西南地区变余砂岩浅埋偏压铁路隧道初期支护大变形机理及整治方案

叶志强 郭璇，2 吕勤，2

1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044；2.北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室，北京 100044

我国西南地区的隧道施工过程中常遇到复杂水文地质条件，浅埋偏压洞口段病害问题突出［1］。在复杂的外部荷载扰动下，铁路隧道洞口处支护结构容易出现变形过大，伴随产生洞口支护结构破坏、大弯矩和应力集中密集。处于浅埋状态的隧道洞口还易受降雨和自然风化的影响而造成围岩强度显著降低。针对洞口围岩所受影响复杂、边坡隧道坍塌、洞口掩埋等地质灾害问题，过强或不当的支护可能造成更大扰动或安全隐患。

针对软弱围岩浅埋偏压隧道的大变形控制问题已有丰富工程案例和施工经验。冉龙华等［2］依托云屯堡隧道分析大变形机制，结合室内试验提出了综合处置措施。潘文韬等［3］探究了偏压隧道适宜工法并对支护结构进行非对称优化。郭璇等［4］研究了管棚预支护体系在软弱围岩时的土压分布情况。倪向龙等［5］分析了边坡隧道破坏机理与形成过程中的4个阶段。卢光兆等［6］通过模拟广西岭顶隧道的围岩稳定性和施工工法，使用中隔墙法和双侧壁导坑法较好保证了隧道稳定性。Tang等［7］分析了大跨度浅埋偏压隧道开挖后围岩及支护应力变化情况，确定合理开挖方案。Chen等［8］分析了木寨岭隧道的破坏机理，从破坏形式、地下水、影响因素的敏感性、变形程度、变形速率和变形持续时间六个方面总结了大变形特征。Wang等［9］通过现场监测偏压隧道大变形过程，分析雨水渗流、岩石强度低、偏压等因素影响，采用临时钢拱、垂直支撑、斜撑、临时仰拱组合等加固措施阻止大变形发展。

隧道洞口段围岩的控稳技术及理论研究目前还处于经验积累阶段，仍需大量工程实例和理论依据，特别是浅埋偏压隧道洞口段稳定性的研究。本文依托西南地区一浅埋偏压铁路隧道典型洞口段工程，通过理论分析、数值模拟并结合现场实测，分析变余砂岩隧道洞口浅埋偏压段初期支护大变形产生的机理。

1 工程概况

依托工程位于贵州省境内，进口段较陡，自然坡度在10°~20°；出口段自然坡度在10°~15°。隧道区附近海拔456~615 m，相对高差159 m；轴线通过的地面高程为472.00~562.00 m，相对高差90.00 m。隧道区洞口段为强风化变余砂岩夹杂黏土，岩体节理裂隙极发育，岩体松散碎裂，自稳能力差。

该隧道起讫里程为ZK38+425—ZK38+870，全长445 m，最大埋深75 m。隧道开挖选择从ZK38+870侧开始。隧道各围岩段物理力学参数见表1。

表1 隧道各围岩段岩土物理力学参数

2 初期支护大变形特征

因持续一个月遭遇强降雨，隧道入口发生洞口仰坡开裂，拱顶沉降速率加快。隧道掌子面施工至某断面时，掌子面后10 m钢拱架严重变形，在120 min内向隧道洞内突出0.6 m。钢拱架附近产生明显裂缝，衬砌混凝土开裂剥落，出现明显平面外偏压大变形特征。洞口段隧道右拱肩出现局部大变形、开裂、掉块、钢拱架变形等问题。同时，边坡围岩出现大面积裂缝、剥落，边坡大裂缝主要沿坡向发育。

针对上述情况，立即采用20b工字钢架对大变形部位进行紧急支撑限位，工字钢排距1 m，每排均采用∟10×10 cm角钢进行横纵牢固连接，底座用槽钢支垫加固。

采用全站仪监测全路段初期支护大变形的发展。典型断面初期支护侵限测点变形特征如图1所示。根据TB 10204—2002《铁路隧道施工规范》，隧道大变形的变形量划分见表2。

图1 ZK38+860截面隧道初期支护侵限（单位：mm）

表2 隧道大变形的变形量划分

从图1可以看出：①初期支护从深埋侧向浅埋侧最终累积变形量显著，右侧拱肩最大变形量达674.1 mm。根据TB 10204—2002，单线隧道变形量大于15 cm即认为发生大变形。②深埋侧的钢拱架沿隧道轴向出现大变形，主支护结构裂缝较密集，主要沿隧道半径方向发展。究其原因，开挖扰动后，由于降雨入渗使围岩软化，加之支护结构过强，加大了不对称偏载的离心矩，支护结构不能提供足够支护力，造成初期支护产生大变形。

根据TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》，Ⅴ级围岩隧道拱顶的最大容许沉降为100 mm。典型监测断面ZK38+862和ZK38+853的拱顶沉降见图2。可知：初期支护发生大变形，ZK38+862和ZK38+853断面拱顶沉降分别达到了416、179 mm，远大于容许变形值；布设临时钢架能有效控制拱顶位移的发展。

图2 典型监测断面拱顶沉降时程曲线

3 初期支护大变形机理

3.1 围岩特征对初期支护大变形的影响

西南地区变余砂岩典型边坡隧道洞口段地形特殊，地质及水文条件差，围岩等级低（Ⅴ级）；强风化的变余砂岩夹杂黏土洞口段岩体节理裂隙极发育，岩体松散碎裂，自稳能力较差。因此，容易出现洞口段局部大变形、开裂、掉块贯通等问题。

3.2 连续强降雨对初期支护大变形的影响

隧道洞口段施工遭遇连续强降雨，大量雨水渗灌隧道洞口段及围岩。围岩吸水饱和后重度增加，边坡滑楔体下滑力增大，洞口初期支护偏压荷载、弯矩及扭矩增大。同时，围岩吸水软化，抗剪强度降低，阻滑能力大幅减弱。强降雨使围岩有效强度降低，成为洞口段大变形的主要原因之一。

采用FLAC 3D 5.0有限差分法进行数值模拟，进一步分析强降雨作用对初期支护大变形的影响。根据圣维南原理，建模时忽略开挖区域对远场的影响，取隧道左右各5倍洞径，纵向取48 m，计算模型尺寸为100 m×100 m×48 m。整个数值模型共117 400个单元，36 916个节点。计算采用摩尔库伦准则。

考虑两种工况。工况1：不考虑降雨影响，计算参数取原始地质勘测数据；工况2：考虑强降雨影响，在地质勘察的基础上进行室内试验获取自然饱和条件下围岩饱和参数。工况1和工况2围岩和初期支护参数［10］见表3。

表3 围岩及初期支护计算参数

工况1下围岩及初期支护位移见图3。可知，围岩和初期支护都出现了平面外变形。受偏压作用的影响，深埋侧围岩向左下侧通过主动土压力挤压支护结构，导致从拱顶至右拱脚的支护结构产生向隧道内侧的平面外大变形，右拱肩处变形最大，为5.42 mm；隧道底拱处向左上方产生隆起，最大为4.66 mm。考虑相互作用，偏压作用下围岩和支护结构产生的变形均值在TB 10003—2016容许范围内。因此，不考虑降雨影响，该隧道初期支护设计方案是可行的。

图3 工况1位移云图（单位：m）

工况2下围岩及初期支护位移见图4。可知：深埋侧围岩向左下侧挤压支护结构，导致从拱顶至右拱脚处的支护结构产生了向隧道内侧的变形，其中右拱肩处变形最大，为719 mm；由于力的相互作用，隧道的底拱处向左上方产生隆起，最大为700 mm。受强降雨影响，支护结构和围岩均承受较大的偏压荷载，产生了大变形，超过TB 10003—2016容许范围，最终导致支护系统的平面外大变形以至于破坏。

图4 工况2位移矢量云图（单位：m）

对比两种工况的数值计算结果，在不考虑降雨影响的情况下，隧道支护设计方案能有效抵抗来自隧道的偏压荷载；遭遇强降雨时，土体吸水软化，重度增加，土体抗剪强度降低，偏压荷载迅速增加，致使初期支护变形剧增，最终导致隧道支护系统破坏。

3.3 变余砂岩特殊地质条件下洞口块裂体荷载模式

根据现场监测和数值模拟得到的围岩和支护变形，建立变余砂岩特殊地质条件下洞口块裂体荷载模式。浅埋偏压荷载软弱结构面的隧道变形分析模型如图5所示。红色虚线表示隧道开挖后支护变形情况。将隧道围岩按隧道中线、薄弱结构面、破碎面划分为4个区域。A区为主动滑动变形区，下滑动倾向对初期支护施加主动挤压力。B区为被动滑动变形区，其变形由A区推力引起，A区变形大于B区。C区为偏压荷载区，位于隧道深埋一侧。D区为抗偏压荷载区，位于浅埋侧。C区、D区均属于约束限位区，均为隧道支护结构提供横向支撑边界。C区荷载大于D区。考虑饱和软弱结构面的存在，上部岩层（A区、B区）的变形要大于下部岩层（C区、D区）的变形。综上所述，4个区域的变形关系为A＞B＞C＞D，这与图1、图4的变形规律一致。图中，P1为主动滑动区A对隧道右拱腰的剪应力，P2为被动滑动区B抵抗隧道左拱腰隆起的作用力，P3为偏压荷载区C对隧道右拱腰的作用力，P4为抗偏压荷载区D抵抗P1的相互作用力。

图5 浅埋偏压荷载软弱结构面的隧道变形分析模型

4个区域的相对变形对有软弱结构面的隧道结构进一步产生剪切作用，导致支护大变形或裂隙网主要分布在区域交界面附近。对比图1和图5可知，右拱腰大变形是拉应力和剪应力共同作用的结果。拉应力是由A区岩体滑动的挤压力引起的，剪应力是由岩层间的相对位移引起的，P1是造成隧道右拱肩大变形的主要原因。隧道底拱在P4的作用下产生了隆起变形。左拱腰变形是由向外膨胀变形产生的拉应力引起的，P2无法提供足够抵抗P1和P4合力的支撑，导致B区隧道结构出现向外隆起变形。

根据该铁路隧道实际参数，定量分析偏压荷载（图6）对该隧道侧壁的影响程度［11］。取隧道宽度L=13.5 m，隧道中心线高度H=0.4 m，覆盖土重度γ=20 kN/m3，围岩内摩擦角φ=40°，顶板土柱两侧摩擦角θ=0.6φ=24°，地面坡坡度角α=40°，内侧任意点至地面的距离h=10.06 m，外侧任意点至地面的距离h′=1.88 m。经计算，内侧压力系数λ=0.472，外侧压力系数λ′=0.226。据此计算隧道内外侧围岩压力均布值e内和e外：e内=(e1，内+e2，内)/2=110.76 kN/m2，e外=(e1，外+e2，外)/2=15.79 kN/m2。其中，e1，外、e1，内为隧道侧壁顶端的围岩压力，e2，外、e2，内为隧道侧壁底端的围岩压力。

图6 偏压荷载

根据理论计算得出内外侧的压力均布压力，在未施加超前预加固的情况下，该隧道内侧均布压力约为外侧的7倍，形成了极其严重的偏压荷载，导致发生相应的偏压大变形。

4 变形控制方案及效果

结合初期支护大变形的特征和机理分析，采取了一系列变形控制措施。

1）增设排水沟。增设排水沟可引导强降雨沿地表径流，减少对围岩的渗入，利于隧道围岩周围土体的固结，维持隧道围岩稳定性，限制进一步变形。

2）喷混凝土护坡，增设1.2 m防水板。在洞口仰坡段坡体加固，喷射C20混凝土8 cm；隧道内衬增设1.2 mm防水板，防止水渗入。

3）减载反压（图7）。a区边坡围岩冲刷损失通过b区平衡弥补，b区岩体护坡抑制支护大变形。为防止a区土体滑动，实施减载反压回填措施。将隧道洞口右上方a区深埋侧500 m3土体回填至b区浅埋侧，增加浅埋侧的反压力，有效减轻偏压荷载影响。

图7 减载反压及长短锚杆组合支护示意

4）长短锚杆组合支护（参见图7）。拱顶至右拱脚90°范围采用4 m长注浆锚杆环向布置，锚杆间距为1.0 m×1.0 m，拱顶至左拱脚90°范围采用2 m长注浆锚杆环向布置，锚杆间距1.0 m×1.0 m。

5）隧道稳定可控状态时，拆除临时支撑，及时施作二次衬砌。

采取控制措施后现场监测竖向位移见图8。可知，隧道右拱腰位移最大，由于深埋侧竖向应力较大使得右拱腰的竖向位移较左拱腰大近3倍，左拱脚和右拱脚的竖向位移都较小。整治前后关键部位的变形见表4。

图8 现场监测竖向位移曲线

表4 关键部位变形对比 mm

5 结论

1）隧道初期支护大变形特征为累积变形量大，前期变形速率快，变形持续时间长；破坏形式为洞口段隧道右拱肩处初期支护出现局部大变形、开裂、关键掉块，边坡围岩出现大面积裂缝、剥落等。

2）连续降雨、洞口段偏压严重、围岩等级低是初期支护大变形的主要诱因。

3）右拱腰变形是深埋侧岩体滑动挤压力引起的拉应力和岩层间相对位移产生的剪应力共同作用的结果；左拱腰变形是由向外膨胀变形引起的拉应力产生的，由于浅埋侧岩体无法抵抗产生的偏压荷载，导致隧道结构出现向外隆起变形。

4）采用20b工字钢临时支护+增设排水沟和防水板+喷混凝土护坡+反压减载+长短锚杆组合支护的综合整治方案，有效控制了隧道洞口段初期支护大变形，效果良好。