支护应力分析

由于变更前采用SIVb支护参数环境下初支变形较大，初支混凝土和钢拱架受力超出其承受范围，因此钢拱架的材料强度和初支钢筋混凝土的强度决定着隧道开挖的安全性以及结构的稳定性。图9和图10分别为开挖完成后初支混凝土和初支钢拱架的应力云图，从图中可知在隧道初支应力分布中，拱脚位置应力最大，这就验证了在原设计方案下，拱脚位置收敛变形是最大的原因。因此在进行隧道施工过程中应加强锁脚锚杆和喷射混凝土以及纵向钢筋的数量和强度来保证初期支护的安全性。变更后SVa支护参数将40 cm厚的C30混凝土调整为45 cm厚钢筋混凝土，使得初支整体的受力结构更加稳定，有效控制了隧道的变形以及承载力不足等问题。

图9 初支混凝土应力云图(单位:kN·m-2)Fig.9 Stress nephogram of initial support concrete(unit:kN·m-2)

图10 初支钢拱架应力云图(单位:×104 kN·m-2)Fig.10 Stress nephogram of initial support steel arch(unit:×104 kN·m-2)

锚杆的内力云图如图11所示，对锚杆在围岩中的受力情况分析可以发现，经优化后隧道的锚杆轴力主要受拉作用，在左、右边墙处产生的轴拉力达到最大，其值为22.95 kN。而最大轴压力在接近两边拱脚位置处，其内力值为0.034 kN，说明在变更设计优化后，锚杆满足设计承载力的要求，确保了隧道施工的安全性和结构的稳定性。

图11 锚杆轴力(单位:kN)Fig.11 Axial force of anchor rod(unit:kN)

结合数值模拟的结果分析，对现场施工进行优化设计，上下台阶连接钢板位置适当调整，避开变形较大部位，加强连接钢板连接质量控制，确保不出现薄弱环节，在上台阶后方围岩加固完成后及时进行下台阶的开挖支护，避免由于闭环不及时而无法完成整体的受力，做到开挖与闭环施工紧密结合。同时施工过程应严格控制开挖进尺，每循环开挖进尺不应大于两榀拱架的距离。

3.4 变更方案的现场施工

根据变更设计方案有限元模型计算确定，对于原支护情况下破坏较严重的拱脚位置，采用中沙箱防止连接钢板受损，确保拱脚拱架座实，变形严重段落采用钢拱架临时支撑确保安全，对侵限段落进行注浆加固后，再进行换拱，确保围岩稳定，同时对拱脚位置进行纵向钢筋的加密，确保拱脚承载力的强度。

为了能够加强初支的整体承载能力，在上台阶拱架位置增设系统锚杆，与初支相固结，尤其是锚固剂应采用树脂锚固剂。同时为了保证换拱工作的安全进行以及防止初支的变形增大，在上台阶增加一环护拱。

对变更支护参数后隧道的拱顶沉降、拱腰收敛和拱脚位移进行了监测，监测对比结果如表4所示。

表4 位移值对比(单位：mm)Tab.4 Comparison of displacements(unit：mm)

从表4可以看出，支护参数变更后，对比模拟结果与现场监测数据发现，ZK108+063断面拱顶沉降实测结果与数值模拟结果相差不大，由于数值模拟不考虑时间效应，且在工序的影响，有一部分位移没有检测到，所以总体上数值模拟的结果略小于现场实测的结果，但整体模拟结果在可接受的允许误差范围内，说明该数值模拟结果具有可靠性。通过对比优化前后的施工方案监测结果可以发现，优化后的拱顶沉降、拱腰收敛和拱脚位移均明显减小，初支变形的现象得到了很大的改善，围岩整体的变形趋于稳定，隧道各支护形式形状完好，没有出现明显的破坏现象。

4 结论

以喀鲁莫其隧道ZK108+010-ZK108+110段开挖过程中出现初期支护大变形、衬砌开裂失稳为研究背景，基于现场实测数据统计结果，进行了病害原因分析，提出了处置方案，并对方案进行了数值模拟验证，得到以下结论。

(1)现场实测数据表明，ZK108+010-ZK108+110段地质情况复杂，该段隧道围岩级别为Ⅴ级，稳定性较差，施工中出现初期支护开裂下沉的问题，原设计SIVb支护参数不能够完成承载力的要求，隧道各位置出现持续增加的变形，测试时间范围内拱脚最大位移量为50 mm(位移不断增加)，整体出现失稳的趋势，隧道呈现出挤压性变形。

(2)现场围岩级别重新划分与变形监测数据表明，初支大变形病害主要原因为围岩弱化，支护参数不足。

(3)采用MIDAS/GTX NX有限元软件对变更后的支护参数合理性进行验证，结果表明在SVa支护参数情况下，ZK108+063断面拱顶最大沉降量为2.6 mm，降低了约80%；拱腰位置最大收敛值为2.2 mm， 降低了约90.8%；拱脚位置最大收敛值为1.9 mm，降低了约96.2%，极大改善初支变形较大的问题。

(4)对变更后的支护结构进行变形监测，结果表明各项变形较小，与数值模拟结果基本保持一致，且处理措施较合理，变更后的参数能保证结构的安全性。