淺埋軟弱大斷面隧道圍巖與支護結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)變形研究

劉國偉

（山西省交通環(huán)境保護中心站（有限公司），山西 太原 030032）

淺埋軟弱地層下修建大斷面隧道面臨的大變形問題一直是工程建設(shè)中的難題。該類地層通常被劃分為Ⅶ級或V 級圍巖，本身強度低，巖質(zhì)類地層主要為全風(fēng)化或強風(fēng)化巖，土質(zhì)類軟弱地層主要是黃土地層、軟塑狀黏性土等，施工中可能產(chǎn)生極端變形，甚至塌方，危害極大[1-3]。

狹義的圍巖變形量包括拱頂沉降與周邊收斂兩部分，圍巖變形大小主要與地層巖性、斷面尺寸、開挖方法、支護加固體系及施作時機有關(guān)，基于對這些因素的考慮，許多學(xué)者就控制軟弱地層隧道圍巖變形進行了深入研究。王夢恕[4]針對淺埋隧道工程技術(shù)經(jīng)驗，提出通過以“強支護、早封閉”的方法保證隧道安全施工。趙勇[5]通過對大量軟弱圍巖隧道的深入研究，分析了圍巖變形機理，并提出了有效的控制技術(shù)措施。趙東平等[6]基于大量黃土隧道的統(tǒng)計分析，對圍巖變形規(guī)律和預(yù)留變形量進行了探討。營磊和蓋英志[7]結(jié)合軟弱圍巖中隧道變形特點，提出了不變形情況下鋼架的加工適應(yīng)模型；梁巍和黃明利[8]研究了CRD 法在軟弱地層中隧道施工的圍巖變形規(guī)律與相應(yīng)的控制要點。

當前，隧道施工往往從大剛度支護、超前加固技術(shù)、開挖方法及預(yù)留變形量四方面入手制定變形控制措施，而在設(shè)計與施工過程中均沒有考慮初期支護結(jié)構(gòu)和周圍巖體之間的相互協(xié)調(diào)變形問題。這種協(xié)調(diào)變形關(guān)系與隧道開挖方法有關(guān)，具有明顯的時空效應(yīng)，得到不同開挖方法下圍巖與支護結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)變形關(guān)系，就能獲得合理的預(yù)留變形量，避免大變形對工程帶來的影響。

1 軟弱圍巖變形

1.1 變形組成

隧道在開挖后產(chǎn)生圍巖變形，其產(chǎn)生的總變形量u 通常包括掌子面開挖前的超前變形量uf，監(jiān)測中喪失的變形量ui和監(jiān)測得到的變形量um，具體情況如圖1所示。為了解決圍巖變形所帶來的工程災(zāi)害，需要保留預(yù)留變形量，主要包括uf和ui兩部分。

圖1 隧道圍巖變形組成[1]

地層巖性較好時，開挖后隧道洞室周邊很快形成承載拱，圍巖變形較小。軟弱地層下，洞室周邊很難形成承載拱，地層整體變形比圍巖變形更為明顯，造成該類變形很大且不易控制。

1.2 圍巖支護理念

目前，支護理念是允許變形而又要約束變形，要充分發(fā)揮圍巖自承能力。典型圍巖特征與結(jié)構(gòu)支護剛度曲線如圖2所示。地質(zhì)條件較差時，常需提高結(jié)構(gòu)剛度來保證圍巖穩(wěn)定。實際上，大剛度支護能提高承載力，但無法限制支護結(jié)構(gòu)隨地層的位移，雖然早封閉可以在限制地層變形與圍巖變形方面起到一定的作用，卻不能控制地層整體位移。因此，分析軟弱地層的圍巖變形，必須考慮地層整體位移的影響。

圖2 圍巖特征曲線與支護剛度曲線

1.3 設(shè)計中的問題

淺埋軟弱圍巖隧道設(shè)計通常面臨兩方面問題，一是規(guī)范中規(guī)定的預(yù)留變形量與現(xiàn)場實際變形量不匹配的問題；第二是預(yù)留變形量下支護結(jié)構(gòu)中鋼架加工與安裝位置的問題。經(jīng)驗表明，軟弱淺埋隧道圍巖的變形遠不止規(guī)范中規(guī)定的范圍。設(shè)計文件中對預(yù)留變形量通常按照預(yù)設(shè)計對待，即實際預(yù)留值可根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整，但此時預(yù)留變形量是定值。對于鋼架尺寸及放置是否隨圍巖變形做出改變，當前設(shè)計都較為含糊。監(jiān)控量測得到的大變形量不可能是支護結(jié)構(gòu)材料的變形，增大預(yù)留變形量意味著鋼架尺寸與支護結(jié)構(gòu)均較原設(shè)計增大，倘若拱腳位置處置不當，容易帶來材料浪費問題或仰拱鋼架無法閉合的問題。因此，需要從圍巖與支護結(jié)構(gòu)之間的實際協(xié)調(diào)變形角度出發(fā)來解決該問題。

2 圍巖與支護結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)變形

2.1 變形規(guī)律總結(jié)

結(jié)合文獻[1-3，6，9-11]中的研究結(jié)論及變形監(jiān)測數(shù)據(jù)可以得到淺埋軟弱地層隧道變形通常具有以下特點：

a）多數(shù)隧道大變形表現(xiàn)為初支侵限，需要進行換拱處治。

b）分部開挖法引起的大變形值普遍小于臺階法。

c）拱頂與拱腳部位引起的差異沉降較小。

d）多數(shù)情況下，大變形發(fā)生后襯砌并沒有產(chǎn)生明顯的開裂或脫落，初支結(jié)構(gòu)是以整體位移的形式發(fā)生侵限。

e）初支結(jié)構(gòu)施作閉合后，變形很快就趨于穩(wěn)定。

2.2 協(xié)調(diào)變形假定

隧道結(jié)構(gòu)受力情況如圖3所示。圍巖變形通常通過現(xiàn)場監(jiān)控量測間接得到，但監(jiān)測得到的變形是圍巖壓力與地層位移雙重作用的結(jié)果，包含了支護結(jié)構(gòu)變形與地層位移，兩者之間存在某種協(xié)調(diào)變形關(guān)系。

圖3 支護結(jié)構(gòu)及圍巖壓力分布示意圖

a）假定1 支護結(jié)構(gòu)在圍巖壓力作用下發(fā)生自身結(jié)構(gòu)變形。

支護結(jié)構(gòu)在地應(yīng)力作用下向洞內(nèi)臨空側(cè)變形，即支護結(jié)構(gòu)自身的材料變形，以拱腳位置鎖腳錨桿為固定端約束。按照結(jié)構(gòu)設(shè)計理論，假設(shè)鋼架及混凝土屈服時最大應(yīng)變?yōu)?.002，那么產(chǎn)生的最大收縮變形值為56 mm左右，顯然與普遍的大變形現(xiàn)象矛盾。

b）假定2 支護結(jié)構(gòu)在圍巖壓力作用下發(fā)生撓曲變形。

具體為拱腳約束下的支護整體長度變化小，上方荷載明顯大于側(cè)壓力，支護結(jié)構(gòu)頂部弧度增大而發(fā)生下沉，而側(cè)墻弧度減小，向圍巖一側(cè)位移。但考慮到隧道水平收斂普遍為正值，即支護結(jié)構(gòu)向凈空位移而不是向圍巖位移。該假定也難以成立。

c）假定3 支護結(jié)構(gòu)發(fā)生整體下沉。

初期支護閉合前可能發(fā)生隧底上方地層整體下沉，拱頂壓力增大使拱腳部位支護結(jié)構(gòu)下移刺入地層。該假定可以解釋軟弱地層下拱頂沉降很大而結(jié)構(gòu)完好的同時拱頂和拱腳部位的沉降差異很小的情形。但該假定不足之處在于無法解釋周邊收斂的現(xiàn)象。

d）假定4 支護結(jié)構(gòu)發(fā)生整體下沉，拱墻撓曲變形，且拱腳向內(nèi)側(cè)偏上移動。

在假定3 的基礎(chǔ)上，假設(shè)拱腳發(fā)生下沉，同時以拱頂為端點發(fā)生撓曲變形，此時支護結(jié)構(gòu)拱頂與拱腳部位的大變形問題均可得到很好的解釋，具體的支護結(jié)構(gòu)變形如圖4所示。該體系由兩部分構(gòu)成，支護結(jié)構(gòu)整體下沉后拱腳下移，有刺入仰拱的趨勢，繼而側(cè)向撓曲變形，拱腳部位同時向上和向內(nèi)移動，緩解拱腳刺入變形趨勢。

圖4 整體下沉+撓曲變形假定示意圖

2.3 理想開挖與支護模型

根據(jù)上述假定分析，可根據(jù)變形關(guān)系找到最理想的支護模型，可考慮采取在支護措施施作完成、變形穩(wěn)定后正好達到設(shè)計輪廓線位置的支護策略，實現(xiàn)設(shè)計目標。隧道支護結(jié)構(gòu)變形模型如圖5所示，具體的步驟是在開挖之初預(yù)留合理變形量，支護結(jié)構(gòu)在閉合之前頂部發(fā)生了明顯的下沉，側(cè)墻則弧度增大、向內(nèi)收斂，變形末期正好達到設(shè)計輪廓線位置，仰拱處支護按設(shè)計尺寸加工實現(xiàn)安裝。支護結(jié)構(gòu)閉合之前，因整體下沉與撓曲雙重作用，隧道開挖斷面雖大，但支護材料并沒有增加，僅僅增加了挖方量，并改變了下部拱墻初期安裝的弧度。

圖5 理想支護結(jié)構(gòu)變形模型

3 分部開挖變形過程

3.1 分部開挖變形分析

分部開挖將大斷面分為小斷面開挖、大跨度劃為小跨度開挖的同時強調(diào)各部分及時封閉成環(huán)，可減小初始階段的圍巖壓力，封閉成環(huán)后可快速產(chǎn)生大剛度作用，因此在控制地層變形方面效果顯著。常用的分部開挖法有CD 法、CRD 法等。以CRD 法為例對變形過程進行分析，在導(dǎo)洞①開挖時，跨度小，斷面小，及時封閉后圍巖變形可以馬上得到約束；第②部開挖時，閉合之前使一部分臨時仰拱失去支撐，整體也會有一定的下沉；第③部分開挖時，由于增大斷面會導(dǎo)致圍巖壓力增大，表現(xiàn)出整體的下沉；第④部分完成后，往往要經(jīng)歷一定的變形達到整體穩(wěn)定狀態(tài)之后才能進行臨時中隔墻的拆除，因此，分部開挖變形幾乎全部以整體沉降體現(xiàn)。

3.2 預(yù)留變形量調(diào)整對策

分部開挖法體現(xiàn)了“早封閉”措施好于“強支護”，即合理的開挖方法比大剛度支護更為有效，而一味增大預(yù)留變形量并不一定能有效約束圍巖變形。分部開挖法對變形的控制效果雖好但進度太慢，使得臺階法往往更受青睞。值得說明的是，將預(yù)留變形量與開挖方法進行合適的匹配，使支護結(jié)構(gòu)完成變形后正好達到設(shè)計時的期望效果。

分部開挖法中，收斂變形幾乎可以忽略，沉降變形的大部分來自于整體下沉。因此，分部開挖法可以根據(jù)監(jiān)控量測得到累計沉降量后，考慮將開挖斷面儲備一個更大的累計變形空間，待沉降穩(wěn)定后，整個斷面位于設(shè)計高程，而不會產(chǎn)生超挖。鋼架按照設(shè)計尺寸加工，左右依次拼接。最早開挖部分提高的預(yù)留變形量也可以參考規(guī)范中預(yù)留變形量值。

臺階法施工中，若采取了每臺階臨時封閉措施，則可以參考分部開挖法中關(guān)于預(yù)留變形量的處置措施。在無臨時仰拱時，支護結(jié)構(gòu)的變形包括整體沉降與側(cè)向撓曲，根據(jù)其變形規(guī)律，在隧道上臺階開挖時，將鋼拱架儲備一個更大的變形空間。從預(yù)留變形量的角度出發(fā)，該方法實際上是采用了拱頂、拱墻不同預(yù)留變形值的方案，只是在整個施工過程中，由于沉降的實時變化，整體開挖輪廓線并不連續(xù)，采取拱頂提升、下部鋼架弧度減小的做法更容易實施和控制。

4 結(jié)論

a）淺埋軟弱隧道監(jiān)測到的變形是由隧道整體結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)變形及結(jié)構(gòu)撓曲變形引起。

b）分部開挖與有臨時仰拱的臺階法圍巖變形較小，主要由隧道支護整體沉降變形組成。

c）在控制變形方面，“早封閉”明顯好于“強支護”，考慮到時空效應(yīng)，非等間距的預(yù)留變形量是合理的。

d）提出了淺埋軟弱地層隧道在不同開挖方法變形應(yīng)對措施，分部開挖法將先開挖部分儲備一個更大的累計變形空間，按照設(shè)計進行施工，該量值應(yīng)根據(jù)監(jiān)測資料確定。