隧道軟巖大變形施工控制措施分析

文/謝磊

1 前言

在隧道工程中，軟巖大變形一直是威脅隧道施工安全的主要工程問題之一。通過大量工程實踐表明，隧道在穿越高地應力、淺埋偏壓以及軟弱破碎帶時隧道的層級結(jié)構(gòu)容易變形[1]。通過對目前大量實際工程中發(fā)生軟巖大變形的隧道的地質(zhì)情況進行分析可以發(fā)現(xiàn)，在圍巖強度低、易風化、透水率差等地段，由于圍巖具有遇水膨脹等特點，非常容易發(fā)生隧道的軟巖大變形，且對工程的安全和進度造成了非常嚴重的影響，因此需要加強重視和防治。

目前的研究并沒有對隧道產(chǎn)生軟巖大變形的深層次原因和機理進行徹底剖析。實際上，隧道軟巖大變形的產(chǎn)生是一個十分復雜的過程，其中既包含了工程力學、理論力學、材料力學以及工程地質(zhì)等多方面的學科和知識，同時還涉及施工工藝和方法等諸多因素，因此對于軟巖大變形的施工控制工作需要結(jié)合實際的工程情況和變形特點進行相應的控制措施設計和分析。

2 工程概況

王家山隧道是某高速公路中的一座分離式單向兩車道隧道。隧道建筑界限尺寸為11×5m，全長1090m，隧道呈272°的軸向直線布置。根據(jù)工程地質(zhì)勘探結(jié)果顯示，該隧道區(qū)域地質(zhì)情況分布為表層第四系全新統(tǒng)殘坡積（Q4el+dl）粉質(zhì)粘土、角礫土，下伏基巖為強風-中風化志留系新灘組（S1x）頁巖。基巖裂隙發(fā)育，物探結(jié)果顯示異常，局部褶皺破碎較明顯。

王家山隧道自施工至YK57+815～+845 段由于穿大梁山F1 斷裂帶，隧道圍巖破碎劃分為5 級。在隧道掌子面開挖初期支護后，右洞出現(xiàn)了初級支護開裂、掌子面垮塌、鋼架變形侵限等地質(zhì)情況，嚴重威脅了隧道施工的安全，耽誤了工期。

3 變形特點及原因分析

在隧道開挖出現(xiàn)襯砌開裂變形侵限等問題后，通過監(jiān)控量測對隧道的變形速率和特點進行監(jiān)控和統(tǒng)計，總結(jié)分析得出隧道的變形特點和原因如下。

3.1 變形量及變形速率大

王家山隧道施工至YK57+815～+845 段，右洞出現(xiàn)大范圍變形。根據(jù)監(jiān)控兩側(cè)顯示，這次變形具有變形速率大的特點；根據(jù)監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出，如圖一所示的隧道各端面變形速率和時間關系曲線。如圖所示，在短時間內(nèi)隧道的最大變形位移達到了896.88mm，最大變形速率為150.46mm/d；拱頂下沉累計變形量達到484.3mm，變形速率達到45.58mm/d。由此可見，隧道的水平位移量大于拱頂沉降量時，出現(xiàn)了較為典型的水平方向擠壓變形特點[2]。

圖1 王家山隧道位移變形時間曲線圖

此次變形除了具有變形速率大的特點外，還具有破壞嚴重的特點。如圖2 所示，在掌子面后方約20m范圍內(nèi)的初級支護，均出現(xiàn)了初噴混凝土開裂、拱架變形等情況，如圖2 圖所示。根據(jù)裂縫的發(fā)展方向統(tǒng)計可以看出，其主要以斜向的裂縫為主，在拱頂和拱墻部分裂縫較為集中。

圖2 隧道初襯變形圖

3.2 隧道變形的原因分析

根據(jù)隧道現(xiàn)場的變形情況和裂縫發(fā)展方向可以判斷，造成這次隧道變形的主要原因是水平方向的擠壓剪切作用。結(jié)合工程地質(zhì)的縱斷面可以看出，在該段隧道存在著水平方向的偏壓，進而造成水平方向的應力不平衡而導致的向左變形；另一方面，在隧道施工過程中，由于該段圍巖地質(zhì)條件差，施工單位為了追求進度，沒有根據(jù)實際工程地質(zhì)情況調(diào)整施工方法，進而造成施工步距較大，而這也是造成隧道發(fā)生變形的一個誘因[3]。

4 大變形施工控制

4.1 提高襯砌結(jié)構(gòu)的支護強度

在隧道的支護結(jié)構(gòu)中，初期襯砌結(jié)構(gòu)是控制和防止軟巖大變形的主要因素。因此，我們需要提高和加強初期支護結(jié)構(gòu)的強度和整體性。為了提高隧道襯砌結(jié)構(gòu)的整體受力性，將該段原設計的初期支護縱向間距120cm 布置的18 工字鋼改成縱向間距50cm 布置的22B 工字鋼；除此之外，將系統(tǒng)錨桿改為注漿小導管環(huán)向50cm 布置縱向和鋼架匹配；將原設計的10cmC25 噴射混凝土改為15cm。另外，根據(jù)調(diào)整完的初期支護參數(shù)，對已發(fā)生變形段進行拆除且重新施工。

4.2 提高圍巖的整體受力特性

由于該段的圍巖比較破碎，開挖后應力會重新分布，進而導致應力出現(xiàn)集中現(xiàn)象。為了提高圍巖的整體受力特性，工程采用4m 的φ42 小導管對圍巖進行環(huán)向注漿，同時結(jié)合系統(tǒng)錨桿和超前小導管來提高隧道圍巖的整體性，改變隧道圍巖軟弱破碎帶的受力特點。

4.3 控制施工，減少對圍巖的擾動

除了環(huán)向和超前注漿外，還需要通過對施工工法的控制來減少對圍巖的擾動。具體做法是改變?nèi)_階施工工法，采用預留核心土臨時仰拱橫撐三臺階法施工，如圖4 所示；同時結(jié)合實際情況對施工參數(shù)進行控制，縮短臺階的間距，加快仰拱的施工，使初期支護盡早成環(huán)，以此提高整體的受力特性。另外，控制掌子面的爆破參數(shù)，堅持以“短進尺、弱爆破，勤支護”的原則控制施工，同時做好隧道施工的監(jiān)控量測和超前地質(zhì)預報工作。

圖4 隧道軟巖大變形段施工方法示意圖

4.4 合理控制變形預留量

在王家山隧道該段原設計的預留變形量為12cm，但目前大部分變形段已經(jīng)不能夠滿足實際需求。鋼架在發(fā)生變形后，出現(xiàn)了較為明顯的侵限現(xiàn)象。因此，施工人員需要結(jié)合實際情況將原設計的12cm 預留變形量調(diào)整為15～20cm，具體為在拱頂變形較小段采用15cm 預留變形量，在拱墻和拱腳部分應力較為集中地段采用15cm 的預留變形量。通過預留足夠的變形量使得圍巖能夠充分進行變形，重新達到應力平衡狀態(tài)，進而減少圍巖對二襯的壓力。

4.5 適時施作二次襯砌

對隧道變形段處理完后，便需要及時施作二次襯砌結(jié)構(gòu)，以此提高圍巖的整體承載能力。另外，在施作二襯前需要對圍巖的變形進行持續(xù)的監(jiān)測，只有滿足設計和施工規(guī)范要求及周邊位移速率小于0.1～0.2mm/d或拱頂下沉速率小于0.07～0.15mm/d 時，才能施作二次襯砌結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)語

根據(jù)本文的分析調(diào)查發(fā)現(xiàn)，造成王家山隧道發(fā)生變形的主要原因是該段圍巖為軟弱破碎，同時還存在偏壓等不良地質(zhì)情況。因此，在施工過程中，通過加強王家山隧道襯砌結(jié)構(gòu)的強度、優(yōu)化施工方法、增加隧道圍巖預留變形量、及時施作二次襯砌結(jié)構(gòu)，能夠綜合提高圍巖的完整性和結(jié)構(gòu)的支撐強度。優(yōu)化調(diào)整后，根據(jù)監(jiān)測量控數(shù)據(jù)顯示，隧道的變形段圍巖變形趨于穩(wěn)定，且取得了良好效果。