大断面浅埋黄土隧道大变形控制技术及效果分析

赵志刚, 吴忠仕, 王 伟,2*, 杨 林,3, 冯德定,3

(1.中交第二航务工程局有限公司，武汉 430040；2.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心，武汉 430040；3.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，武汉 430040)

中国是世界上黄土分布范围最广、厚度最深的国家，主要分布在中国西北地区。黄土以其典型的工程性质(垂直节理裂隙发育、大孔隙、结构疏松及湿陷性等)直接影响到工程建设的安全，尤其是黄土隧道大变形控制问题一直是中国学者的研究热点问题。杨建民等[1]运用现场测试和理论分析法对大断面黄土隧道沉降大的原因及所采取工程控制措施有效性进行研究；孟德鑫等[2]通过现场试验对采用三台阶临时仰拱法施工时的合理进尺、超前支护措施等变形控制技术的结构受力及变形进行分析；卫建军[3]通过建立三维力学模型，对台阶法施工引起的地地表变形特征进行分析；扈世民等[4]研究了台阶法预留核心土对大断面黄土隧道变形控制效果；王新东[5]依托宝兰客运专线湿陷性黄土隧道，研究了高含水率下黄土隧道的变形特征及施工变形控制技术；刘志强等[6]依托宝兰线大断面黄土隧道工程，研究了高含水率条件下开挖进尺、核心土长度、封闭距离及竖撑形式对围岩变形的影响。

目前关于浅埋黄土大变形的控制技术研究已有大量报道，主要集中在施工工法工艺、变形特征以及大变形的具体处理方案等方面，而针对大变形后的处治效果分析研究较少，尤其是大断面浅埋黄土隧道变形控制技术研究有待进一步完善。现依托在建隧道大变形工程实例，研究其变形破坏特征及原因，再针对不同阶段变形破坏特征及主要影响因素采取相应的加固处治措施和大变形段换拱施工，并通过数值模拟和现场测试对加固前后的围岩变形及应力进行分析，验证了变形控制技术的处治效果，确保大变形段的施工安全，为后续类似工程施工大变形控制提供借鉴。

1 工程概况

图1 隧道设计横断面

新建二庄科隧道位于延安市二庄科村附近，是一座单向三车道+人行横通道的中长隧道，最大开挖断面面积为136.08 m2(>100 m2)，属于大断面隧道。隧道设计横断面如图1所示。其中隧道主洞采用承载力较好的单心圆曲墙式衬砌断面，主洞拱圈段断面半径R1=8.85 m，仰拱段曲线半径R2=21.5 m，两拱脚段曲线半径R3=2.00 m，隧道内轮廓宽度B=16.34 m，高度H=10.45 m。隧道进出口均位于山体斜坡处，隧道横穿一黄土梁，地貌上为黄土梁峁。隧址区海拔高程1 200.76～1 079.19 m，相对高程约121.56 m，地形起伏较大。隧道进口，地形陡缓相间，坡度为25°～65°，表层由新老黄土覆盖，植被发育；出口处出露岩性为强风化砂岩、泥岩，坡体较陡，自然坡度为40°～50°。该地区雨量主要集中在6—9月，年均降雨量较大，为555.8 mm，因此该地区隧道地下水位受地表降雨影响较大。该项目施工技术难点在于隧道上覆为第四系的马兰黄土、离石黄土，土质较疏松，在连续降雨、施工扰动的情况下，该隧道进出口段仰坡易产生崩塌；而隧道洞身围岩主要由强-中风化砂、泥岩组成，围岩级别为Ⅴ级，局部稳定性较差，开挖不当或支护不及时易产生大变形或塌方风险。对于隧道洞口段进洞采用超前管棚注浆预加固，洞内地质条件较差围岩采用超前小导管对围岩进行预加固，并辅以钢拱架等支护措施，确保施工时的安全。

2 大变形破坏特征及原因

2.1 变形破坏特征

2018年7月1日对已开挖段K2+555～K2+495进行断面净空检测发现初期不同程度侵限，由于连续降雨影响，隧道围岩变形加剧，最大累计沉降达到124.3 cm，初期最大沉降速率为54.6 mm/d，而最大累计沉降出现在K2+501拱顶位置，该断面在7月1—30日累计沉降量101.3 cm(>2U0/3=13.3 mm，其中U0为设计预留形量20 cm)，位移管理等级达到Ⅰ级，围岩处于危险状态。为确保施工安全及减少对围岩的扰动，现场立即停止开挖掘进，对掌子面进行喷射混凝土封闭处理，并启动相应的应急措施，临时采用φ100 mm的钢管对开挖断面进行临时支撑，并加强监控量测频率。此外，隧道拱顶和边墙变形严重，两侧边墙以下位置出现纵向裂缝，初期支护表层剥落，由于拱架受到围岩压力作用，发生严重扭曲变形，如图2所示。隧道顶部地表出现不同长度的裂缝，最长纵向裂缝位于隧道中轴线左侧11 m，宽度约3 cm，长约6.5 m，并及时对地表进行遮盖处理，防止雨水入渗。

图2 大变形破坏特征

2.2 变形原因分析

根据监测数据及现场情况(图2)，分析其大变形破坏的原因如下。

(1)在施工过程中，临时支护措施及锁角锚管施工不及时或不到位，及各工序衔接不及时，仰拱也未及时跟进，造成初期支护未能尽早闭合成环，难以抵抗围岩产生的荷载，围岩应力释放加剧，造成围岩变形过大。此外，由于隧道进口段为浅埋段，上部为马兰黄土和离石黄土层，具有大孔隙及垂直节理发育等特点，受连续强降雨天气的影响，地表雨水沿着上覆土层节理及孔隙入渗到隧道内部围岩，隧道拱顶及掌子面土层含水量迅速增大，层间结合力弱，且拱脚位置围岩遇水软化，使隧道围岩变形加剧，极易产生大变形或塌方现象。

图3 浅埋偏压地表破坏机理

(2)图3所示为浅埋偏压隧道地表破坏机理。该隧道出口大变形段位于浅埋偏压段，原有岩体处于自然平衡状态，受隧道开挖扰动影响，在偏压应力的作用下，上部围岩应力状态发生重分布，造成主应力方向发生偏转，大主应力向隧道开挖区域集中，当围岩自承能力和初期支护承载能力小于上覆围岩压力时，就会产生围岩变形区[7-8]；由于围岩变形的时空效应，应力持续释放，使上部围岩松动区域逐步扩大，产生由深埋侧向浅埋侧的挤压力，导致隧道内右侧拱腰连接板位置出现连续纵向裂缝。而在隧道左侧浅埋段存在一天然冲沟，上覆马兰黄土和离石黄土强度较低，持续降雨导致坡脚岩土体含水量增大，围岩易软化强度较低，造成深埋侧山体产生下滑，形成坡体圆弧滑动区，从而引起深埋侧地表多处纵向开裂。

3 大变形控制技术措施

3.1 地表开裂处理及注浆加固

对地表裂缝进行灌注M10水泥砂浆，将裂缝灌注密实，沿地表裂缝在地面设20 cm厚黏土隔水层，宽度向裂缝两侧延伸50 cm，并在裂缝外侧设置截水沟，将流向裂缝的附近地面水引离，防止地表水灌入。

此外，沿隧道纵向K2+450～K2+490(共 40 m)冲沟段，横向在隧道洞顶及各侧轮廓外5 m范围内，进行地表双液注浆加固处理，两侧深度到隧底起拱线，中间到洞顶标高0.5 m，钻孔直径89 mm，注浆管采用φ60 mm×壁厚4 mm无缝钢花管(仅在底部6 m范围开孔，开孔间距为15 cm×15 cm)，间距1.5 m×1.5 m(边界位置应加密布置，间距为0.75 m)梅花状布设，具体现场施工如图4所示。

图4 地表注浆现场施工

3.2 洞内套拱加固

套拱采用I25a工字钢，纵向间距100 cm布置，套拱拱架分单元进行安装，并在套拱中心线位置加设临时横撑和立撑，与临时套拱焊接，而立撑应坐落在坚硬基岩或者现浇条形基础上，并用钢垫板连接支撑牢固。相邻两榀钢架用φ22 mm螺纹钢筋焊接，榀间梅花形布置，临时套拱拱脚铺设厚1.5 cm、宽60 cm的钢板(仰拱未施作段)，在仰拱浇筑回填段，套拱拱脚直接放置在仰拱混凝土上用钢板固定。为保证施作的套拱拱架与变形段的初支面密贴，对套拱背后缝隙采用木楔或工字钢楔紧，具体加固效果如图5所示。

图5 临时套拱加固效果

3.3 洞内径向注浆加固

在洞内临时钢支撑架设完毕且变形稳定后进行全断面径向注浆加固，隧道全断面设置径向注浆小导管，对初期支护背后围岩进行加固处理。注浆管采用φ50 mm，壁厚3.5 mm的热轧无缝钢管，钢管长4.5 m(图7)，管口应埋设牢固，并有良好的止浆措施。注浆孔按梅花型布置，孔口环向间距1.5 m×1.5 m，每环13根。注浆孔采用风机钻开孔，孔径为52 mm，注浆材料为水泥浆液，水泥浆水灰比1:1，初压为0.5～1.0 MPa，注浆压力在注浆过程中根据浆液的注入量进行调整，现场注浆施工如图6所示。

图6 洞内径向注浆加固

3.4 支护参数加强措施

大量研究表明在黄土隧道支护结构体系中，系统锚杆主要承受压应力，加固围岩效果并不明显，而采用加强拱架+锁脚锚杆联合作用对控制黄土隧道变形效果较好[9-10]。因此，将原设计I25a钢拱架纵向间距由80 cm调整为60 cm，并取消拱顶系统锚杆，增设长度为4.5 m的φ50 mm注浆管，间距为1.5 m，梅花状布置。而锁脚导管由长度为3.5 m的φ50 mm锁脚锚管调整为长4 m的φ76 mm锁脚导管，锁脚锚管内注入水泥浆液填充密实。

4 大变形段数值模拟分析

4.1 数值计算模型

图7 数值计算模型

表1 计算模型参数

4.2 计算结果分析

为进一步研究上述现场所采取变形处治措施对变形控制的效果，分别从地表沉降、围岩变形、围岩应力等三个方面进行分析。为便于分析，特定义隧道中心线位置处X=0，隧道左侧为负，右侧为正。

4.2.1 地表沉降分析

图8所示为4种不同模拟种工况下地表沉降曲线图。从图8中可以看出，隧道开挖引起的地表下沉分布曲线是一条以隧道断面中心轴线为对称轴的光滑连续曲线，在隧道开挖断面中心轴线正上方位置的沉降量最大，随着距中心轴线的距离增加，地表沉降量逐渐减小。〗对比不同工况下地表沉降最大值可知，A-设计条件下>C-洞内径向注浆>B-加强锁脚锚管>D-地表注浆加固，因此，采取工况D的加固措施对控制地表沉降作用最显著，相比工况A地表沉降最大值减小了43.04%，说明软弱黄土浅埋隧道开挖前，采用地表注浆加固处理，及时填充黄土颗粒大孔隙及垂直节理，形成密实结合体，不仅增强了土体整体黏结力和抗渗性，而且提高了围岩成拱效应，对控制隧道开挖引起的变形控制效果最好。

图8 地表沉降曲线

而工况B-加强锁脚锚管对控制地表沉降作用也很明显，相比工况A沉降最大值减小了26.17%，长锁脚锚管与拱架形成联合支护体系，约束初期支护下沉及向向隧道内净空收敛，缩短围岩自稳时间，增强初期支护整体性，而且通过注浆增强了锁脚锚管对围岩的锚固作用，提高了围岩自稳能力。同时加强锁脚锚管施工简便、较经济，也是在该隧道施工变形控制中推荐广泛使用的加固措施。工况C-洞内径向注浆起到稳固隧道周边围岩、控制围岩松动圈的作用，但由于洞内径向注浆往往在隧道开挖支护完成后才施作，所以其对控制围岩变形具有一定的滞后作用，因此，在施工条件允许范围内，及时进行洞内径向注浆加固，有利于形成承载拱，发挥围岩自承能力。

4.2.2 围岩变形分析

表2所示为4种工况下隧道围岩特征位置点(分别代表隧道断面的关键位置)的变形统计，从表2中可以看出，工况A拱顶沉降最大为88.50 mm，工况C次之，拱顶沉降最大值79.56 mm，再其次工况B拱顶沉降为64.04 mm，工况D拱顶沉降最小为40.98 mm，相应的各工况下水平位移大小也类似。分析不同特征位置处的围岩变形可知，浅埋隧道开挖时，围岩变形由浅埋侧隧道上部至下部逐渐增大，相反，深埋侧围岩变形呈现由上部至下部逐渐减小的变化趋势。

表2 围岩特征位置变形统计

注：水平位移中“-”表示向隧道左侧移动；竖向位移中“-”表示下沉。

由图9可知，浅埋隧道沉降槽不再具有对称性，而是由浅埋侧向深埋侧偏斜，从而使深埋侧围岩变形影响范围明显大于浅埋侧。与工况A相比，工况D的围岩变形影响范围明显缩小，围岩变形由内向外递减速率较快，说明采用工况D-地表注浆加固可有效改善上覆围岩的稳定性，有利于后期隧道施工过程中围岩变形控制，确保施工安全。

4.2.3 围岩应力分析

图10所示为4种模拟工况下隧道围岩应力分布云图。由图10可知，不同变形支护措施加固条件下，隧道围岩应力分布云图略有差别，但应力最大位置主要集中在隧道左右侧拱脚至边墙位置处，其中深埋侧拱脚至边墙位置应力最为突出，主要是由于隧道开挖后，围岩应力重分布作用，最大主应力发生偏转，导致深埋侧变形挤压浅埋侧，在深埋隧道边墙下部产生应力集中区，当隧道支护结构强度小于围岩应力时，初期支护结构将产生破坏，这与现场初支破坏位置基本一致(图2)。此外，工况A-设计条件下最大等效应力达到1.93 MPa，采取加固措施后最大应力值均减小，其中工况B和工况D对减小围岩应力较为明显，说明这两种加固措施对围岩变形控制效果较好。

5 大变形段处治技术及效果分析

5.1 换拱施工技术

注浆完成后，注浆效果达到要求且围岩变形稳定的情况下可对变形侵限段初期支护分单元进行拆除，严格按照从已施作二衬段向掌子面方向逐榀拆换，拆除采用液压破碎锤+辅助风镐进行，拆除顺序一般采用从下向上、先墙后拱的顺序进行拆换，拆除一段，支护一段，一榀拱架间距为一个换拱循环，一个循环大约需要7 h。具体换拱施工工艺流程如图11所示。

图11 换拱施工工艺流程

(1)根据隧道断面检测的结果，在变形段内需要换拱位置标记隧道超欠挖的里程、部位，综合研究确定出每段合理的换拱部位。

(2)在拆除临时支撑时，待前一榀换拱拱架封闭成环后拆除下榀临时支撑，将其切割成段，逐段拆卸，减小对围岩及原初期支护的扰动。临时支撑拆除顺序为先横撑后竖撑再拆除临时套拱，确保结构稳定。

(3)凿除既有拱架Na与Nb之间的初期支护(图12)，拆除宽度<80 cm，两侧各预留拱架宽度，拆换顺序按照从下向上、先拱后墙的原则进行。

(4)初期支护拆除后，进行扩挖时采用爆破锤凿除侵限围岩，然后再用风镐进行欠挖修整至设计轮廓线，预留沉降为15 cm(S-Ⅴc)或20 cm(S-Ⅴa)。在实际开挖过程中根据监控量测数据进行及时调整设计预留变形量。

(5)扩挖断面满足要求后视围岩情况及时对开挖面初喷，再进行拱架节段安装，纵向间距为60 cm，并采用纵向连接筋焊接牢固，环向间距为150 cm。拱架内外侧铺设钢筋网片，及时喷锚。

(6)在拱腰处打设4根长度为4 m的φ76 mm锁脚锚管(上下间距60 cm)，边墙拱脚处打设2根φ76 mm锁脚锚管，每环12根，长为4 m，锁脚导管斜向下呈45°打设，锁脚导管端部与拱架翼缘焊接牢固，且对锁脚导管内进行注浆加固。

(7)换拱长度达到6 m后，及时施做防水层和二次衬砌，保证二衬紧跟。

Na、Nb为新拱架编号；Ea、Eb为原拱架编号

5.2 现场处治效果分析

图13 初期支护效果图

如图13所示，围岩大变形段初期支护表面比较潮湿、渗水现象严重，局部呈线性流淌状或较密集滴水状，边墙和拱顶位置裂缝分布较多，局部出现起鼓凸出变形现象。而采取加固措施处理后，初期支护外表面圆顺光滑，渗水情况也得到有效控制，仅局部出现零星点状渗水，初支表面整体较干燥，未出现钢架变形和初期开裂现象，可见采取围岩加固措施对围岩变形和渗漏水处治效果良好。

在套拱安装和换拱过程中，应加强围岩变形监测频率，已换拱段和未换拱段每间隔5 m布置1个监测断面，每个断面在拱顶、两侧拱腰、两侧边墙位置共布设5个变形监测点，对围岩变形进行观测，指导换拱施工和预留变形量的及时调整。图14所示为采取加固措施段围岩变形曲线。由图14(a)可知，采取加固措施前围岩变形较大，拱顶累计沉降达到457.2 mm，周边收敛达到161.5 mm，而采取加固措施后，60 d拱顶沉降变化量仅为20.6 mm，围岩变形立即趋于收敛，最大变形速率仅为1.5 mm/d，可见围岩径向注浆与临时套拱加固措施对大变形控制效果显著。由图14(b)可知，在超前地表注浆加固围岩段，围岩变形也得到了很好的控制，拱顶最大累计沉降为113.1 mm，其小于围岩预留变形量，开挖初期拱顶下沉速率最大为6.9 mm/d，远小于加固前围岩变形速率，约35 d围岩变形趋于稳定。因此，超前地表注浆加固有利于浅埋大断面隧道变形控制，从而确保施工安全。

图14 采取加固后围岩变形曲线

6 结论

依托大断面浅埋黄土隧道工程实例，对围岩大变形破坏特征及原因进行分析，并验证了该隧道围岩加固及超前地表注浆加固等技术及参数的可靠性，有效地控制了围岩大变形的进一步发展，避免隧道塌方事故发生，可为类似工程提供参考。通过大变形控制技术研究得出以下结论。

(1)超大断面浅埋黄土隧道大变形主要表现出变形量大、变形持续时间长、变形速率快、易受开挖扰动等特点，而影响大变形的主要因素为上覆围岩性质、结构特征及围岩与水的相互作用，特别是在围岩遇水情况下，应采取加强超前支护措施。因此，根据不同施工阶段围岩变形特征采取相应的变形控制技术尤为重要。

(2)采用工况B-加强锁脚锚管对控制围岩变形效果比工况C-洞内径向注浆加固效果更显著，由于洞内径向注浆加固施工滞后效应，所以在洞内大变形换拱段采用径向注浆加固效果更好，而大变形换拱段和后续开挖段再进行加强锁脚锚管，进一步提高了初期支护的强度和稳定性，有效地控制围岩大变形的发展，避免二次侵限；对于黄土隧道浅埋段，通过地表超前预注浆改善了围岩特性，地表沉降减小43.04%，围岩变形递减速率快，影响范围小，后续施工围岩累计变形小，从而验证了该措施的合理性。

(3)建议在换拱施工中应遵循“快、准、稳、紧”的施工原则，即快速换拱快速封闭初期支护成环，准确定位安装钢拱架，逐榀拆除，逐榀支护，稳扎稳打，仰拱及二衬紧跟，确保换拱施工安全。说明该种加固措施在浅埋黄土隧道大变形控制中应用效果好，可为类似浅埋黄土隧道施工提供借鉴。下一步将针对黄土隧道大变形所采取的支护加固措施的经济性进行研究。