軟巖隧洞施工變形特性的研究

韓 強 呂 斌

(新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，烏魯木齊 830000)

新疆阿克土木蘇克隧洞為軟巖隧洞，洞深段長1825m，為無壓明流隧洞，開挖分進出口同時進行，隧洞開挖型式為圓拱直墻形，最大開挖斷面尺寸為6.1m×6.1m，襯砌斷面型式為馬蹄形，斷面尺寸為4.9m×4.9m，設計流量48m3/s，隧洞縱坡1/1000。隧洞穿越的地層為第三系半膠結狀態的砂巖、砂礫巖和泥巖互層，巖體軟弱，工程地質條件較差。天然狀態抗壓強度為 0.42～0.45MPa，縱波波速1000～2080m/s，洞體一般埋深30～40m，最大埋深43m，地下水不發育，局部地段含上層滯水。

1 開挖方法及支護參數

1.1 開挖方法

采用上下臺階法、先起拱點以上人工開挖，預留核心土，長度控制在 1～2m。后起拱點以下，機械（小挖機）開挖為主，局部不平欠挖，人工風鎬開挖。要求圍巖面清理干凈、平整，無松動巖石?？刂瞥冢骨吠?。

開挖后斷面要求：洞軸線允許偏差5cm,底部標高允許偏差 0～＋10cm,徑向、側墻允許偏差 0～10cm,開挖面平整度允許偏差≤10cm。開挖后支護前及時進行隱蔽工程驗收。

1.2 支護參數

根據地質條件，Ⅳ類圍巖地區襯砌斷面型式為Ⅱ型，開挖斷面尺寸為6.1m×6.1m，格柵拱架間距1.0m，一次支護噴混凝土C20，厚度15cm，掛鋼筋網φ6，網格尺寸 20cm×20cm，系統錨桿φ20，長度2.0～2.5m，間距1.0m，二次襯砌厚度40cm。Ⅳ-Ⅴ類圍巖地區襯砌斷面型式為Ⅰ型，開挖斷面尺寸為 6.1m×6.1m，格柵拱架間距 1.0m，一次支護噴混凝土 C20，厚度 20cm，掛鋼筋網φ6，網格尺寸20cm×20cm，系統錨桿φ20，長度2.0～2.5m，間距 1.0m，二次襯砌厚度 45cm。其中個別地質條件較差地段，打超前錨桿。

2 巖體中一次支護后變形監測

阿克土木蘇隧洞收斂監測是控制施工安全、變更支護參數和確定襯砌型式的要信息來源，在不同地質條件地段，安全監測工作是軟巖隧洞保證安全施工，減少塌方，避免各種安全事故的發生的關鍵性措施。為此，安全監測工作在軟巖施工中就特別重要。正是因為把安全監測貫穿于設計與施工的全過程，才保證了施工安全。

2.1 安全監測

阿克土木蘇克隧洞為軟巖隧洞，以粘性土為主，具有一定的膨脹性，節理、裂隙較發育。在隧洞施工中，以收斂和頂拱沉降監測為主，通過監測斷面的監測獲得圍巖沉降、收斂變形數據。

收斂監測斷面設置為 5測點、6條測線，斷面布置見圖1。

圖1 收斂監測斷面布置圖

2.1.1 隧洞頂拱下沉狀態

頂拱沉降監測斷面間距為25m，監測采用前視頂拱掛尺，后視邊墻底板立尺。在埋深10～20m的洞段中，監測天數 15～18d，距離掌子面 45m，沉降值一般在10～20mm之間，沉降速率一般在0.5～2.0mm/d之間。

就其目前的下沉變形狀態分析，該洞段最大總下沉變形量約為22mm左右，平均速率為1.28mm/d，沉降值、沉降速率均較小，下沉變形速率在監控指標的范圍內，比較典型的頂拱下沉變形狀態如圖 2所示。

從圖中可以看出，在格柵拱架噴混凝土支護下，頂拱下沉變形沒有明顯的減緩，而是隨時間的增加，下沉變形增量緩慢的減少。

圖2 頂拱下沉監測成果圖

圖3 頂拱下沉監測成果圖

在隧洞埋深達到最大42m的洞段中，統計了監測時間 15天左右各監測斷面的資料，距離掌子面25～30m，沉降值一般在60～90mm之間，沉降速率一般在3～8mm/d之間，平均為4.9mm/d，沉降值、沉降速率均較大，典型的頂拱下沉變形狀態如圖 3所示。

從圖3中可以看出，頂拱下沉過程線沒有拐點，下沉變形量呈勻速增加，這就是土體隧洞與巖體隧洞的不同之處。在沉降過程中，洞室底板肉眼可見隆起，說明洞室是整體下沉的，其數據明顯高于埋深淺的洞段，可見隧洞埋深大的洞段與埋深淺的洞段變形有明顯的不同，土體隧洞埋深的深淺對洞室變形影響很大。

2.1.2 隧洞收斂變形狀態

收斂變形監測斷面間距為25m，在埋深10～20m的洞段中，監測時間 25天左右各監測斷面的資料顯示，收斂值一般在4～18mm之間，收斂速率一般在 0.07～5.35mm/d之間，該洞段最大收斂變形量約為18mm左右，平均收斂速率為0.74mm/d；收斂值、收斂速率均較小，各監測斷面拱角2-3測線的收斂值，均大于側墻4-5測線的收斂值，說明在該埋深洞段以拱角2-3測線變形為主。

其典型的收斂變形狀態如圖 4、5所示。圍巖初期加速變形一般為前 3～4d、距離掌子面兩倍洞徑時完成，開始趨向減速變形。在掌子面前進過程中，下沉變形階段性的加速，形成變形臺階，變形已收斂?？刂贫词易冃蔚闹饕枪敖?-3、側墻4-5測線。

圖4 頂拱下沉監測成果圖

圖5 頂拱下沉監測成果圖

圖6 頂拱下沉監測成果圖

以SL1-5斷面為例，停測時監測天數27天，距離掌子面40m，收斂變形拱角2-3測線11.30mm，側墻 4-5測線 4.55mm；拱角 2-3測線收斂速率為0.17mm/d，側墻4-5測線收斂速率為0.09 mm/d，收斂值、收斂速率均較小。從圖4中可以看出，收斂變形趨于穩定變形，呈等速變形狀態，說明變形已收斂，變形量和變形速率均在監控指標范圍內，對二襯混凝土的厚度沒有影響。

從圖6中可以看出，收斂過程線沒有明顯的拐點，收斂變形量呈勻速增加，沒有收斂的跡象，各監測斷面拱角2-3測線的收斂值，均小于側墻4-5測線的收斂值，說明在該埋深洞段以側墻4-5測線變形為主（見圖6）。

各監測斷面的資料顯示，該洞段的變形明顯高于埋深淺洞段的變形，目前的變形已遠超設計的監控指標的范圍，在一襯噴射混凝土面上可見明顯的縱向和橫向裂縫，嚴重影響二襯混凝土的厚度和洞室安全。為此設計和施工方及時采取措施，用工字鋼對格柵拱架底角進行水平橫向支撐，格柵拱架間距從1.0m改為0.5m，限制住了洞室水平向變形，效果明顯。支護后同期拱角2-3、側墻4-5測線的收斂值、收斂速率均比支護前小了一半，保證了洞室的安全和二襯混凝土的厚度。

2.2 施工期與永久期觀測相結合的觀測

這種觀測儀器主要采用從地表埋入巖體的多點位移計2套。每套5個測點（傳感器距開挖面分別為 0.5m、1.7m、4.3m、9.7m和 20.7m距離，在施工前埋設）；開挖后距開挖面1.0m埋入巖體單點位移計 2 只，雙點位移計 2 套；在錨桿上安裝錨桿應力計 3 支，在格柵拱架上安裝應力計 3 支。

各種監測儀器工作正常，監測結果規律與收斂監測結果基本一致，格柵鋼筋計和錨桿應力計應力在開挖距離1.5倍洞徑以內增長較快，以后緩慢發展，格柵應力在3倍洞徑以后，開挖1個月以后，受力趨于穩定，錨桿由于圍巖蠕變效應，趨于穩定時間和距離長一些。頂拱巖體變形較小，洞內位移計變形值在6mm以下，地表多點位移計最大變形值在17mm以下，越靠近洞頂變形越大，遠離洞頂變形越小,其中多點位移計因為在開挖前從地表鉆孔埋入巖體，所以測得了施工全過程的變形值，該儀器已工作1年,利用這些觀測數據指導了襯砌結構的優化。

根據收斂變形實測資料和變形曲線圖分析，阿克土木蘇隧洞變形較大，具有一定流變特性，圍巖屬較典型的粘彈性體。具有較強的膨脹性，且巖體含水率大，其變形的時間效應在觀測時段內接近開挖進尺產生的空間效應，應加大支護強度并適當預留變形量，控制和減小變形發展，并在適宜的時間和開挖進尺范圍內進行二次襯砌。根據開挖掌子面通過多點位移的時間及變形情況分析，開挖掌子面距離多點位移計1.5倍洞徑時變形速率隨進尺逐漸增加，掌子面超過觀測斷面20～25m以后變形速率降至0.01mm/d，二次襯砌完成后變形停止。位移計觀測變形值均小于收斂變形值，變形規律符合軟巖隧洞的一般特征。

3 一次支護后變形特性

在泥巖地段一次支護以后，在淺埋深洞段，圍巖變形較小，變形值在18mm以下，開挖距離在1.5倍洞徑以內，變形速率在1～6mm/d之間，當開挖過去3倍洞徑以后，圍巖變形空間效應釋放完畢，轉變為時間效應，圍巖變形蠕變效應明顯，變形速率在0.05～0.20mm/d之間，變形隨時間繼續蠕變。而在深埋深洞段，上述效應基本消失，收斂變形量呈勻速增加，沒有收斂的跡象，圍巖變形較大，變形值達280mm，收斂速率一般在3～15mm/d之間。

一般規律，當圍巖變形達到總變形的80%～90%時，是施工二襯混凝土的最佳時機，但此工程深埋深洞段，在按現有的設計方案施工過程中，完全違背了上述規律，測不到總變形，如想測總變形有可能導致洞室坍塌。這也是在此地質條件下，該隧洞深埋深洞段圍巖變形與其他工程不同之處。

在軟巖隧洞開挖中，遇到膨脹巖或類似地質結構時，由于巖體作用在支護體上的應力較大，在這種情況下很難用一次支護來限制其變形量，而適當加強一次支護，限制一次支護的變形速率，并根據實際情況預留適當的變形量，及時進行二襯混凝土施工，利用二襯混凝土來抵抗圍巖應力，是一種可行的方法。

4 結 語

(1)軟巖地區隧洞開挖及支護應遵循“短進尺、強支護、快封閉”施工原則。通過對現場監控量測信息分析及時調整支護設計參數，有效抑制了圍巖異常變形，確保隧洞施工安全現場施工要適時支護，當變形速率較小，很快趨于穩定，就應該減弱一次支護。當變形速率較大，空間效應釋放完畢以后，變形繼續發展，應及時采取措施增加一次支護強度，抑制和減少變形速率及變形值，并根據實測變形應力的變化，適時進行二次襯砌。

(2)隧洞中強膨脹泥巖段后續施工中，采取加強一次支護，增大預留變形量，用工字鋼對格柵拱架底角進行水平橫向支撐，格柵拱架間距從 1.0m改為0.5m，限制住了洞室水平向變形，效果明顯，并及時跟進施工二襯混凝土，二襯混凝土與開挖掌子面距離保持在 40～50m，這是通過收斂監測資料分析得到的較佳距離。利用二襯混凝土抵抗圍巖膨脹力的施工方法，較好解決了膨脹泥巖對隧洞施工的影響。一次支護中格柵拱架、砂漿錨桿、掛網噴混凝土和錨桿加混凝土封閉底板限制圍巖變形作用顯著，對圍巖安全穩定起到很大作用，說明這種支護方式是行之有效。