深埋千枚岩软岩隧道施工全过程大变形测试与分析

2023-06-29罗长青赵何霖陈孔福

四川建筑 2023年2期

罗长青赵何霖陈孔福

软岩大变形隧道施工控制一直是工程界关注的重点，针对九（寨沟）绵（阳）高速深埋千枚岩地层隧道施工大变形控制问题，通过对隧道施工全过程进行监控，并对监测数据进行回归分析与反馈，得出结论：受地质条件影响，软岩隧道施工变形较大，开挖后4周左右变形趋于稳定；隧道采用三台阶预留核心土法和两台阶法施工，施工会使围岩变形速率突增，然后缓慢变形，最终趋于稳定，其中下台阶施工对围岩扰动较大（变形量和变形速率较大）；可采用长短锚杆施工，适当加大预留变形量（30～40 cm），加大二衬厚度（原厚度的15%～20%），控制隧道结构整体变形，保障隧道建设安全。

隧道工程；软岩大变形；拱顶沉降；周边收敛；现场监测

U456.3+1 A

［定稿日期］2022-02-24

［作者简介］罗长青（1981—），男，本科，高级工程师，主要从事高速公路工程建设管理工作;陈孔福（1997—），男，硕士，研究方向为隧道与地下工程。

［通信作者］赵何霖（2000—），男，硕士，研究方向为隧道与地下工程设计理论。

近年来，中国西部地区公路隧道建设迅速，由于西部地区复杂的地质条件影响，隧道工程施工过程中经常遇到高地应力软弱围岩环境，容易出现隧道软岩大变形问题，如木寨岭隧道［1］、毛羽山隧道［2］和乌鞘岭隧道［3］，给隧道工程的设计和施工带来很大的影响。

目前，国内外一些专家学者已对软岩隧道大变形进行了一系列研究分析，取得了丰富的研究成果。李磊等［4］通过对成兰铁路-茂县隧道进行现场试验和数值计算研究软岩隧道初支钢架选型，发现第一层支护是保证封闭后形成合理洞形的关键，采用多层、多次的支护方法释放围岩应力，可保证隧道的长期稳定。魏纲等［5］对紫之隧道进行监控量测分析，获得了隧道施工变形规律及其影响因素，研究了隧道CRD法施工变形规律。房倩等［6］通过收集整理国内103座山岭隧道的拱顶沉降和水平收敛数据系统分析围岩变形量、围岩变形稳定时间与围岩级别、隧道开挖面积等因素之间的关系，提出不同围岩级别下，变形的建议控制值以及变形稳定时间参考值。汪波等［7］以广甘高速公路杜家山隧道为工程背景，采用室内模型试验及现场试验相结合的研究手段，揭示了埋深、施工工法、支护与隧道位移间的关联性。赵晨阳等［8］通过分析东马场 1 号隧道大变形段初期支护变形特征，研究了隧道大变形灾害形成的原因，提出“抗放结合，以抗为主”围岩大变形处置原则及“双层初期支护+二次衬砌”应对措施。赵福善［9］以现场测试和理论分析为手段，结合兰渝铁路两水隧道变形特征，研究了适合两水隧道的软岩变形控制技术，提出了软岩隧道大变形分级标准及其对应的支护参数。

虽然国内外学者在软岩隧道施工变形监测、变形规律等方面已取得了诸多研究成果，但深埋软岩隧道地应力场、地质状况、开挖与支护方案存在很大差异，因此软岩隧道大变形特点采取对应措施，控制隧道整体变形。本文依托九绵高速水牛家隧道工程，对深埋千枚岩地层软岩隧道变形规律进行分析，并提出相应的控制措施，研究成果可为软岩大变形隧道设计与施工提供借鉴与参考。

1 工程概况

1.1 隧道概况

九绵高速公路水牛家隧道位于四川省绵阳市平武县，是九绵高速公路的重点控制性工程，设计为双线隧道，全长约3 967 m，最大埋深626 m。隧道地质情况极其复杂，V级围岩占比44%，Ⅳ级围岩占比56%。隧道穿越山地地區，地形起伏较大，主要围岩为炭质板岩和千枚岩，软岩大变形现象明显，穿越三条破碎带，破碎带占比5.06%。其中千枚岩为青灰色，中风化，裂隙发育，软岩，岩体较破碎，与板岩互层或夹层。隧道区地下水水量贫乏，主要为基岩裂隙水和松散岩类孔隙水，水文地质条件较简单，雨季施工有点滴—线流状出水。

隧道V级围岩采用三台阶预留核心土法组织施工，Ⅳ级围岩采用二台阶法组织施工。其中V级围岩隧道断面如图1所示，初期支护为26 cm厚的C25混凝土喷锚支护，二次衬砌为60 cm厚的C30钢筋混凝土，锚杆长为3 m；Ⅳ级围岩隧道断面初期支护采用厚22 cm的C25混凝土喷锚支护，二次衬砌采用40 cm厚的C30钢筋混凝土，锚杆长2.5 m。

2 大变形隧道施工监测

根据软岩隧道施工方法及工程特点开展隧道变形监控量测，水牛家隧道围岩大多为Ⅳ级和Ⅴ级。隧道设计拱顶沉降和周边收敛项目，拱顶沉降主要监测拱顶下沉变化规律，了解断面的变形状态，判断隧道拱顶的稳定性，其量测数据是判断支护效果，指导施工工序；周边收敛变形监测是通过对围岩周边的周边收敛量及其速度进行观察，掌握围岩内部随时间变形的规律，从而判断围岩的稳定性和为确定二次支护的时间提供依据，保证结构总变形量在规定允许值之内，更好地用于指导施工。周边收敛变形量测与拱顶下沉量测应在同一量测断面内进行，均采用精密全站仪测定，量测点在观测断面距离开挖面2 m的范围内埋设，并在爆破后24 h内下一次爆破前测读初读数。

水牛家隧道断面测点V级围岩间隔5～10 m布置，Ⅳ级围岩间隔10～30 m布置，2种工法的拱顶沉降量测和周边收敛变形量测测线布置情况如图2所示。

3 隧道变形监测结果分析

限于篇幅，本文根据现场施工情况，选取左、右洞2个典型断面开展软岩大变形隧道变形分析，分别为断面1（YK74+008，Ⅴ级围岩），断面2（ZK73+657，Ⅳ级围岩）。

3.1 拱顶沉降分析

断面1的拱顶累计沉降和沉降速率如图3、图4所示。

隧道右洞断面在上台阶开挖后，拱顶沉降急剧增长，初期沉降速率最高达到了3.4 mm/d，累计沉降量达到12.1 mm。中台阶开挖后，拱顶沉降速率迅速增大，达到了4.8 mm/d，随后沉降速率减小，中台阶开挖完成后累计沉降量达到16.9 mm。下台阶开挖阶段沉降量急剧增长，沉降速率最高达到7.4 mm/d，在第15天下台阶开挖完成后，累计沉降量已经达到38.5 mm。在下台阶开挖完成至施作仰拱段，变形仍在持续增长，变形速率在仰拱开挖与施作时都有所增加，之后沉降速率开始减小。

断面2的拱顶累计沉降和沉降速率如图5、图6所示。

隧道左洞断面受下台阶开挖影响，应力平衡遭到破坏，拱顶沉降速率急剧增加，达到了15.8 mm/d，在第17天下台阶开挖完成后，累计沉降量达到58.5 mm。下台阶开挖完成至施作仰拱段，随着初期支护闭合，沉降速率减缓，沉降量缓慢增长。

对监测数据进行回归分析，可得到断面1和断面2的拱顶沉降拟合方程分别为：

u1=50.72-51.171+ex-11.494.23 R2=0.991

u2=70.47-76.161+ex-105.26 R2=0.980

从拟合方程相关系数R2可看出曲线相关性较好，可以用来预测断面拱顶沉降情况，左洞断面在第33天拱顶沉降逐渐收敛趋于稳定，累计沉降值达到了69 mm。在第29天左右，右洞断面的拱顶沉降累计沉降值达到了50 mm。

对比左右洞的断面沉降情况可以看出，三台阶法和二台阶法在每一次施工后，拱顶沉降速率都会出现一个突增。在初期支护闭合后，拱顶沉降速率不断减小，拱顶沉降基本趋于稳定并逐渐收敛。在2次工序间隔时间内，沉降量仍将持续增大，这部分沉降量占總体变形比例较大，应尽量减少施工间隔时间［10］。三台阶法施工步骤较多，对围岩扰动影响更大，在其施工中下台阶阶段围岩沉降量占总体变形比例最大，约为41.5%。二台阶法与三台阶法相同，都是下台阶施工阶段围岩沉降量占总体变形比例最大，约为30%。最终，2种施工方法拱顶沉降都在30天左右趋于稳定。

3.2 周边收敛分析

断面1的周边收敛随时间变化曲线和收敛速率如图7、图8所示。

隧道右洞断面在上台阶开挖后，SL1收敛曲线收敛量迅速增加，初期收敛速率最高达到 6.9 mm/d，收敛量达到30.9 mm。中台阶开挖后，收敛速率急剧增加，达到 8.3 mm/d。下台阶开挖阶段，收敛速率再次增加，达到 10.9 mm/d，开挖完成后，累计收敛量达到了62.8 mm。仰拱开挖后稳定被打破，收敛量再次增加。初期支护闭合及仰拱施作后，收敛有稳定的趋势。

下台阶开挖后，SL2收敛曲线在初期收敛速率最高达到8.0 mm/d，累计收敛量迅速增加，在下台阶开挖完成后，累计收敛量达到了20.9 mm。仰拱开挖及仰拱施作时收敛速率都有所增加，随着初期支护闭合收敛量逐渐趋于稳定。

断面2的周边收敛随时间变化曲线和收敛速率如图 9、图10所示。

SL1收敛曲线可看出隧道在下台阶开挖阶段，收敛速率突增，最高达到了29.9 mm/d，下台阶开挖完成后，累计收敛量达到了145.1 mm。下台阶开挖后，SL2收敛曲线在初期收敛量也在持续增加，收敛速率急剧增加，最高达到40.2 mm/d，在下台阶开挖完成后累计收敛量达到61.1 mm。

对监测数据进行回归分析，可得到隧道断面1和断面2的周边收敛拟合方程见表1。

从拟合方程相关系数R2可看出曲线相关性较好，可以用来预测断面周边收敛情况，隧道左洞断面在第28天收敛逐渐收敛并趋于稳定，达到了77 mm。右洞断面在第27天左右趋于稳定，累计收敛达到180 mm。

从左、右洞的周边收敛情况可以看出，2种施工方法在每次开挖后都会导致收敛速率急剧增加，收敛变形量迅速增加，变形主要受卸荷效应、围岩流变和挤压变形影响。仰拱施作后，收敛速率开始减缓，变形主要是由围岩与支护结构调整引起，开挖对其影响不大［11］。

3.3 软岩大变形特征

水牛家隧道由于围岩软弱，强度低且具有流变性，每次施工扰动后，变形速率都会出现突增，然后变形速率降低，最终趋于稳定。变形持续时间长，2次施工工序间隔时间内，变形量仍将持续增大。从施工步骤看，在下台阶开挖阶段，变形速率急剧增大，累计变形量也迅速增长，这一阶段变形量所占比重较大，大约在30%～40%之间，变形速率和变形量远远大于规范允许值。

监测所选取的左、右洞各4个典型断面累计变形情况见表2，从表2中可看出，隧道左右洞的断面在开始施工后30天左右都基本趋于稳定，累计拱顶沉降最大为70 mm，累计收敛最大为180 mm，具体表现为钢架扭曲、初支掉块开裂及初期支护侵限，见图11，需要采取措施来预防大变形灾害。

3.4 控制措施

对于水牛家隧道开挖后出现的大变形问题，采取几点措施控制变形：

（1）增加锚杆长度，采用长短锚杆施工（4 m药卷锚杆，6 m自进式锚杆）控制隧道拱顶沉降与周边收敛。

（2）根据监测结果，适当加大预留变形量（30～40 cm），充分释放地应力，防止初支侵限。

（3）尽量减少施工周期间隔，及时施作初支和仰拱，减少围岩的暴露时间，封闭成环。

（4）根据监测结果和拟合曲线合理选择二衬施作时机，使二次衬砌与初期支护共同承受围岩压力，加大二衬厚度（原基础的15%～20%）。

采用以上措施后，水牛家隧道结构变形得到有效控制，保障了隧道施工期间的安全。

4 结论

针对软岩大变形隧道工程特点，论文采用监控量测方法及时分析隧道结构变形特征，获得结论：

（1）受地质条件影响，隧道施工累计变形量较大，在开挖后4周左右趋于稳定，拱顶沉降最大达到70 mm，周边收敛最大达到180 mm，需要采取措施控制大变形灾害。

（2）三台阶预留核心土法和两台阶法每一步施工后，都会使变形速率突增，然后围岩缓慢变形，最终变形逐渐趋于稳定，其中下台阶开挖对围岩扰动较大，变形量和变形速率都较大。