初期支護封閉對隧道圍巖變形影響的測試分析

劉 志

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

軟弱地層中進行隧道開挖時，由于圍巖承載及自穩能力不足，常常引起洞內圍巖及洞外地表發生較大的變形，主要表現在洞內初期支護及洞外地表發生開裂、變形，嚴重時會導致初期支護侵限，甚至是隧道塌方、冒頂[1]。目前，軟弱圍巖地層隧道常采用臺階法進行施工開挖，對于變形較大的隧道，及時封閉初期支護是控制隧道圍巖變形的有效措施[2]。

本文以湖南省炎陵高速公路炎陵I號隧道現場的開挖情況為例，結合實測數據，對軟弱地層中隧道開挖時的圍巖變形情況進行分析。通過對比3種情況下圍巖變形的實測數據，說明封閉初期支護對隧道洞內變形的影響，指出盡早地進行初期支護封閉可以避免較大變形產生的重要意義，在已發生初期支護變形較大情況下，封閉初期支護也能夠有效地起到控制變形的作用。

1 工程概況

炎陵I號隧道為雙向四車道分離式隧道。隧址區屬低山丘陵隧道，地形表現為一近南北向伸展的山脊，隧道垂直于山脊線從山脊的鞍部穿過，進口段左右線位于略為突出的山咀兩側，西側山腰部一帶為中坡地形，隧道開挖存在埋深淺、巖質軟、變形發展快、成洞困難等特點。

隧道洞內圍巖情況主要為硬塑—軟塑礫亞黏土和強—全風化泥巖頁巖，開挖后圍巖基本呈土狀，巖土體松散破碎，黃褐色夾部分灰白色及灰黑色，地下水較為發育，掌子面較為濕潤，土（巖）體破碎，浸水后軟化，強度低，開挖后呈膠泥塊狀或碎土狀，圍巖的穩定性很差。

隧道進口段V級圍巖支護段主要支護參數為I18工字鋼（縱向間距50 cm），25 cm厚C20噴射混凝土，φ8鋼筋網(間距20 cm×20 cm）；開挖采用臺階法進行，分兩個臺階進行開挖，上臺階留有核心土。

為了有效獲得隧道洞內外變形數據，判斷隧道初期支護的穩定情況，對現場施工起到有效地指導作用，在隧道進口段主要進行了洞外地表沉降測量、洞內周邊收斂和拱頂下沉和初期支護鋼支撐內力測量等變形測試項目，主要測試項目及測點位置如圖1所示。

圖1 周邊位移和拱架應變布置示意圖

2 圍巖變形數據分析

在隧道開挖過程中，炎陵I號隧道開挖過程中存在圍巖壓力大、洞內外變形發展較快，初期支護變形明顯的特點，在洞口段 YK120+720—760，ZK120+695—720段，實際開挖過程中支護封閉時間較晚，上臺階開挖后，未及時跟進下臺階開挖，初期支護從開挖到封閉時間最長可達15 d以上；ZK120+760—790段在上臺階開挖后，很快進行了下臺階的開挖并實現了支護封閉，整個斷面的封閉時間在7 d以內；在ZK120+720—760段，上臺階開挖3～5 d內將上臺階的支護通過臨時仰拱實現了支護封閉。下面選取典型斷面，對這3種情況下的變形數據進行分析。

2.1 工況一 下臺階開挖滯后，支護封閉時間晚

該段圍巖主要為全風化含礫石亞黏土，施工過程中未及時采取封閉初期支護措施，開挖后變形一直較快發展，下臺階開挖嚴重滯后，隧道變形不斷發展，加之該段埋深較淺，洞外地表及洞內初期支護多處出現開裂現象，嚴重威脅隧道施工安全。這里選取YK120+733斷面，列出了開挖過程中該段收斂及地表的變形數據（圖2和圖3），以便直觀地分析隧道的變形情況以及采取相應措施以后的變形控制效果。

圖2 YK120+733斷面收斂變形曲線圖

圖3 YK120+733斷面地表沉降曲線圖

該段隧道施工中上臺階變形一直較大，從YK120+733斷面水平收斂數據看，在開挖前5 d平均值可達12.1 mm/d，約15 d以后，累計變形達132 mm。伴隨變形發展相繼出現初支及地表開裂現象，圍巖穩定不能保證。在上臺階采取施作臨時仰拱封閉支護的措施以后，現場測試的圍巖變形數據明顯變小，變形曲線出現明顯的拐點，曲線在封閉支護后變形區域平緩，最終圍巖變形得以控制后，順利開挖下臺階及進行了仰拱施作，最終支護結構封閉成環后，隧道變形逐漸穩定。

2.2 工況二 快速開挖下臺階，并封閉初期支護

該段開挖過程中圍巖仍以全風化含礫石亞黏土為主，黏土中夾雜有強風化泥巖和頁巖巖塊，施工中采取了快速開挖下臺階后及時施作仰拱封閉初期支護的措施。這種在上臺階變形較快發展情況下繼續加大開挖斷面的做法對隧道結構穩定不利，但由于該段圍巖屬軟巖，機械開挖過程中開挖和出碴可同步進行，施工速度較快，能夠實現及時進行施作仰拱封閉初期支護的措施，洞內圍巖在封閉一段時間以后變形逐漸趨于穩定。圖4和圖5分別列出了典型斷面YK120+783開挖時水平收斂變形情況以及在該段進行的鋼拱架內力測試情況。

圖4 YK120+783收斂變形曲線圖

圖5 YK120+783斷面測點鋼架應力曲線圖

從水平收斂數據看，開挖前5 d變形速率平均值在-8.2 mm/d，累計值達為-114 mm。之后由于施工原因，該段開挖停工6 d，停工期間變形繼續發展，開挖13 d以后進行下臺階開挖，同一斷面下臺一次開挖并施作仰拱，在24 h內仰拱施作完畢并進行回填。從收斂變形數據可以看出，斷面支護封閉約3 d后變形速率明顯減小，曲線逐漸平緩，速率向穩定趨勢發展。整體上看，前期隧道洞內累計變形略大，停工期間變形也不斷發展，由于支護封閉較快，支護結構有效地發揮承載作用，隧道變形在封閉及時得到了控制，變形最終達到穩定狀態。

2.3 工況三 上臺階開挖后，及時封閉支護

該段隧道開挖過程中圍巖情況主要為全風化含礫石亞黏土，隧道埋深較淺，約3～25 m之間。該段施工開挖時也存在變形較大，變形發展較快現象。施工時吸取了前期右洞施工時變形較大的教訓，采取了及時施作臨時仰拱封閉支護的方法，這樣施工有利于及時完成支護封閉，同時封閉后相當于減小了開挖斷面，施工中隧道變形得到了有效的控制。圖6和圖7分別列出了典型斷面ZK120+732處水平收斂和地表變形情況。

圖6 ZK120+732斷面收斂變形曲線圖

圖7 ZK120+732斷面地表變形曲線圖

分析水平收斂變形數據可以看出，開挖5 d內變形平均值在-9.8 mm/d，累計值-50.8 mm，圍巖變形較快，在第5天施作臨時仰拱封閉上臺階支護后，變形曲線出現明顯拐點，曲線趨于平緩，變形得到控制。需要指出的是，由于施工過程中，工序轉換以及核心土開挖滯后的影響，從斷面開挖至施作臨時仰拱的時間約為3～5 d，如能通過提高施工效率，縮短施作時間，洞內外變形值能得到更有效的控制。從圖6和圖7的洞內及地表變形數據可以看出，最終累計變形值控制在相對較小范圍，隧道結構逐漸趨于穩定。

2.4 各典型斷面圍巖收斂變形特點總結

圖8 各工況典型斷面水平收斂變形統計

從圖8給出的曲線圖可以看出，各典型斷面變形速率最大值和封閉后平均變形速率相差不大；從相應的收斂曲線圖也可以看出變形速率最大值均發生在斷面上臺階開挖初期，下臺階快速開挖封閉段下臺階開挖時變形速率也較大；實行封閉初期支護后斷面變形速率在-1 mm/d以下，并且由于應力的重新分布，實際上還出現了變形向外擴張的現象。最終斷面變形均很快得到有效控制，說明在支護及時封閉對隧道變形的控制作用明顯。

3 結論

a)該隧道主要的變形特點為：開挖后，未封閉前，變形迅速發展，支護封閉后，隧道變形很快向趨于穩定發展。封閉初期支護可以改變支護受力情況，支護封閉時間越早，變形累計值越小，圍巖變形趨勢越早趨于穩定。

b)通過對比不同工況的變形情況，隧道圍巖變形速率發生較大變化的點均在封閉支護施作前后，施作以后變形曲線斜率明顯減小，可見，越早將支護結構封閉成環，就能夠越早地控制洞內變形。

c)對于支護結構施作以后變形發展過快，隧道變形得不到有效控制的隧道，可在隧道上部開挖后快速施作臨時仰拱，形成封閉的支護結構，將圍巖變形控制在可接受范圍內，并應盡快進行下臺階開挖施作仰拱，初期支護封閉成環。

d)快速及時進行支護封閉是控制洞內變形有效的措施之一。在隧道施工過程中，應當及時進行有效實時的監控量測工作，掌握隧道圍巖變形情況，判斷支護結構承載情況，確認結構安全并及時采取措施規避施工風險。