趙晨陽 雷明鋒 周博成 徐紅

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

圍巖大變形是我國西部山嶺地區(qū)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(xiàn)了不同形式和程度的圍巖大變形，導(dǎo)致初期支護(hù)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(shè)帶來了極大的困難。

諸多學(xué)者開展了圍巖大變形方面的研究。文獻(xiàn)［5］認(rèn)為只要圍巖強(qiáng)度、初始地應(yīng)力等滿足擠出變形條件，任何類型的巖層都可能發(fā)生大變形。文獻(xiàn)［6-8］采用三軸固結(jié)不排水剪切試驗發(fā)現(xiàn)圍巖壓力逐漸增大，軟巖破壞時軸向應(yīng)變和變形模量均在增長。文獻(xiàn)［9］認(rèn)為圍巖變形屬于塑性變形，具有累積性和顯著時間效應(yīng)。文獻(xiàn)［10］認(rèn)為隧道圍巖大變形是巖性、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和人工擾動3種因素導(dǎo)致。

基于軟巖大變形產(chǎn)生機(jī)理，專家學(xué)者提出了剛性支護(hù)、先柔后剛、錨桿注漿一體化等軟巖大變形隧道初期支護(hù)理念。剛性支護(hù)通過增加支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度控制圍巖變形［11］。該類支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度大、強(qiáng)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(hù)結(jié)構(gòu)在運(yùn)營期間易出現(xiàn)混凝土開裂、剝落，鋼拱架扭曲等問題。先柔后剛支護(hù)有吸能式支護(hù)和雙層初期支護(hù)2種。吸能式支護(hù)允許圍巖發(fā)生適量變形，先使圍巖初始應(yīng)力部分釋放，再通過支護(hù)結(jié)構(gòu)使圍巖應(yīng)力與支護(hù)抗力達(dá)到平衡以控制隧道變形［12-14］。雙層初期支護(hù)采用第1層初期支護(hù)保護(hù)圍巖，采用第2層初期支護(hù)提升初期支護(hù)體系的強(qiáng)度及剛度，以達(dá)到控制圍巖大變形的目的［15-16］。

由于地質(zhì)狀況、開挖方法、支護(hù)方案等存在差異，隧道大變形問題及應(yīng)對措施仍需進(jìn)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(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)大變形，初期支護(hù)換拱率超過50%，嚴(yán)重危害施工安全，造成工期延誤和重大經(jīng)濟(jì)損失。本文結(jié)合工程實際情況分析病害原因，提出應(yīng)對措施，并通過現(xiàn)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(cè)，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(jìn)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(zhì)縱斷面

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

隧址區(qū)地層主要為第四系坡殘積層、泥盆系中統(tǒng)碳山坪組、侏羅系下統(tǒng)馮家河組地層。巖性為泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖、石英砂巖、礫巖、灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r。東馬場1號隧道處于構(gòu)造剝蝕斷塊高中山地貌區(qū)，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(gòu)造裂隙水和第四系孔隙潛水，最低基準(zhǔn)排泄面為程海湖面。碳酸鹽巖巖溶水賦存于白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r節(jié)理裂隙、巖溶管道中，埋藏較深，水量較豐富。構(gòu)造裂隙水主要賦存于斷裂帶附近及構(gòu)造擠壓區(qū)。由于構(gòu)造裂隙較發(fā)育，隧址區(qū)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(biāo)準(zhǔn)斷面設(shè)計如圖3所示。超前支護(hù)采用長3.0 mφ25 mm的中空注漿錨桿，間距為100 cm（環(huán)向）×60 cm（徑向）。初期支護(hù)為C25噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)和鋼拱架。其中，噴射混凝土厚25 cm，鋼筋網(wǎng)由φ8 mm鋼筋構(gòu)成，鋼筋間距為15 cm（環(huán)向）×15 cm（徑向），鋼拱架由I18型鋼制成，間距60 cm。初期支護(hù)預(yù)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(jìn)、出口向中間開挖。

圖3 隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面設(shè)計（單位：cm）

2 隧道災(zāi)害及原因分析

2.1 隧道災(zāi)害

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

1）初期支護(hù)侵限

初期支護(hù)施作完成后不久即出現(xiàn)大變形，其變形速率和變形量遠(yuǎn)超規(guī)范允許范圍。1～2周出現(xiàn)初期支護(hù)侵限情況，拱頂累計沉降達(dá)590 mm，周邊收斂累計達(dá)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(hù)出現(xiàn)嚴(yán)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(xiàn)不同程度的扭曲變形，邊墻及仰拱處尤為嚴(yán)重，如圖4（b）所示。

3）底部結(jié)構(gòu)開裂、隆起

填充層混凝土硬化后1～2周出現(xiàn)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(jié)構(gòu)，如圖4（c）所示。

4）二次襯砌壓潰、墻腳內(nèi)擠

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

2.2 初期支護(hù)變形特征

為研究該隧道初期支護(hù)的變形特征，在右線K70+990—K71+240區(qū)段內(nèi)選取50個監(jiān)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(hù)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(tài)相似，兩者隨時間變化規(guī)律一致。根據(jù)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(fā)展階段。處于隧道變形前期，變形速率最快。初期支護(hù)變形在0～7 d超出預(yù)留變形量，隨即出現(xiàn)圍巖塌方或初期支護(hù)被嚴(yán)重壓屈、侵限等現(xiàn)象。②持續(xù)發(fā)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(xù)增長，各斷面的變形速率和累計變形量出現(xiàn)較大差異。③穩(wěn)定階段。處于變形后期，變形速率最慢，大部分?jǐn)嗝孀冃我掩呌诜€(wěn)定，個別斷面仍然有較大增長。

圖5 典型斷面初期支護(hù)變形時程曲線

2.3 原因分析

1）地質(zhì)構(gòu)造

受斷裂影響，斷裂帶及其附近巖體極破碎。物探與鉆探結(jié)果表明該斷裂帶巖層風(fēng)化強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，溶蝕發(fā)育，圍巖等級低，穩(wěn)定性差，富水性和透水性較好，且水位動態(tài)變化大。

2）圍巖性質(zhì)

距隧道進(jìn)口約900 m的大變形區(qū)段圍巖為砂質(zhì)泥巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，呈碎塊狀，強(qiáng)度低，遇水成泥。距隧道出口約1 800 m的大變形區(qū)段圍巖為灰?guī)r，開挖后呈碎塊狀、粉末狀，且隧道處于活動斷裂帶影響區(qū)。隧道開挖后圍巖自穩(wěn)能力差，初期支護(hù)變形無法穩(wěn)定，導(dǎo)致出現(xiàn)大變形。

3）地應(yīng)力

隧址區(qū)豎向地應(yīng)力為6.24 MPa，水平地應(yīng)力為5.69 MPa，屬于高地應(yīng)力區(qū)。大變形區(qū)段圍巖風(fēng)化嚴(yán)重，單軸抗壓強(qiáng)度低，受地應(yīng)力影響隧道開挖后支護(hù)結(jié)構(gòu)持續(xù)變形。

4）初期支護(hù)強(qiáng)度不足

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

5）施工問題

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)圍巖與初期支護(hù)之間存在空洞，鎖腳錨桿固定強(qiáng)度不夠，系統(tǒng)錨桿深度不足，隧道爆破開挖擾動及初期支護(hù)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(yīng)對措施

東馬場1號隧道處于高地應(yīng)力區(qū)，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(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。為此，提出“抗放結(jié)合，以抗為主”圍巖大變形處置原則，并提出“雙層初期支護(hù)+二次襯砌”的應(yīng)對措施。

因施作時間存在差異，雙層初期支護(hù)能否完全黏結(jié)在一起尚存在疑問?？紤]到隧道已經(jīng)出現(xiàn)大變形問題，分析時將其理解為未黏結(jié)在一起。雙層初期支護(hù)在橫截面上的總應(yīng)力為兩層初期支護(hù)各自承擔(dān)應(yīng)力的疊加。基于上述分析，結(jié)合現(xiàn)場實際情況和施工經(jīng)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(jié)構(gòu)法建立3個二維有限元計算模型，計算雙層初期支護(hù)的受力和變形，以確定最優(yōu)厚度組合。為簡化計算，將錨桿和鋼拱架等效為相同強(qiáng)度等級的圍巖進(jìn)行模擬，其他模擬施工步驟與現(xiàn)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(diǎn)距模型左邊界和下邊界分別為40，35 m。計算參數(shù)見表2。雙層初期支護(hù)均按C25混凝土參數(shù)取值。

圖6 計算模型

表2 計算參數(shù)

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

表3 雙層初期支護(hù)安全系數(shù)

由表3可見：方案1第1層的安全系數(shù)就不滿足規(guī)范要求，故沒有給出第2層的安全系數(shù)。對于另外2個方案，第1層、第2層初期支護(hù)的安全系數(shù)均大于2.4，達(dá)到施工安全要求，但方案2的安全系數(shù)明顯更高?？芍p層初期支護(hù)中的第1層并非越厚越好，應(yīng)在保證第1層初期支護(hù)具有一定強(qiáng)度與剛度的前提下，合理選取兩層初期支護(hù)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(qū)開展現(xiàn)場試驗。試驗段位于K71+275—K71+325，長50 m。在各監(jiān)測斷面拱頂布置沉降測點(diǎn)，拱腰布置水平收斂測點(diǎn)，以量測雙層初期支護(hù)的變形情況，并與單層初期支護(hù)段變形對比。

初期支護(hù)變形穩(wěn)定后各監(jiān)測斷面的變形量見圖7。其中，單層初期支護(hù)曲線反映單層支護(hù)段的變形狀況，第1層、第2層初期支護(hù)曲線反映雙層初期支護(hù)段的變形狀況。

由圖7可知：①單層初期支護(hù)段拱頂沉降基本穩(wěn)定在35～45 cm，水平收斂在25～55 cm，隧道會大變形失穩(wěn)。②雙層初期支護(hù)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(yù)留變形量15 cm，表明雙層初期支護(hù)抑制圍巖持續(xù)變形的效果良好。

圖7 初期支護(hù)變形穩(wěn)定后各監(jiān)測斷面的變形量

5 結(jié)論

1）東馬場1號隧道圍巖變形可分為快速發(fā)展、持續(xù)發(fā)展和趨于穩(wěn)定3個階段，時間分別對應(yīng)于支護(hù)結(jié)構(gòu)施作完成后0～7 d，2～3周，3周以后。

2）該隧道出現(xiàn)病害是地質(zhì)構(gòu)造、圍巖性質(zhì)、地應(yīng)力、初期支護(hù)強(qiáng)度和施工問題多因素綜合作用所致。

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