淺埋軟弱大斷面隧道圍巖與支護結構協調變形研究

劉國偉

（山西省交通環境保護中心站（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，巖質類地層主要為全風化或強風化巖，土質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，基于對這些因素的考慮，許多學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經驗，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措施。趙東平等[6]基于大量黃土隧道的統計分析，對圍巖變形規律和預留變形量進行了探討。營磊和蓋英志[7]結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律與相應的控制要點。

當前，隧道施工往往從大剛度支護、超前加固技術、開挖方法及預留變形量四方面入手制定變形控制措施，而在設計與施工過程中均沒有考慮初期支護結構和周圍巖體之間的相互協調變形問題。這種協調變形關系與隧道開挖方法有關，具有明顯的時空效應，得到不同開挖方法下圍巖與支護結構協調變形關系，就能獲得合理的預留變形量，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

隧道在開挖后產生圍巖變形，其產生的總變形量u 通常包括掌子面開挖前的超前變形量uf，監測中喪失的變形量ui和監測得到的變形量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害，需要保留預留變形量，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，要充分發揮圍巖自承能力。典型圍巖特征與結構支護剛度曲線如圖2所示。地質條件較差時，常需提高結構剛度來保證圍巖穩定。實際上，大剛度支護能提高承載力，但無法限制支護結構隨地層的位移，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 設計中的問題

淺埋軟弱圍巖隧道設計通常面臨兩方面問題，一是規范中規定的預留變形量與現場實際變形量不匹配的問題；第二是預留變形量下支護結構中鋼架加工與安裝位置的問題。經驗表明，軟弱淺埋隧道圍巖的變形遠不止規范中規定的范圍。設計文件中對預留變形量通常按照預設計對待，即實際預留值可根據現場情況調整，但此時預留變形量是定值。對于鋼架尺寸及放置是否隨圍巖變形做出改變，當前設計都較為含糊。監控量測得到的大變形量不可能是支護結構材料的變形，增大預留變形量意味著鋼架尺寸與支護結構均較原設計增大，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構之間的實際協調變形角度出發來解決該問題。

2 圍巖與支護結構協調變形

2.1 變形規律總結

結合文獻[1-3，6，9-11]中的研究結論及變形監測數據可以得到淺埋軟弱地層隧道變形通常具有以下特點：

a）多數隧道大變形表現為初支侵限，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）多數情況下，大變形發生后襯砌并沒有產生明顯的開裂或脫落，初支結構是以整體位移的形式發生侵限。

e）初支結構施作閉合后，變形很快就趨于穩定。

2.2 協調變形假定

隧道結構受力情況如圖3所示。圍巖變形通常通過現場監控量測間接得到，但監測得到的變形是圍巖壓力與地層位移雙重作用的結果，包含了支護結構變形與地層位移，兩者之間存在某種協調變形關系。

圖3 支護結構及圍巖壓力分布示意圖

a）假定1 支護結構在圍巖壓力作用下發生自身結構變形。

支護結構在地應力作用下向洞內臨空側變形，即支護結構自身的材料變形，以拱腳位置鎖腳錨桿為固定端約束。按照結構設計理論，假設鋼架及混凝土屈服時最大應變為0.002，那么產生的最大收縮變形值為56 mm左右，顯然與普遍的大變形現象矛盾。

b）假定2 支護結構在圍巖壓力作用下發生撓曲變形。

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壓力，支護結構頂部弧度增大而發生下沉，而側墻弧度減小，向圍巖一側位移。但考慮到隧道水平收斂普遍為正值，即支護結構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 支護結構發生整體下沉。

初期支護閉合前可能發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構下移刺入地層。該假定可以解釋軟弱地層下拱頂沉降很大而結構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象。

d）假定4 支護結構發生整體下沉，拱墻撓曲變形，且拱腳向內側偏上移動。

在假定3 的基礎上，假設拱腳發生下沉，同時以拱頂為端點發生撓曲變形，此時支護結構拱頂與拱腳部位的大變形問題均可得到很好的解釋，具體的支護結構變形如圖4所示。該體系由兩部分構成，支護結構整體下沉后拱腳下移，有刺入仰拱的趨勢，繼而側向撓曲變形，拱腳部位同時向上和向內移動，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

根據上述假定分析，可根據變形關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、變形穩定后正好達到設計輪廓線位置的支護策略，實現設計目標。隧道支護結構變形模型如圖5所示，具體的步驟是在開挖之初預留合理變形量，支護結構在閉合之前頂部發生了明顯的下沉，側墻則弧度增大、向內收斂，變形末期正好達到設計輪廓線位置，仰拱處支護按設計尺寸加工實現安裝。支護結構閉合之前，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 理想支護結構變形模型

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各部分及時封閉成環，可減小初始階段的圍巖壓力，封閉成環后可快速產生大剛度作用，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，由于增大斷面會導致圍巖壓力增大，表現出整體的下沉；第④部分完成后，往往要經歷一定的變形達到整體穩定狀態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。

3.2 預留變形量調整對策

分部開挖法體現了“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，將預留變形量與開挖方法進行合適的匹配，使支護結構完成變形后正好達到設計時的期望效果。

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監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，待沉降穩定后，整個斷面位于設計高程，而不會產生超挖。鋼架按照設計尺寸加工，左右依次拼接。最早開挖部分提高的預留變形量也可以參考規范中預留變形量值。

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于預留變形量的處置措施。在無臨時仰拱時，支護結構的變形包括整體沉降與側向撓曲，根據其變形規律，在隧道上臺階開挖時，將鋼拱架儲備一個更大的變形空間。從預留變形量的角度出發，該方法實際上是采用了拱頂、拱墻不同預留變形值的方案，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，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 結論

a）淺埋軟弱隧道監測到的變形是由隧道整體結構的協調變形及結構撓曲變形引起。

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，非等間距的預留變形量是合理的。

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，按照設計進行施工，該量值應根據監測資料確定。