深埋隧道软岩大变形与支护结构受力监测分析

周成嵩，杨鹏飞，张红东，宋 罡

(1.云南省建设投资控股集团有限公司，云南 昆明 650011；2.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071)

0 引言

近年来，大量的工程实践表明，深埋软岩隧道开挖过程中引起的地层应力会不断释放，致使支护结构严重扭曲变形，甚至出现垮塌、断裂等破坏现象[1-4]。分析其变形特性并优化支护设计技术与方法尤为重要，及时加强支护对于软岩隧道安全控制具有重要指导意义，隧道开挖后立即施作支护结构，一般通过设置高强度钢拱架、增大喷射混凝土厚度等加固措施提高支护结构刚度，是早期“强支硬顶”支护设计的体现。深埋软岩隧道围岩变形量大，特别是在开挖后的早期变形普遍表现为位移速率加快；工程中大量涌现围岩富水地段，如设计或施工不合理极易发生软岩大变形甚至塌方，且在隧道埋深较大地段，围岩受覆盖层厚度荷载作用影响，岩层应力也会增大，开挖方法及支护类型选择不当，会严重威胁施工安全，影响施工进度。因此，对于深埋软岩隧道，选择合理的开挖支护方案，对支护结构受力特征进行深入研究具有十分重要的指导意义。宋桂锋等[5]根据现场监测结果分析了云南某公路隧道围岩和支护结构的变形及受力特征；陈远志等[6]对河北省某高速公路隧道围岩的多项应力监测成果进行了分析，发现初支结构与围岩相互协同作用下可有效抑制围岩变形；戴永浩等[7]通过大梁隧道现场监测和数值反演分析，揭示了隧道软岩大变形规律，提出控制顶部和底部变形的支护方案，较好地控制了隧道围岩的大变形,保障了隧道施工安全；王树英等[8]针对围岩流变大变形，调整支护结构参数，通过支护结构应力监测分析结构稳定性；雷军等[9]对乌鞘岭隧道围岩变形与衬砌结构进行了多项应力监测，有效反映了围岩位移与支护结构受力变化规律，并初步探讨了隧道围岩挤压大变形的形成机制；Bizjak等[10]采用三维收敛测量法对斯洛文尼亚某公路隧道围岩位移和衬砌应力进行监测，分析NATM施工支护的稳定性；熊安祥等[11]通过监测新杨柳湾隧道结构应力变化，对其进行支护加固和施工方案优化，以确保隧道安全施工；周艺等[12]基于5种方案的支护参数优化进行三维数值模拟，并与现场监测进行对比分析，研究隧道施工过程中的安全性与稳定性。

在实际施工过程中，由于围岩压力变形过大，导致钢架支撑承载能力不足，造成钢拱架支撑受压产生拉伸变形，且变形过大产生扭转弯曲，甚至出现破坏失稳的严重后果。深埋软岩隧道主要依靠支护结构和围岩承受外部荷载压力，支护结构如不能充分发挥作用，会导致围岩收敛挤压变形过大，或发生初支侵限二衬净空的问题。本文通过现场监测，研究深埋软岩隧道开挖大变形与支护结构受力特征，可因地制宜地优化隧道开挖和围岩支护的协同作用，以更好地保证隧道施工过程中的安全与稳定。

1 工程概况

某高速公路位于大理州鹤庆县、洱源县、剑川县和怒江州兰坪县境内，全长约99km，主线按双向四车道高速公路标准建设，设计行车速度为80km/h，路基宽度为25.5m。其中云岭雪邦山特长隧道穿越云岭雪邦山—兰坪县城东南侧，到达本工程主线终点，与规划的大理—兰坪高速公路相接。本文以云岭雪邦山特长隧道为依托。

隧道区属构造剥蚀中山、高山地形地貌区。隧道穿越区海拔高程为2 540.000～4 160.000m ，相对高差1 620m。根据地质调查揭露结果，隧道区范围内主要地层为第四系坡残积(Qdl+el)层、岩层。

云岭雪邦山特长隧道出口端掘进至K53+290处，隧道埋深约167.5m，原设计围岩为IV3级，衬砌类型SF4a，钢拱架支护采用I16。实际开挖掌子面揭示围岩以中风化～强风化粉砂质泥岩为主，围岩结构破碎、较松散，软弱泥质夹层发育，结构间结合力差，整体完整性较差，综合推断为破碎岩体。掌子面前方富水性一般，开挖会有较多裂隙水渗出，受软弱夹层及裂隙水影响，综合判定围岩自稳能力差，易掉块、滑塌。另外地表为自然冲沟，沟内有常流水，流量较大。第三方检测单位超前地质预报围岩为V1级。

根据以上掌子面揭示围岩状况，结合原设计支护类型，经业主、设计、监理、施工单位四方代表现场勘察及核对隧道地质超前预报报告，确定原有支护方案需进行变更调整。调整后围岩为V1级，衬砌类型SF5a，钢拱架采用I18，以加强初期支护。调整后支护设计方案如图1所示，原设计和调整后设计参数对比如表1所示。

图1 调整后支护设计方案

表1 隧道原支护设计和调整后支护设计参数对比

此时，隧道已开挖地段累积最大沉降量达218.8mm，最大累积收敛值达235.9mm；最大单日沉降量达22.2mm，最大单日收敛值达22.7mm。累积沉降和收敛大大超过了设计预留变形量15cm。隧道开挖过程中出现不同程度的软岩大变形、初支表面开裂或脱落(钢拱架外露)、钢拱架被挤压严重扭曲变形等现象(见图2)，发生冒顶坍塌或突泥涌水等灾害。

图2 隧道掌子面围岩与初期支护危害

由于将原有支护方案调整为SF5a衬砌支护加强后的围岩变形仍较大，初期支护的强度和刚度远远满足不了实际工程需求，设计预留变形量完全得不到有效控制。因此，需重新加固岩体，给隧道施工造成较大困难。

2 软岩大变形监测及分析

2.1 监测断面布置方案

云岭雪邦山隧道沉降收敛变形监测断面测点布置如图3所示。选择在隧道出口端右幅掌子面K53+290处布置1个监测断面，该断面至少布置1个拱顶沉降测点A，3条洞周水平收敛测线BC，DE，FG。隧道开挖主要存在洞内水平收敛变形，因此将B，C，D，E，F，G各收敛测点分别设置在上导拱肩、中导拱腰及下导拱脚处。采用全站仪进行三维非接触式观测。

图3 沉降收敛变形监测断面测点布置

2.2 监测结果及分析

K53+290断面洞周沉降与收敛历时变化曲线如图4所示。沉降负值表示拱顶下沉，收敛负值表示向洞内收敛。

图4 K53+290断面洞周沉降与收敛历时变化曲线

由图4可知，在较短的26d监测周期内，隧道围岩变形大致可划分为3个阶段，初期0～5d为急剧变形期,中间阶段6～15d为快速变形期，后期16～25d为缓慢变形期。隧道开挖过程中，前期5d内BC，DE和FG测线累积收敛值分别为99.2，100.6，90.4mm,拱顶测点A累积沉降值为96.1mm；BC，DE和FG测线平均收敛速率分别为16.5，16.8，15.1mm/d，拱顶测点A平均沉降速率为16mm/d。分析认为该段时间内围岩急剧变形，单日变形量较大，受隧道开挖影响，围岩支护后受力状态调整仍在进行，导致围岩变形最明显。

之后隧道变形速率较初期明显加快，6～15d期间BC，DE和FG测线平均收敛速率分别为21.5，21.9，21.0mm/d；拱顶测点A平均沉降速率为20.4mm/d；15d时观测得到测线BC，DE和FG累积收敛值分别为215.1，218.7，210.1mm，拱顶测点A累积沉降值为203.9mm。该段时间内由于隧道开挖围岩松散破碎，地层应力在不断释放，围岩处于加速变形状态，位移平均速率明显增大，单次变形量也有较明显的波动变化，说明整体围岩的变形调整并不是一个线性发展过程，围岩与支护结构相互作用需经历多次调整。

16～25d期间，BC，DE和FG测线平均收敛速率分别为21.1，21.4，20.9mm/d，拱顶测点A平均沉降速率为19.9mm/d；25d时观测得到测线BC，DE和FG累积收敛值分别为231.8，235.9，229.6mm；拱顶测点A累积沉降值为218.8mm。分析可知该段时间内围岩变形速率与中间阶段基本相同，且总体上隧道变形趋于稳定，说明围岩与支护结构内部调整已基本完成，但累积变形仍超过预留变形量，设计调整SF5a衬砌支护下隧道变形仍得不到有效控制。

3 支护结构受力监测及分析

3.1 监测方案设计

为确保云岭雪邦山隧道开挖过程中的安全与稳定，并为高地应力富水软岩隧道的研究与设计提供可靠依据，在隧道出口端右幅K53+211布置1个监测断面，该处支护方案调整后围岩等级为V2级，衬砌类型SF5c，采用I20a型钢拱架加强初期支护。该断面处分别沿左拱腰测点B、拱顶测点A和右拱腰测点C，以同步A，B，C测点位置布设初期支护围岩接触压力和钢拱架受力各3个监测点共6支监测元件，二衬混凝土三向应力3组监测点共9支监测元件，如图5所示。

图5 K53+211断面围岩与支护结构受力监测点布置

围岩接触压力监测的土压力计安装布设一般选取现场立架工序时段，安置时注意土压力计的感应受压面应面向围岩，为使土压力计受力均匀且量测数据准确，可将土压力计固定在竖立钢架的顶端外表面与钢筋网片间的夹缝中，待后续喷浆时，务必将土压力计测点处完全喷实，以达到与岩体紧密贴合的充分饱和状态。土压力计量测电缆引线沿拱部钢筋网片分段绑扎固定顺引而下，但引线绑扎时不宜过紧，以防止混凝土收缩拉断引线。此外，为保护外露电缆引线不被施工破坏及满足长期观测的需要，设置藏线管或用土工布包裹保护引线。钢拱架受力监测的表面应变计安装布设采用电焊焊接固定在工字钢内槽表面处。振弦式土压力计和安装型表面应变计如图6所示。

图6 振弦式土压力计和安装型表面应变计

二衬混凝土三向应变计按预定的方向绑扎在钢筋网上，将电缆顺着钢筋网牵引到指定位置上。进行混凝土振捣时要保证振捣棒远离传感器和电缆。从理论上讲，为得到有效数据，在1.5倍仪器长度的有效半径内，钢筋直径不能大于传感器长度的1/5。对于安装两向或三向应变计时应使用应变计安装支架，如图7所示。

图7 振弦式三向应变计固定和支架

该监测断面初支围岩接触压力、钢拱架受力及二衬混凝土三向应力均采用振弦式频率读数仪SL-406进行频率数据量测，换算过程如下：

F=K(f2-f02)

(1)

Δε=G(LU1-LU0)

(2)

P=K(f02-f2)

(3)

式中：F为所测围岩接触压力(MPa)；K为监测元件标定系数(MPa/Hz2)；f为当前实测频率读数(Hz)；f0为仪器初始频率读数(Hz)；Δε为所测钢拱架微应变(με)；G为监测元件标定系数(με/LU)；LU1为当前实测频率读数；LU0为仪器初始频率读数；P为所测混凝土压应变(με)。

监测频率如表2所示。对出现不良地质条件或异常情况时，应适当加密观测频率。

表2 监测频率

3.2 支护结构受力结果及特征分析

3.2.1围岩与初期支护间接触压力响应

出口端右幅K53+211断面围岩接触压力变化曲线如图8所示。围岩与初期支护间接触为正值受压状态。

图8 K53+211断面围岩接触压力变化曲线

由图8可知，上导左拱腰初支结构内部围岩压力最大，值为1.31MPa，出现在2022年1月12 日—1月17日。

监测数据反映监测前期该处受隧道开挖和埋深(223.8m)影响，地层高应力释放相对较快，围岩承受外部荷载较明显，压力值在缓慢爬升；自2021年12月27日该断面仰拱闭合成环后，围岩压应力释放相对较缓慢，至2022年2月17日压力值为1.2 MPa，各测点压力变化同时期内基本保持较稳定状态。从总体上看，整体围岩压力变化普遍较小，局部位置较大，该断面各测点发展规律大致相同，且岩体压应力分布相对较均匀，变化过程中无较大波动，这与该工区项目部监控量测的围岩变形发展规律情况一致。该处按调整后I20a型钢拱架加强支护后，说明隧道开挖过程中围岩接触压力对初支结构产生的影响不大。

3.2.2钢拱架支撑受力响应

出口端右幅K53+211断面钢拱架受力变化曲线如图9所示，钢拱架应变负值表示钢支撑受力处于拉应变状态。

图9 K53+211断面钢拱架受力变化曲线

由图9可知，初支结构内部钢拱架受拉变形最大值达-1 034με，出现在2022年2月17日上导右拱腰处；其次上导拱顶处钢拱架拉应变最大值为-904.6με，出现在2022年2月17日。

数据变化反映监测过程中该处受隧道开挖和埋深影响，在地层高应力释放作用下，随着围岩压力逐渐增大，同时期内钢拱架拉伸变形也在增大；自2022年2月4日该断面仰拱闭合成环后，岩层地应力释放极缓慢，之后钢支撑受力趋于稳定时间相对较长，直至2022年2月17日各测点受力变化过程相对较均匀，同时期内基本保持较稳定状态。从总体上看，钢拱架整体受拉变形普遍较大，该断面各测点变化规律基本相似，变化过程中无较大波动，这与该工区项目部监控量测的围岩大变形发展规律情况相一致。该处按调整后I20a型钢拱架加强支护后，隧道开挖过程中钢支撑受拉变形仍较大，对初支结构受力屈服强度会造成一定程度的影响。说明该处在衬砌类型调整到SF5c，采用I20a型钢拱架支护，按V2级围岩段施工的情况下，从较长时间的稳定性分析，总体评价对初期支护有效加固设计是可行的。但鉴于钢拱架受拉变形较大，钢支撑结构受力强度整体较弱，从长期安全与稳定考虑，建议局部地段初次衬砌可适当调整到I22的钢拱架加强初期支护。

3.2.3混凝土衬砌内力响应

出口右幅K53+214断面混凝土衬砌内力变化曲线如图10所示，二衬混凝土应变正值表示混凝土衬砌受压。

图10 K53+214断面混凝土衬砌内力变化曲线

由图10可知,二衬混凝土衬砌内力三向应变中最大值为131.0με，且处于受压状态，出现在2022年1月28日上导拱顶径向位置上；其次是上导拱顶环向处混凝土压应变最大值为85.2με，出现在2022年2月17日；而上导拱顶纵向处混凝土压应变则最小。

该处各方向监测数据均反映二衬混凝土均处于受压状态，应变值普遍较小且受力相对较均匀，发展规律较一致，同时期内整体变化过程基本平稳，监测初期仅出现短暂波动，表明二衬结构受压作用影响不明显，与初支间相互作用进行自我调整结合较好；个别方向的压应变在缓慢减小，逐渐转变拉应变状态。说明内部混凝土内部整体上已达到基本饱和，发挥了一定的二衬支护作用。

4 软岩大变形与支护结构受力相关分析

根据现场监测结果分析，隧道开挖后围岩变形和结构应力随时间变化均明显较大，其递进关联性表明：初期支护围岩压力越大，隧道沉降和收敛变形就越大，钢拱架支撑受力越大，对应受拉变形也越大。现有支护对策和支护效果已不能满足围岩稳定性要求。根据新奥法施工力学原理，初期支护设计允许隧道有一定变形，因隧道埋深大释放围岩荷载较快，势必会导致初期变形速率加快。由于围岩出现较大变形，原有方案设计预留的变形量及采用的I18型钢拱架支护受力性能均明显不够。因此，为避免软岩大变形造成初支侵限二衬，出现压力过大的危害，适当加大预留变形量或调整衬砌类型十分必要。

现场监测结果表明，隧道整体围岩大变形以拱部和底部最显著。其中针对顶部变形，采用超前小导管压力注浆以改善围岩质量，提高承载能力。因此，在设计调整SF5c后采用φ42注浆小导管，在拱部120°范围内双液注浆，注浆压力为0.8MPa，长4m，纵向搭接长度≥1m，每3榀施作一环，外插角为5°～10°，环向间距40cm，以小钢管和钢架相配合，穿过工字钢腹部。对于底部变形，采用仰拱支护和注浆回填，同时施作锁脚长锚杆和仰拱封闭来控制底部上抬变形。仰拱支护设计调整为隧道两侧采用各4根φ89锁脚钢管注浆加固，长6m；仰拱封闭采用开挖和初期支护3～5m一个循环及时封闭成环，进行仰拱钢筋绑扎、立模、混凝土垫层和填充混凝土分层浇筑。

由此可看出，原有的钢拱架支撑能力已不能满足实际承载需求，因此，须调整采用支护强度更好的I20a型钢拱架加强支护，以缩小纵向间距，建议钢拱架间最好以型钢连接，进一步提升钢拱架整体变形的抗屈服能力。

通过对不同衬砌类型支护结构设计进行对比分析，采用调整后的I20a型钢拱架支护方案相对较可靠，围岩变形得到有效控制，支护结构受力发挥了一定作用，衬砌表面开裂、脱落，钢拱架扭曲损坏也明显少见，避免了类似现象的再次发生，以确保高应力富水软岩隧道施工安全顺利通过，提升施工效率，加快施工进度。特别是在二衬施工后，二衬混凝土整体受压应力越小，支护强度就越高，三向混凝土应力基本达到饱和，隧道整体稳定性良好，充分说明调整后支护设计变更及时，合理有效。

5 结语

为研究深埋软岩隧道开挖和支护过程中软岩大变形及支护结构受力相互影响的对应关系，依托云岭雪邦山隧道开展现场监测，着重从施工过程中监测断面沉降和收敛大变形影响的角度分析设计调整后的支护结构受力，结合勘察资料和现场调查，对隧道围岩的安全性与稳定性进行评价，得到初步的加固措施建议。

1)通过现场调查，结合深埋软岩隧道变形特征分析，隧道大变形主要是由于深埋荷载作用下软弱围岩超过其屈服强度，从而产生围岩塑性变形，岩层间相互挤压作用引起的，再加上云岭雪邦山隧道围岩岩性以强风化粉砂质泥岩为主，在富水作用下会发生软化，从而进一步降低软岩的屈服强度。

2)隧道开挖后的围岩变形、破坏和地层应力分布等变化，主要受隧道埋深和围岩岩性影响，其中软岩强度对开挖后隧道的稳定性影响更大。从监测断面沉降收敛变形速率来看，隧道开挖后地层应力会重新分布，监测初期围岩急剧变形，速率明显加快，中后期的位移平均速率逐渐趋缓。

3)初支结构受力情况表明，围岩与初期支护间的接触压力越大，围岩变形就越大，钢拱架受拉变形也随之越大，钢支撑受力屈服强度就会明显减弱；而二衬混凝土受压越小，支护强度就越高，应力分布相对较均匀，二衬支护效果较好。

4)建议措施为：①为确保深埋软岩隧道的长期安全稳定性和加固范围，及时跟踪监测，特别针对软岩变形大、初期支护强度明显不足的地段，可适当对设计参数进行变更调整，为有效加固设计提供可靠依据；②鉴于软岩隧道多埋深大，建议采取重降水、适注浆、短进尺、弱爆破、快掘进、强支护、早成环、勤量测的措施，特殊地段进尺30cm就支护一次，有效保障施工安全；③充分运用相应的辅助加强措施，如深孔锚杆、早高强喷混凝土、注浆及锁脚钢管等，综合应用以切实强化初期支护结构的强度和刚度，进而形成整体支护体系，共同抵制软岩大变形的发展。