大變形隧道初期支護變形特征與應對措施

趙晨陽 雷明鋒 周博成 徐紅

（1.中南大學土木工程學院，長沙410075；2.中建隧道建設有限公司，重慶404100）

圍巖大變形是我國西部山嶺地區隧道施工過程中遇到的難題之一。木寨嶺隧道［1］、烏鞘嶺隧道［2］、云屯堡隧道［3］、毛羽山隧道［4］等均出現了不同形式和程度的圍巖大變形，導致初期支護噴射混凝土開裂剝落、鋼拱架扭曲變形、仰拱及填充層隆起開裂、二次襯砌混凝土開裂甚至剝落錯位等問題，給工程建設帶來了極大的困難。

諸多學者開展了圍巖大變形方面的研究。文獻［5］認為只要圍巖強度、初始地應力等滿足擠出變形條件，任何類型的巖層都可能發生大變形。文獻［6-8］采用三軸固結不排水剪切試驗發現圍巖壓力逐漸增大，軟巖破壞時軸向應變和變形模量均在增長。文獻［9］認為圍巖變形屬于塑性變形，具有累積性和顯著時間效應。文獻［10］認為隧道圍巖大變形是巖性、結構構造和人工擾動3種因素導致。

基于軟巖大變形產生機理，專家學者提出了剛性支護、先柔后剛、錨桿注漿一體化等軟巖大變形隧道初期支護理念。剛性支護通過增加支護結構強度控制圍巖變形［11］。該類支護結構剛度大、強度高，但抗震能力和延性差，受圍巖蠕變、地震、爆破等影響，隧道支護結構在運營期間易出現混凝土開裂、剝落，鋼拱架扭曲等問題。先柔后剛支護有吸能式支護和雙層初期支護2種。吸能式支護允許圍巖發生適量變形，先使圍巖初始應力部分釋放，再通過支護結構使圍巖應力與支護抗力達到平衡以控制隧道變形［12-14］。雙層初期支護采用第1層初期支護保護圍巖，采用第2層初期支護提升初期支護體系的強度及剛度，以達到控制圍巖大變形的目的［15-16］。

由于地質狀況、開挖方法、支護方案等存在差異，隧道大變形問題及應對措施仍需進一步研究。華坪—麗江高速公路東馬場1號隧道施工期間出現支護結構大變形，初期支護換拱率超過50%，嚴重危害施工安全，造成工期延誤和重大經濟損失。本文結合工程實際情況分析病害原因，提出應對措施，并通過現場試驗驗證措施的可行性。

1 工程概況

1.1 地理位置

華坪—麗江高速公路東馬場1號隧道位于麗江市永勝縣程海東側，平面位置見圖1。

圖1 東馬場1號隧道平面位置

該隧道屬于特長隧道，左線起訖里程為ZK70+180—ZK75+278，全長5 098 m，右線起訖里程為K70+130—K75+335，全長5 205 m。隧道高程為1 869.951～2 512.482 m，進出口相對高差642.53 m，最大埋深約612 m。該隧道周邊圍巖主要為Ⅳ，Ⅴ級軟弱圍巖，僅中部穿越Ⅲ級圍巖，如圖2所示。

圖2 地質縱斷面

1.2 工程地質與水文地質

隧址區地層主要為第四系坡殘積層、泥盆系中統碳山坪組、侏羅系下統馮家河組地層。巖性為泥巖、泥質粉砂巖、砂巖、石英砂巖、礫巖、灰巖和白云質灰巖。東馬場1號隧道處于構造剝蝕斷塊高中山地貌區，程海斷裂（F4）與隧道成43°角相交于K72+164（左線ZK72+150）。永安斷裂（F5）與華坪—麗江高速公路成70°角相交于K75+600（左線ZK75+580），距離東馬場1號隧道出口約270 m。

地下水由深至淺可分成碳酸鹽巖巖溶水、構造裂隙水和第四系孔隙潛水，最低基準排泄面為程海湖面。碳酸鹽巖巖溶水賦存于白云質灰巖、灰巖節理裂隙、巖溶管道中，埋藏較深，水量較豐富。構造裂隙水主要賦存于斷裂帶附近及構造擠壓區。由于構造裂隙較發育，隧址區富水性、透水性較好，雨季涌水量大。第四系孔隙水主要以潛水形式賦存于第四系松散土體中。

1.3 施工工法

東馬場1號隧道開挖寬度12.50 m，開挖高度10.05 m，開挖面積103.83 m2。隧道標準斷面設計如圖3所示。超前支護采用長3.0 mφ25 mm的中空注漿錨桿，間距為100 cm（環向）×60 cm（徑向）。初期支護為C25噴射混凝土、鋼筋網和鋼拱架。其中，噴射混凝土厚25 cm，鋼筋網由φ8 mm鋼筋構成，鋼筋間距為15 cm（環向）×15 cm（徑向），鋼拱架由I18型鋼制成，間距60 cm。初期支護預留變形量15 cm。防水層采用400 g/m2的土工布及PVC防水板。二次襯砌采用厚50 cm的C30防水鋼筋混凝土。該隧道主要采用三臺階法施工，從進、出口向中間開挖。

圖3 隧道標準斷面設計（單位：cm）

2 隧道災害及原因分析

2.1 隧道災害

隧道開挖至距洞口約900 m處時，初期支護大范圍出現大變形，初期支護換拱率超過50%。主要有以下幾種破壞形式：

1）初期支護侵限

初期支護施作完成后不久即出現大變形，其變形速率和變形量遠超規范允許范圍。1～2周出現初期支護侵限情況，拱頂累計沉降達590 mm，周邊收斂累計達630 mm，如圖4（a）所示。

圖4 東馬場1號隧道主要破壞形式

2）噴射混凝土掉塊、鋼拱架扭曲變形

初期支護出現嚴重的開裂掉塊情況。鋼拱架在拱頂、拱腰、邊墻、仰拱等位置均出現不同程度的扭曲變形，邊墻及仰拱處尤為嚴重，如圖4（b）所示。

3）底部結構開裂、隆起

填充層混凝土硬化后1～2周出現開裂及隆起。仰拱累計最大隆起1.5 m，最大裂縫12 cm，開裂深度貫通填充層，但未深入仰拱結構，如圖4（c）所示。

4）二次襯砌壓潰、墻腳內擠

二次襯砌施作完成約2個月拱腰混凝土出現壓潰剝落，鋼筋受壓屈服變形，二次襯砌墻腳內擠，如圖4（d）所示。

2.2 初期支護變形特征

為研究該隧道初期支護的變形特征，在右線K70+990—K71+240區段內選取50個監測斷面分析拱頂沉降及水平收斂隨時間的變化情況。5個典型斷面初期支護的拱頂沉降及水平收斂時程曲線見圖5。分析可得：同一斷面處，拱頂沉降和水平收斂時程曲線形態相似，兩者隨時間變化規律一致。根據圍巖變形速率，5個斷面圍巖變形均可劃分為3個階段：①快速發展階段。處于隧道變形前期，變形速率最快。初期支護變形在0～7 d超出預留變形量，隨即出現圍巖塌方或初期支護被嚴重壓屈、侵限等現象。②持續發展階段。處于隧道變形中期（第2～3周），變形速率明顯減緩，但變形仍在持續增長，各斷面的變形速率和累計變形量出現較大差異。③穩定階段。處于變形后期，變形速率最慢，大部分斷面變形已趨于穩定，個別斷面仍然有較大增長。

圖5 典型斷面初期支護變形時程曲線

2.3 原因分析

1）地質構造

受斷裂影響，斷裂帶及其附近巖體極破碎。物探與鉆探結果表明該斷裂帶巖層風化強烈，節理裂隙發育，溶蝕發育，圍巖等級低，穩定性差，富水性和透水性較好，且水位動態變化大。

2）圍巖性質

距隧道進口約900 m的大變形區段圍巖為砂質泥巖，節理裂隙發育，呈碎塊狀，強度低，遇水成泥。距隧道出口約1 800 m的大變形區段圍巖為灰巖，開挖后呈碎塊狀、粉末狀，且隧道處于活動斷裂帶影響區。隧道開挖后圍巖自穩能力差，初期支護變形無法穩定，導致出現大變形。

3）地應力

隧址區豎向地應力為6.24 MPa，水平地應力為5.69 MPa，屬于高地應力區。大變形區段圍巖風化嚴重，單軸抗壓強度低，受地應力影響隧道開挖后支護結構持續變形。

4）初期支護強度不足

I18或I20工字鋼所形成的支護體系難以抵御圍巖壓力，造成初期支護噴射混凝土掉塊、鋼拱架扭曲變形等情況。同時，原設計鎖腳錨桿長4.5 m，不足以鎖住拱腳，造成初期支護周邊收斂較大，邊墻鋼拱架折斷變形。

5）施工問題

經檢查發現圍巖與初期支護之間存在空洞，鎖腳錨桿固定強度不夠，系統錨桿深度不足，隧道爆破開挖擾動及初期支護閉合時間晚。這些施工問題對隧道大變形有一定影響。

3 圍巖大變形應對措施

東馬場1號隧道處于高地應力區，圍巖自身承載力極低，若“以放為主，先放后抗”很難保證圍巖達到穩定狀態。為此，提出“抗放結合，以抗為主”圍巖大變形處置原則，并提出“雙層初期支護+二次襯砌”的應對措施。

因施作時間存在差異，雙層初期支護能否完全黏結在一起尚存在疑問。考慮到隧道已經出現大變形問題，分析時將其理解為未黏結在一起。雙層初期支護在橫截面上的總應力為兩層初期支護各自承擔應力的疊加。基于上述分析，結合現場實際情況和施工經驗擬定3種厚度組合方案，見表1。

表1 厚度組合方案

采用地層—結構法建立3個二維有限元計算模型，計算雙層初期支護的受力和變形，以確定最優厚度組合。為簡化計算，將錨桿和鋼拱架等效為相同強度等級的圍巖進行模擬，其他模擬施工步驟與現場一致。從最不利情況考慮，分析巖性最差（V級）的情況。

計算模型如圖6所示。隧道仰拱最低點距模型左邊界和下邊界分別為40，35 m。計算參數見表2。雙層初期支護均按C25混凝土參數取值。

圖6 計算模型

表2 計算參數

根據JTG 3370.1—2018《公路隧道設計規范第一冊土建工程》，支護結構在永久荷載及基本可變荷載共同作用下，當軸向力偏心距e0≤截面厚度h時采用抗壓最小安全系數2.4。先計算結構軸力與彎矩，再參照結構尺寸和材料參數，計算得到雙層初期支護各層的安全系數（混凝土極限抗壓強度與混凝土應力的比值），見表3。

表3 雙層初期支護安全系數

由表3可見：方案1第1層的安全系數就不滿足規范要求，故沒有給出第2層的安全系數。對于另外2個方案，第1層、第2層初期支護的安全系數均大于2.4，達到施工安全要求，但方案2的安全系數明顯更高。可知雙層初期支護中的第1層并非越厚越好，應在保證第1層初期支護具有一定強度與剛度的前提下，合理選取兩層初期支護的厚度。

4 實施效果

為驗證方案2的可行性，在活動斷裂帶影響區開展現場試驗。試驗段位于K71+275—K71+325，長50 m。在各監測斷面拱頂布置沉降測點，拱腰布置水平收斂測點，以量測雙層初期支護的變形情況，并與單層初期支護段變形對比。

初期支護變形穩定后各監測斷面的變形量見圖7。其中，單層初期支護曲線反映單層支護段的變形狀況，第1層、第2層初期支護曲線反映雙層初期支護段的變形狀況。

由圖7可知：①單層初期支護段拱頂沉降基本穩定在35～45 cm，水平收斂在25～55 cm，隧道會大變形失穩。②雙層初期支護段施作第2層后拱頂最大沉降為10 cm，最大水平收斂為11 cm，均小于預留變形量15 cm，表明雙層初期支護抑制圍巖持續變形的效果良好。

圖7 初期支護變形穩定后各監測斷面的變形量

5 結論

1）東馬場1號隧道圍巖變形可分為快速發展、持續發展和趨于穩定3個階段，時間分別對應于支護結構施作完成后0～7 d，2～3周，3周以后。

2）該隧道出現病害是地質構造、圍巖性質、地應力、初期支護強度和施工問題多因素綜合作用所致。

3）結合工程具體情況，提出“抗放結合，以抗為主”的大變形處置原則和“雙層初期支護+二次襯砌”的應對措施。經比選兩層初期支護第1層和第2層厚度分別取28 cm和24 cm。經現場試驗，施作雙層初期支護后拱頂最大沉降10 cm，最大水平收斂11 cm，均小于預留變形量15 cm，滿足施工要求。