贵州某隧道浅埋段围岩大变形成因分析

汪金育

(贵州高速公路集团有限公司，贵州贵阳 550000)

1 概述

大变形是在地应力、工程扰动和地下水活动等综合作用下，围岩体发生塑性破坏，变形得不到有效约束的一种灾害现象，具有明显的累进性和时间效应［1］。目前，国内对围岩大变形的研究主要有［2-15］:1)判定方法:围岩变形是否超出初期支护的预留变形量、初期支护位移值和支护破坏现象、不同侧压力系数下的应力比临界值。2)诱发原因:高地应力、软岩、地下水作用、浅埋、偏压、开挖扰动、支护不及时、支护刚度不足等。3)作用机制:软岩塑流及膨胀变形、板梁的弯曲变形、塑性楔体、结构性流变、累进松脱扩展等。4)等级划分:根据变形量和相对变形量分级;以洞壁相对位移为参数，根据弹塑性力学计算，对严重程度不同的大变形进行分级;采用相对应变判别围岩的挤出程度并划分等级;综合围岩抗压强度、地应力、弹性模量及侧压力系数等因素，提出了综合系数a划分等级等。5)预测方法:基于模糊层次综合评判的预测方法、地质综合分析预测、切应变预测等。6)治理措施:施作临时仰拱、施作套拱、施作环向锚杆、注浆、地表处理等加固措施;置换支护结构、调坡修改隧道标高等侵限措施。7)数值模拟:基于施工监测的数值模拟、基于变形破坏机制的围岩稳定性数值模拟等。

贵州某隧道在施工过程中，右线出口浅埋段的初期支护发生了较大的沉降变形。在对围岩大变形有整体了解的基础上，本文将结合该隧道的施工监测数据，对浅埋段围岩大变形进行成因分析。

该隧道为分离式隧道，内轮廓均采用R=5.55 m的单心圆，净宽10.25 m、净高5.00 m。隧道右线出口浅埋段为Ⅴ级围岩，近洞口一带浅地表为残坡积碎石土、强风化灰岩，深部为中风化灰岩，岩体破碎;开挖方式采用上下台阶法(见图1);衬砌方式采用复合式衬砌，即初期支护由工字钢钢拱架、系统锚杆、钢筋网及喷射混凝土组成，并辅以超前小导管进行超前支护，二次衬砌为钢筋混凝土。结合对出口浅埋段围岩变形的监测数据，选取YK90+479断面进行围岩沉降变形研究(沉降测点布设见图1)。

图1 隧道开挖方式及拱顶沉降测点布设位置示意图

2 拱顶沉降分析及围岩大变形判定

2.1 拱顶沉降监测数据分析

根据YK90+479断面处的监测结果，绘制拱顶沉降随时间增长的变化曲线(见图2)，曲线整体呈“下降～平缓”的特征，结合围岩变形速率和具体施工步骤，可将变形过程详细分为以下4个阶段:

1)阶段Ⅰ(急剧变形阶段):上台阶开挖完成及支护初期，围岩应力释放较快，变形速率较大;该阶段末期，随着上台阶继续开挖约10 d，掌子面掘进至2倍洞径距离时，变形曲线较为平稳，围岩内部暂时趋于平衡状态。

图2 隧道出口右幅YK90+479初支沉降监测变化曲线图

2)阶段Ⅱ(快速变形阶段):下台阶左半部分开挖，破坏了围岩内部趋于稳定的平衡状态，但此时下台阶右部未开挖的岩体具有一定的支撑能力，使得该阶段围岩变形较上台阶开挖时相比，变形持续时间较短，变形速率及变形量较小。

3)阶段Ⅲ(缓慢变形阶段):下台阶右半部分开挖，对围岩产生新的扰动，导致拱顶出现新的下沉过程，但由于受先行洞开挖而产生扰动的影响较小，该阶段较上阶段相比，围岩的变形速率也相对较小。

4)阶段Ⅳ(趋于稳定阶段):仰拱开挖及回填后，初期支护圈闭，对围岩变形的约束作用增强，围岩与支护结构在应力的动态调整过程中，承载能力发挥至最大，围岩变形速率呈递减趋势并逐渐趋于零。

对不同阶段围岩的变形量进行统计分析(见表1):阶段Ⅰ中拱顶位移释放率达71.1%，阶段Ⅱ，阶段Ⅲ中拱顶位移释放率仅为18.6%，阶段Ⅳ中拱顶位移释放率为10.3%，说明上台阶开挖后应力的快速释放对围岩稳定性的扰动最大。

表1 围岩不同变形阶段拱顶沉降量统计

2.2 围岩大变形的判定

参照张祉道［16］对隧道围岩大变形的判定及变形程度分类标准(见表2)，断面YK90+479处在初期支护已施工的条件下，洞壁位移最大值为221.8 mm，Ua/a=3.9%，且支护后喷混凝土出现起壳、剥落及较大的变形、开裂等异常现象。据此可判定，YK90+479处出现隧道围岩大变形，等级为轻度。

表2 隧道围岩大变形等级判定

3 大变形原因分析

一般情况下，围岩的大变形首先取决于围岩岩性和岩体结构，这是大变形发生的物质基础，其次取决于埋深、地下水作用、开挖方式等，这是大变形发生的环境条件。基于对大变形成因的认识，对贵州某隧道围岩大变形的成因分析如下:

1)Ⅴ级围岩。

大变形区段围岩主要为残坡积碎石土及灰岩，灰岩受风化作用影响强烈，裂隙极发育，将浅部岩体切割成小碎片及碎块状，呈碎块状—散体状结构，物理力学强度较低，开挖时在压应力的作用下围岩易出现碎裂松动或塑性挤出，而导致大变形的出现。

2)地下水作用。

大变形区段围岩以灰岩为主，自身渗透能力较好，加之受浅表生改造影响，地下水易于在此处汇聚并下渗，降低了岩体沿软弱结构面的抗剪强度，而使围岩的自稳能力降低，基岩的承载力削弱。另外，地下水汇聚也使得围岩的自重增加，从而增大初期支护的荷载承担量。

3)洞身埋深浅。

断面YK90+479处埋深约16 m，围岩自承能力差或者无自承能力，初始地应力场为典型的自重应力场，拱顶以上的岩土体自重全部作用于支护结构上。开挖时隧道顶部围岩难以形成有效的承载拱，导致围岩变形过大。

4)上台阶开挖扰动。

在围岩大变形发展的整个过程中，上台阶开挖后围岩应力释放时间占据变形总时间的20%，而其位移释放量占据总位移量的71.7%，可见上台阶开挖时，围岩应力释放较为迅速，释放量较大，对围岩原有的稳定平衡状态破坏较为严重。

为验证上台阶开挖扰动对围岩大变形的重要影响，在Ⅴ级围岩、地下水作用及埋深浅的地质条件下，对YK90+479断面处的施工开挖步进行数值模拟，绘制拱顶各测点的累计沉降量随开挖进行的变化曲线(见图3)，曲线整体也呈现出“下降～平缓”的特征。其中，上台阶开挖及支护时，各测点沉降幅度最大，故此验证，在上台阶的开挖是引起围岩大变形产生的重要原因。

图3 拱顶各测点竖向位移模拟结果

5)初期支护刚度偏低。

经过结构验算，在现有的支护体系下，YK90+479断面拱顶处弯矩为61.16 kN·m，轴力为 592.66 kN，安全系数为 0.94，安全储备已达到临界状态(见图4，图5)。在这种支护体系下，拱顶部位的喷混凝土易出现拉裂、错台现象，与现场观测病害相符(见图6，图7)。

图4 YK90+479断面弯矩图

图5 YK90+479断面轴力图

图6 YK90+479断面拱顶初期支护开裂

图7 YK90+479附近拱顶初期支护开裂

4 结语

贵州某隧道在施工过程中，洞口浅埋段出现围岩变形量较大。通过选取断面YK90+479进行沉降监测分析，并结合相应的数值模拟计算，得出以下结论:

1)YK90+479处围岩变形整体呈“下降～平缓”趋势，且可分为4个变形阶段:急剧变形阶段、快速变形阶段、缓慢变形阶段、趋于稳定阶段;2)判定YK90+479处的变形为围岩大变形;3)查明了大变形的成因主要有:Ⅴ级围岩、地下水作用、洞身埋深浅、上台阶开挖扰动大、初期支护刚度偏低等。其中，Ⅴ级围岩、地下水作用、洞身埋深浅是客观存在的地质事实，不因人类活动所改变;而上台阶开挖扰动大、初期支护刚度偏低则可通过进行相应的调整，以降低大变形事故的发生概率。

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