劉 志

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

軟弱地層中進(jìn)行隧道開挖時(shí)，由于圍巖承載及自穩(wěn)能力不足，常常引起洞內(nèi)圍巖及洞外地表發(fā)生較大的變形，主要表現(xiàn)在洞內(nèi)初期支護(hù)及洞外地表發(fā)生開裂、變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致初期支護(hù)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(tái)階法進(jìn)行施工開挖，對(duì)于變形較大的隧道，及時(shí)封閉初期支護(hù)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(hào)隧道現(xiàn)場(chǎng)的開挖情況為例，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)軟弱地層中隧道開挖時(shí)的圍巖變形情況進(jìn)行分析。通過對(duì)比3種情況下圍巖變形的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，說明封閉初期支護(hù)對(duì)隧道洞內(nèi)變形的影響，指出盡早地進(jìn)行初期支護(hù)封閉可以避免較大變形產(chǎn)生的重要意義，在已發(fā)生初期支護(hù)變形較大情況下，封閉初期支護(hù)也能夠有效地起到控制變形的作用。

1 工程概況

炎陵I號(hào)隧道為雙向四車道分離式隧道。隧址區(qū)屬低山丘陵隧道，地形表現(xiàn)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(jìn)口段左右線位于略為突出的山咀兩側(cè)，西側(cè)山腰部一帶為中坡地形，隧道開挖存在埋深淺、巖質(zhì)軟、變形發(fā)展快、成洞困難等特點(diǎn)。

隧道洞內(nèi)圍巖情況主要為硬塑—軟塑礫亞黏土和強(qiáng)—全風(fēng)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(fā)育，掌子面較為濕潤(rùn)，土（巖）體破碎，浸水后軟化，強(qiáng)度低，開挖后呈膠泥塊狀或碎土狀，圍巖的穩(wěn)定性很差。

隧道進(jìn)口段V級(jí)圍巖支護(hù)段主要支護(hù)參數(shù)為I18工字鋼（縱向間距50 cm），25 cm厚C20噴射混凝土，φ8鋼筋網(wǎng)(間距20 cm×20 cm）；開挖采用臺(tái)階法進(jìn)行，分兩個(gè)臺(tái)階進(jìn)行開挖，上臺(tái)階留有核心土。

為了有效獲得隧道洞內(nèi)外變形數(shù)據(jù)，判斷隧道初期支護(hù)的穩(wěn)定情況，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工起到有效地指導(dǎo)作用，在隧道進(jìn)口段主要進(jìn)行了洞外地表沉降測(cè)量、洞內(nèi)周邊收斂和拱頂下沉和初期支護(hù)鋼支撐內(nèi)力測(cè)量等變形測(cè)試項(xiàng)目，主要測(cè)試項(xiàng)目及測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示。

圖1 周邊位移和拱架應(yīng)變布置示意圖

2 圍巖變形數(shù)據(jù)分析

在隧道開挖過程中，炎陵I號(hào)隧道開挖過程中存在圍巖壓力大、洞內(nèi)外變形發(fā)展較快，初期支護(hù)變形明顯的特點(diǎn)，在洞口段 YK120+720—760，ZK120+695—720段，實(shí)際開挖過程中支護(hù)封閉時(shí)間較晚，上臺(tái)階開挖后，未及時(shí)跟進(jìn)下臺(tái)階開挖，初期支護(hù)從開挖到封閉時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)15 d以上；ZK120+760—790段在上臺(tái)階開挖后，很快進(jìn)行了下臺(tái)階的開挖并實(shí)現(xiàn)了支護(hù)封閉，整個(gè)斷面的封閉時(shí)間在7 d以內(nèi)；在ZK120+720—760段，上臺(tái)階開挖3～5 d內(nèi)將上臺(tái)階的支護(hù)通過臨時(shí)仰拱實(shí)現(xiàn)了支護(hù)封閉。下面選取典型斷面，對(duì)這3種情況下的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 工況一 下臺(tái)階開挖滯后，支護(hù)封閉時(shí)間晚

該段圍巖主要為全風(fēng)化含礫石亞黏土，施工過程中未及時(shí)采取封閉初期支護(hù)措施，開挖后變形一直較快發(fā)展，下臺(tái)階開挖嚴(yán)重滯后，隧道變形不斷發(fā)展，加之該段埋深較淺，洞外地表及洞內(nèi)初期支護(hù)多處出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，嚴(yán)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(shù)據(jù)（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(yīng)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(tái)階變形一直較大，從YK120+733斷面水平收斂數(shù)據(jù)看，在開挖前5 d平均值可達(dá)12.1 mm/d，約15 d以后，累計(jì)變形達(dá)132 mm。伴隨變形發(fā)展相繼出現(xiàn)初支及地表開裂現(xiàn)象，圍巖穩(wěn)定不能保證。在上臺(tái)階采取施作臨時(shí)仰拱封閉支護(hù)的措施以后，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的圍巖變形數(shù)據(jù)明顯變小，變形曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，曲線在封閉支護(hù)后變形區(qū)域平緩，最終圍巖變形得以控制后，順利開挖下臺(tái)階及進(jìn)行了仰拱施作，最終支護(hù)結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)后，隧道變形逐漸穩(wěn)定。

2.2 工況二 快速開挖下臺(tái)階，并封閉初期支護(hù)

該段開挖過程中圍巖仍以全風(fēng)化含礫石亞黏土為主，黏土中夾雜有強(qiáng)風(fēng)化泥巖和頁巖巖塊，施工中采取了快速開挖下臺(tái)階后及時(shí)施作仰拱封閉初期支護(hù)的措施。這種在上臺(tái)階變形較快發(fā)展情況下繼續(xù)加大開挖斷面的做法對(duì)隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不利，但由于該段圍巖屬軟巖，機(jī)械開挖過程中開挖和出碴可同步進(jìn)行，施工速度較快，能夠?qū)崿F(xiàn)及時(shí)進(jìn)行施作仰拱封閉初期支護(hù)的措施，洞內(nèi)圍巖在封閉一段時(shí)間以后變形逐漸趨于穩(wěn)定。圖4和圖5分別列出了典型斷面YK120+783開挖時(shí)水平收斂變形情況以及在該段進(jìn)行的鋼拱架內(nèi)力測(cè)試情況。

圖4 YK120+783收斂變形曲線圖

圖5 YK120+783斷面測(cè)點(diǎn)鋼架應(yīng)力曲線圖

從水平收斂數(shù)據(jù)看，開挖前5 d變形速率平均值在-8.2 mm/d，累計(jì)值達(dá)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(xù)發(fā)展，開挖13 d以后進(jìn)行下臺(tái)階開挖，同一斷面下臺(tái)一次開挖并施作仰拱，在24 h內(nèi)仰拱施作完畢并進(jìn)行回填。從收斂變形數(shù)據(jù)可以看出，斷面支護(hù)封閉約3 d后變形速率明顯減小，曲線逐漸平緩，速率向穩(wěn)定趨勢(shì)發(fā)展。整體上看，前期隧道洞內(nèi)累計(jì)變形略大，停工期間變形也不斷發(fā)展，由于支護(hù)封閉較快，支護(hù)結(jié)構(gòu)有效地發(fā)揮承載作用，隧道變形在封閉及時(shí)得到了控制，變形最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 工況三 上臺(tái)階開挖后，及時(shí)封閉支護(hù)

該段隧道開挖過程中圍巖情況主要為全風(fēng)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(shí)也存在變形較大，變形發(fā)展較快現(xiàn)象。施工時(shí)吸取了前期右洞施工時(shí)變形較大的教訓(xùn)，采取了及時(shí)施作臨時(shí)仰拱封閉支護(hù)的方法，這樣施工有利于及時(shí)完成支護(hù)封閉，同時(shí)封閉后相當(dāng)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(shù)據(jù)可以看出，開挖5 d內(nèi)變形平均值在-9.8 mm/d，累計(jì)值-50.8 mm，圍巖變形較快，在第5天施作臨時(shí)仰拱封閉上臺(tái)階支護(hù)后，變形曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，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(zhuǎn)換以及核心土開挖滯后的影響，從斷面開挖至施作臨時(shí)仰拱的時(shí)間約為3～5 d，如能通過提高施工效率，縮短施作時(shí)間，洞內(nèi)外變形值能得到更有效的控制。從圖6和圖7的洞內(nèi)及地表變形數(shù)據(jù)可以看出，最終累計(jì)變形值控制在相對(duì)較小范圍，隧道結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定。

2.4 各典型斷面圍巖收斂變形特點(diǎn)總結(jié)

圖8 各工況典型斷面水平收斂變形統(tǒng)計(jì)

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(yīng)的收斂曲線圖也可以看出變形速率最大值均發(fā)生在斷面上臺(tái)階開挖初期，下臺(tái)階快速開挖封閉段下臺(tái)階開挖時(shí)變形速率也較大；實(shí)行封閉初期支護(hù)后斷面變形速率在-1 mm/d以下，并且由于應(yīng)力的重新分布，實(shí)際上還出現(xiàn)了變形向外擴(kuò)張的現(xiàn)象。最終斷面變形均很快得到有效控制，說明在支護(hù)及時(shí)封閉對(duì)隧道變形的控制作用明顯。

3 結(jié)論

a)該隧道主要的變形特點(diǎn)為：開挖后，未封閉前，變形迅速發(fā)展，支護(hù)封閉后，隧道變形很快向趨于穩(wěn)定發(fā)展。封閉初期支護(hù)可以改變支護(hù)受力情況，支護(hù)封閉時(shí)間越早，變形累計(jì)值越小，圍巖變形趨勢(shì)越早趨于穩(wěn)定。

b)通過對(duì)比不同工況的變形情況，隧道圍巖變形速率發(fā)生較大變化的點(diǎn)均在封閉支護(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)，就能夠越早地控制洞內(nèi)變形。

c)對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)施作以后變形發(fā)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(shí)仰拱，形成封閉的支護(hù)結(jié)構(gòu)，將圍巖變形控制在可接受范圍內(nèi)，并應(yīng)盡快進(jìn)行下臺(tái)階開挖施作仰拱，初期支護(hù)封閉成環(huán)。

d)快速及時(shí)進(jìn)行支護(hù)封閉是控制洞內(nèi)變形有效的措施之一。在隧道施工過程中，應(yīng)當(dāng)及時(shí)進(jìn)行有效實(shí)時(shí)的監(jiān)控量測(cè)工作，掌握隧道圍巖變形情況，判斷支護(hù)結(jié)構(gòu)承載情況，確認(rèn)結(jié)構(gòu)安全并及時(shí)采取措施規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn)。