软弱围岩隧道施工过程的变形分析与控制技术研究

刘印平

（北京铁研建设监理有限责任公司，北京 102600）

随着我国经济飞速发展及城市化进程不断加快，城市用地快速扩张，城市出行需求总量成倍增长，大中城市开始大力兴建铁路、地铁等城市轨道交通工程，加剧了城市发展与资源、环境严重失调的局面。因此，为了缓解愈演愈烈的交通压力，城市基础设施建设必然要修建更多的隧道，地铁隧道工程向着更长、更深的目标推进，辅助斜井大量出现，增加了隧道修建的作业面，减少了施工时间，提高了经济效益，实现了快速施工的目的。我国高速铁路行业迅猛发展，隧道建设技术稳步提高，穿越各类特殊地层的隧道大量涌现，我国铁路网中长期规划如图1 所示。

图1 中长期铁路建设规划图

软弱地层隧道建设相比常规隧道，其施工要求更高。目前，国内、外学者针对软弱地层隧道做了一些研究，但在模拟方面大多采用简化方法，缺少综合系统的研究，特别是软弱地层隧道施工中围岩变形特征和控制技术方面缺少资料。陈磊以汕湛高速公路软弱地层段为研究对象，结合强度折减法和有限元模拟，研究CD 法施工时不同埋深下隧道的整体稳定性，确定了隧道稳定性的量化指标—安全系数，并分析了安全系数与埋深的关系，以及隧道开挖的失稳形态和演化过程。刘锦涛利用Midas 数值模拟分析软件，建立了石羊岭地区浅埋软弱地层隧道计算模型，并研究了4 种浅埋软弱地层隧道的开挖工法。通过比较4 种工法的应力、应变变化曲线，选出了适合该隧道的最优施工工法。李俊以柳州市安泰路隧道工程为例，采用理论分析与数值模拟相结合的方法，推导不同坡度下浅埋隧道公式，并深入研究各种因素对进尺长度的作用，为日后工程施工提供理论依据。

软弱地层隧道施工中地质条件差，受开挖扰动影响，变形明显，围岩易变形过大、变形持续时间长等。如果在施工过程中控制技术不当，会破坏围岩支护结构，导致侵限、坍塌等工程危害，同时，严重影响施工工期、工程进度、工程造价、施工质量和安全等。因此，从软弱地层隧道变形特征及控制技术出发，合理选择隧道开挖方法，加大控制技术研究力度，具有一定现实意义。

1 工程概况

隧道采用暗挖法施工，研究隧道段正线为双洞单线施工，正线里程范围DSK28+090～DSK+500，全长410m；隧道断面呈椭圆形，隧道开挖断面尺寸为长轴（高）9.65m、短轴（宽）7.45m。断面示意如图2 所示。

图2 隧道断面示意图

1.1 工程地质及水文情况

1.1.1 地质情况

本隧道区间向北穿过银排岭，周围环境单一，区间段多山少民，无管线经过，下穿篮球场。隧道段为DSK28+484～DSK28+436，围岩等级为Ⅴ级，地质条件较差，具体地质情况如下：

①全风化花岗岩：褐黄色、灰色，湿，由砂粒、粉黏粒组成，成分已完全风化，原岩结构尚可辨清，风化裂隙发育，呈坚硬土状，局部夹强风化岩块。

②粉质黏土：褐黄色、褐红色/浅灰色，湿，可塑，成分以黏粒、粉细粒为主，局部夹中细砂，层厚约8m。

③素填土：褐红色、土黄色、灰色，松散，稍湿—湿，成分以黏性土为主，局部混合夹杂碎石块，为新近人工填土，层厚约2m。

1.1.2 水文情况

地下水位的变化与地下水的赋存、补给及排泄密切相关。在广州市，每年5～10 月为雨季，地下水补给增加，水位上升；而其他月份为干旱期，降水较少，如果使用量不变，地下水位会显著下降。本隧道所处位置的地下水主要包括基岩裂隙水和松散土层第三系孔隙水，裂隙水以承压水为主，主要含水层为透水性中等、富水性中等的呈碎块状的强风化岩带及节理裂隙发育的中风化岩带。施工期间，地下水位在隧道埋设以下。

2 模型建立

基于FLAC3D 软件，对软弱地层隧道的变形规律进行数值分析。考虑到模拟的实用性和可行性，通过模拟来还原实际情况，需要适当地简化模拟，作如下假设：

（1）土层厚度均匀，且在隧道开挖过程中地层参数基本不变。

（2）不考虑周边建筑物沉降及车辆荷载的影响。

（3）不考虑地下水的作用。

（4）对模型整体施加初始应力时，只赋予自重应力，不考虑构造应力，且首次施工前，完成初始应力平衡后，再进行位移校正。

2.1 模型建立及边界条件

从工程实际出发，由于隧道开挖对周围围岩的影响通常在3～5 倍洞径，在建模时，需要扩展模型尺寸，以保证隧道开挖不受边界范围影响。最终以X、Y 为边界，以隧道中线为轴，建立长48m、宽50m、高45.5m 的模型，如图3 所示。模型的边界条件如下：垂直方向上，底部施加平行于Z 轴的约束，底部边界限制模型发生移动；水平方向上，左、右两侧施加平行于X 轴的固定约束，左、右边界限制模型发生移动；水平方向上前、后两侧施加平行Y 轴的固定约束，前、后边界限制模型发生移动；顶部不施加约束，为自由面，整个计算过程只考虑围岩自重。

图3 隧道计算模型

2.2 模型参数的选取

根据隧道工程地勘报告和设计经验综合考虑，并采用参数反衍法，拟合模拟值和现场值，以得到软弱地层隧道洞身段土层的力学性质。本文软弱地层施工段的钢拱架采用I18@0.8m，钢筋网片为Φ8，尺寸为1.0m×1.0m，网格尺寸为15cm×15cm，钢拱架与钢筋网安装完成后，喷射一层23cm 厚的C25 混凝土。在模拟中初期支护采用实体单元，锚杆采用Cable 结构单元，锚杆、临时支撑的模拟参数参考钢材参数进行选择。经计算，模型建立所需材料物理力学参数见表1。

表1 模型计算材料参数

3 围岩变形结果对比分析

施工过程中，隧道顶部土体应力重分布，从而引起拱顶处土体沉降；拱底处土体移除，由于卸荷效应，拱底处土体隆起。最大竖向位移和最大水平位移分别发生于拱底与拱腰处。隧道为软弱地层隧道，上覆土压力较小，围岩变形较小，为更加准确地研究开挖工法对围岩变形的影响，截取断面三进行分析，并进一步研究围岩变形情况，开挖工法对隧道围岩变形影响如图4 所示。

图4 隧道围岩变形影响

由图4 可以看出，隧道围岩变形总体呈现中间大、两端小的对称分布状态。采用双台阶法时，拱顶沉降和拱底隆起均最大，分别为21.0mm 和25.4mm；采用CRD 法时，拱顶沉降和拱底隆起分别为10.0mm 和18.8mm，相较于双台阶法分别降低了52.4%和26.0%。采用双台阶法时，拱腰水平位移和拱脚水平位移均最大，分别为24.7mm和11.3mm；采用CRD 法时，拱腰水平位移和拱脚水平位移分别为15.8mm 和10.4mm，相较于双台阶法分别降低了36.0%和8.0%。采用CRD 法时，拱腰水平位移和拱脚水平位移均最小，分别为14.9mm和9.5mm，相较于双台阶法分别降低了39.6%。

4 软弱地层隧道变形控制方法

在软弱围岩环境下，隧道施工过程的稳定性是保证工程质量最重要的因素。因此，需要控制围岩的变化。在软弱地层隧道施工过程中，可以通过数值模拟分析不同开挖工法和不同开挖步距影响，同时，结合现场监测数据进行回归处理分析，从而预测掌子面前方围岩的变形情况。为减少隧道开挖对地层的扰动，增加周边地层的自承力，降低地表沉降，需采取预加固、预支护措施。目前，在地铁建设中广泛应用的地层预加固技术有：超前锚杆、超前小导管、超前管棚、高压旋喷桩、超前预注浆、冻结法等。不同地质情况和隧道断面，采用的施工方法不同。根据隧道实际情况提出以下几种围岩变形控制技术：

（1）加强初期支护的整体刚度，在初期支护中，通过注浆加固、纵向型钢拱架，整体焊接在一起，以加固软弱地层隧道。提高初期支护整体刚度能很好地增加隧道围岩的整体稳定性，避免围岩发生变形。

（2）预注浆加固技术指对隧道拟开挖段地层注入具有填充和凝胶性能的浆液，以降低围岩渗透系数，固结松散岩体，改善围岩。预注浆是一种集充填、压实、劈裂灌浆于一体的加固方式。注浆方式包括劈裂注浆、渗透注浆等。

（3）超前小导管是利用钢花管在隧道掌子面上方一定区域内，纵向打入一定长度和倾角的钢管，并利用钢管对岩层进行注浆，以在隧道断面上方形成一定的承载拱。采用超前导管注浆法，可增加岩体黏聚力和摩擦力，增强岩体强度和自稳定性，有效预防岩体塌陷，降低地表沉降，保证隧道的施工安全。

（4）软弱地层隧道开挖过程中，可通过超前地质预报反馈信息，适时变更施工方案。由经验可知，当围岩级别为V 级及以上时，遵循CRD 工法“短台阶、低高度、勤量测、早成环”的原则，可降低隧道围岩变形量，必要时变更隧道开挖工法，以达到控制围岩变形的目的。

5 结语

以隧道软弱地层段为背景，采用有限元分析软件FLAC3D，建立双台阶法和CRD 法的隧道开挖模型，分析了围岩变形特征及支护结构受力特性，确定CRD 法是最适合该隧道施工的工法。在此基础上，归纳总结了软弱围岩变形控制原则及理念，预测出围岩最终变形量，并提出围岩变形控制技术，将其应用于隧道软弱地层段。