二道埡隧道施工變形機理及處理措施分析

摘要本文依托十漫(湖北十堰～陜西漫川關)高速公路二道埡隧道，以該隧道施工中出現的變形地質災害實例為研究對象，理論聯系實際，對其發生的成因、機理進行了分析，同時討論合理的處理措施并根據分析結果對已有的處理措施進行優化。

關鍵詞公路隧道 地質災害 變形

中圖分類號:U45文獻標識碼:A

十(堰)漫(川關)線二道埡隧道為一座高速公路特長隧道。該隧道地處兩鄖斷裂區域，地質構造十分復雜。同時，隧道經過區域地形起伏很大，埡口段的不良地質對隧道具有很大的影響，又受兩鄖斷裂帶的影響，巖體節理發育，局部地段揉皺現象明顯，積聚有構造殘余應力;地表水系發育，山勢起伏較大，溝谷段賦存大量地下水。整體地質條件的惡化對隧道施工極為不利，在施工過程中容易發生變形等地質災害，因而，對該隧道變形的機理分析和處理就顯得十分重要。本文以二道埡隧道中出現的洞內變形為研究重點，對其作用機理、處理措施、評價手段進行分析具有較強的現實意義，相關結論與成果也可為類似工程提供參考和借鑒。

1 隧道工程地質條件及變形情況

隧道段地貌屬構造剝蝕中～低山丘陵地貌單元，地形起伏大，區內沖溝多呈北東向發育，沖溝內多為第四系覆蓋層。隧道區域在大地構造上屬南秦嶺地槽褶皺系中的三級構造單元武當復背斜內，次級構造單元為武當復背斜北部的兩鄖倒轉背斜近軸部。線路處于兩鄖背斜西北部。兩鄖斷裂在隧道進口附近通過，由一系列平行斷層組成，平面上多次分支復合，斷面總體傾向北東，傾角45～75€安壞取1廄謁南狄岳蔥鹿乖煸碩幻饗裕喜愎乖旆⒂疃先酢O唄非文諏嚴斗⒂O唄費由燁文謨肴槎喜閬嘟?F2、F3和F4)。隧道穿越的地層主要有:第四系(Q)覆蓋層、震旦系燈影組(Zdn)白云巖、震旦系(Zd)陡山沱組石灰巖和震旦系(Zy)耀嶺河組片巖。

二道埡隧道出口右線YK95+240~135段初期支護拱腰處出現大面積開裂與剝落現象，其中YK95+195~180范圍內工字鋼支撐有明顯壓屈現象，同時伴生較大的周邊收斂與拱頂下沉現象，部分初期支護侵入二襯界限。為保證洞內施工安全，施工單位當即在YK95+195~180段架設了臨時鋼支撐。

2 隧道變形原因分析

根據變形段出現的現象和監測數據，可以總結出以下幾點變形的主要原因:

(1)變形段巖性為強風化炭質灰巖，呈黑色，節理裂隙發育，結構面產狀雜亂，巖體破碎，強度較低，手可掰碎，地下水較發育，局部呈線流。隧道在此處平均埋深約150m，隧道軸線與山坡脊線大致平行。①

通過現場觀察和分析，二道埡隧道洞內變形處的巖體明顯呈層狀碎裂結構，軟弱結構面對圍巖起到了控制作用，雖然在此處沒有大型的地質結構面，但該變形很大程度上是沿著規模較小的結構面追蹤發展而成的，由此也顯示了巖體結構的影響及構造的控制作用。

連日的降雨使得一部分地表水通過節理裂隙滲透到圍巖的節理面就產生了以下的具體作用:②

①降低巖體特別是變形處結構面巖體的強度，對于軟弱巖體強度軟化系數一般為 0.5~0.7左右。

地下水活動將較弱結構面中的物質軟化或泥化，使結構面的抗剪強度降低(c，值減小)，摩阻力和內聚力減小。

②地下水的靜水壓力一方面降低了結構面上的有效法向應力，從而降低了結構面上的抗滑力;另一方面切割面中的靜水壓力又增加了巖體的下滑力，從而使圍巖的穩定條件惡化。

當存在裂隙水壓力時，水壓力作用方向與法向力N相反，抵消一部分正壓力，其穩定條件如式(1):

(1)

式中:——切向力;

——法向力;

——結構面的內摩擦角;

——結構面的內聚力;

——裂隙水壓力。

因此，當存在裂隙水壓力時，水壓力抵消了一部分法向力，同樣也導致內摩擦力減弱，增加了滑動力。裂隙水壓力不僅降低了摩擦力，而且會將軟弱結構面中的充填物帶走或飽水，這就使結構面上的內聚力幾乎消失，促使有滑塌趨勢的塊體發生沿軟弱結構面的變形。

(2)圍巖應力變化對隧道圍巖穩定性影響。由于隧道的開挖形成了地下空間，破壞了巖體初始應力場原有的相對平衡狀態，洞室周邊巖體將向開挖空間松脹變形，使圍巖中的應力產生重分布作用，形成新的應力狀態。

當對隧道空間進行支護后，如果穩定則圍巖的應力重分布作用將減緩。但是當地下水作用于軟弱結構面或軟弱泥化夾層后，圍巖的自承能力嚴重下降，圍巖的應力可能發生第三次甚至更多次應力的重新分布，造成圍巖變形甚至塌方。③④在此將用塌方拱的理論來解釋二道埡隧道的變形。

在如下的示意圖1中，隧道開挖至潛在的變形(或者塌方區域即軟弱夾層)前，隧道圍巖的應力還是均勻分布的。鋼拱架可以看作是一個支點在掌子面后方的懸臂梁，顯然，鋼拱架的支護作用可以滿足隧道圍巖穩定性的要求。

由于水的作用，軟弱夾層軟化造成圍巖跨塌，直至其形成穩定的自然拱(又稱坍落拱⑤)。在示意圖2中，拱腳發生應力集中，靠近掌子面的第一榀鋼拱架就由當初懸臂梁的一部分變成了后邊懸臂梁的支點，顯然它不能提供足以支撐圍巖穩定的力。這就是發生塌方時，緊鄰塌方區域的支護結構會發生破壞的根本原因。當然在塌方未形成之前，就是前述的變形。

圖1變形前應力分布示意圖

圖2變形后的應力分布示意圖

(3)由監測數據突變可知，在下臺階施工時，因開挖斷面增大導致初期支護承受不住圍巖壓力而出現變形與開裂現象。

(4)初期支護與圍巖未緊密接觸，背后存在較多空洞，局部只有表面平順，造成初期支護受力不均，局部鋼支撐受的壓力較大。

(5)錨桿存在偷工減料現象，并沒有真正起到加固圍巖作用，也沒有和鋼拱架連接在一起承受上覆圍巖荷載。

3 隧道變形處理措施

由于初期支護出現大面積開裂與剝落，并且局部出現侵陷，在考慮到各種施工因素之后，最終在YK95+140~195變形嚴重段采用42€?.5mm、長度為5m的徑向小導管對圍巖進行注漿加固，采用1.2m€?.2m梅花型布置;將YK95+245~135段的二襯變更為鋼筋混凝土，以承擔上覆圍巖部分壓力。施工過程中，先替換侵陷的拱架，然后二襯采用跳躍式施工，先施工變形嚴重地段，后施工普通段。

在對變形段進行檢測時，發現該段部分二襯存在斷面尺寸不夠現象，個別斷面拱頂處二襯厚度只有17cm(原設計二襯厚度為40cm)，故后期又對二襯進行補澆。

4 隧道變形處理效果分析

通過具有針對性的施工措施，較好地抑制了變形進一步發展的趨勢。

圖3YK95+200水平收斂曲線圖

圖4YK95+200拱頂下沉曲線圖

據監測數據分析，YK95+200斷面累計水平收斂值達94.55mm，拱頂下沉值為67.7mm，并在該值附近穩定，如圖3、4。

在處理變形的過程中也可以在輔助施工的同時，盡早施作仰拱使整個襯砌結構形成一個承載環，來約束變形的進一步發展。該方法在十漫線的云嶺隧道已經得到了使用，取得了較好的效果。

5 結語

我國未來隧道工程的發展較多地集中在地質條件變化較多的地區，設計單位提供的地質資料，施工前所制定的施工方法和防范措施及對策，不可能完全符合實際情況，因此在施工過程中，工程技術人員應經常觀察地層巖性和地質條件的變化，同時掌握一系列地質災害的發生機理，熟練地調整相應的處理措施。

除了介紹施工單位實際的災害處理措施外，還就變形控制方面提出自己對處理措施的一些意見。最后通過隧道監測數據分析，得到直觀的圖像，并據此對地質災害相應處理措施的效果進行了初步的評價。

注釋

① 中國地質大學(武漢)工程學院.，兩鄖斷裂帶對十漫高速公路隧道圍巖穩定性影響[R]，武漢:中國地質大學(武漢)，2003.

② 張咸恭，王思敬，張倬元，中國工程地質學[M]，北京:科學出版社，2000.

③ 黃成光，公路隧道施工[M]，北京:人民交通出版社，2001.

④⑤ 陳小雄，現代隧道工程理論與隧道施工[M]，成都:西南交通大學出版社，2006.