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構容易變形[1]。通過對目前大量實際工程中發生軟巖大變形的隧道的地質情況進行分析可以發現，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。根據工程地質勘探結果顯示，該隧道區域地質情況分布為表層第四系全新統殘坡積（Q4el+dl）粉質粘土、角礫土，下伏基巖為強風-中風化志留系新灘組（S1x）頁巖。基巖裂隙發育，物探結果顯示異常，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，右洞出現了初級支護開裂、掌子面垮塌、鋼架變形侵限等地質情況，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

在隧道開挖出現襯砌開裂變形侵限等問題后，通過監控量測對隧道的變形速率和特點進行監控和統計，總結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，右洞出現大范圍變形。根據監控兩側顯示，這次變形具有變形速率大的特點；根據監控量測的數據統計得出，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范圍內的初級支護，均出現了初噴混凝土開裂、拱架變形等情況，如圖2 圖所示。根據裂縫的發展方向統計可以看出，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

根據隧道現場的變形情況和裂縫發展方向可以判斷，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。結合工程地質的縱斷面可以看出，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，由于該段圍巖地質條件差，施工單位為了追求進度，沒有根據實際工程地質情況調整施工方法，進而造成施工步距較大，而這也是造成隧道發生變形的一個誘因[3]。

4 大變形施工控制

4.1 提高襯砌結構的支護強度

在隧道的支護結構中，初期襯砌結構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構的強度和整體性。為了提高隧道襯砌結構的整體受力性，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，將系統錨桿改為注漿小導管環向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，根據調整完的初期支護參數，對已發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，進而導致應力出現集中現象。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向注漿，同時結合系統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。具體做法是改變三臺階施工工法，采用預留核心土臨時仰拱橫撐三臺階法施工，如圖4 所示；同時結合實際情況對施工參數進行控制，縮短臺階的間距，加快仰拱的施工，使初期支護盡早成環，以此提高整體的受力特性。另外，控制掌子面的爆破參數，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控量測和超前地質預報工作。

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不能夠滿足實際需求。鋼架在發生變形后，出現了較為明顯的侵限現象。因此，施工人員需要結合實際情況將原設計的12cm 預留變形量調整為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，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構，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的監測，只有滿足設計和施工規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構。

5 結語

根據本文的分析調查發現，造成王家山隧道發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情況。因此，在施工過程中，通過加強王家山隧道襯砌結構的強度、優化施工方法、增加隧道圍巖預留變形量、及時施作二次襯砌結構，能夠綜合提高圍巖的完整性和結構的支撐強度。優化調整后，根據監測量控數據顯示，隧道的變形段圍巖變形趨于穩定，且取得了良好效果。