非飽和性黏土隧道變形原因分析與二次換拱技術研究

蔣宏興

（中鐵隧道集團杭州分公司，浙江 杭州 310030）

引言

在建湖南炎汝高速公路寒嶺界隧道出現了嚴重的圍巖大變形，多處隧道初期支護侵入凈空，邊墻出現縱向開裂現象，威脅了施工人員的安全和工程進度。因此，有必要分析圍巖大變形原因，研究控制大變形的措施，總結大變形規律，保證隧道施工安全。本文在通過對隧道各種變形現象的分析，查閱相關文獻資料[1][2]，結合現場的監控量測資料對圍巖大變形的變形原因進行梳理，借鑒數值模擬仿真技術，全面分析初支結構的受力性能。采取加固措施，穩固支護結構，對侵入凈空地段進行二次換拱處理。通過監控量測數據結論，滿足結構沉降要求后組織二襯結構施工，達到隧道整體結構的技術指標和要求。

1 隧道初支結構大變形特征

寒嶺界隧道全長2820米，圍巖狀況復雜多變，以炎陵端570米范圍內不良地質較頻繁，多處出現變形現象。監控量測斷面布置如下圖。

變形現象一：

洞身初支結構全斷面侵入凈空，最大沉降76cm，侵入凈空51cm，變形段長度60米，環向開裂跡象。斷面測量凈空表見下表（以最大變形段三個斷面數據分析）

斷面凈空測量表

地質描述：

隧道洞壁左半幅為碎石類堆積土夾漂石，施工過程中進行了注漿加固。洞頂和右半幅洞壁均為磚紅色非飽和粉質粘土，含水量偏大。

變形現象二：

洞身初支結構局部侵入凈空，最大沉降36cm，侵入二襯結構。變形段長度37米，縱向或環向開裂跡象。斷面測量凈空表見下表（以最大變形段三個斷面數據分析）

斷面凈空測量表

地質描述：

隧道均為磚紅色非飽和粉質粘土，含水量偏大。

變形現象三：

觀測線c-c'位置出現嚴重的縱向開裂，初支掉塊現象，無滲水現象。局部斷面有突變，最大收斂位移7cm，影響長度25米

地質描述：

隧道均為磚紅色非飽和粉質粘土，含水量偏大。

2 變形原因分析

2.1 結構變形機理

軟弱圍巖的巖性和地質構造是影響隧道開挖安全的重要參數指標。一般在施工圖設計已經根據地質勘查揭示的資料采取了超前預加固處理。但是在實際施工過程中還是存在不安全的偶然事件發生，地質勘查不可能全面準確的描述地下工程的地質構造狀況、構造形成機理及影響帶的情況。多數情況下因施工造成圍巖體的應力變化，構造中的次生結構和水災害的綜合影響，局部產生了突變，從而造成不良地質地段的整體性變形，產生了施工安全隱患。

軟弱圍巖的變形機理的本質差別很大程度上決定變形規模。大變形的特征一定是失穩破壞，造成嚴重的后果。通常根據變形形成機制認為：一是開挖形成的應力重分布超過圍巖強度而發生塑性變化，在介質變形緩慢時屬擠出狀態；二是巖體中的某些礦物和水反應發生膨脹導致變形發生。而在軟弱圍巖地層中，圍巖應力重分布后會產生較大的塑性區和松動區，從而引起圍巖隨時間而增長的大變形。當隧道的縱軸線與主應力平行或小角度相交時對圍巖的穩定最不利。

2.2 變形原因分析

根據變形現象一凈空斷面測量結果顯示，結構的初支全斷面產生沉降和收斂。根據施工過程監控量測統計，該段隧道在施工后一個月內的最大變形量為5mm/d，施工后17天內平均沉降量為0.2mm/d，監控單位認為基本處于穩定，二襯施工時間距離開挖支護的時間為7個月，施工時進行凈空斷面測量發現結構全面侵入凈空，環向出現開裂現象。

根據變形現象三現場的結構變形情況，初支結構在c-c'測線位置發生內突變，噴射砼剝落、掉塊，產生縱向開裂現象。其原因是仰拱施工后，初支結構在拱架連接板薄弱位置收斂突變，最大突變70mm。

根據變性特征判斷，三種變形情況符合塑性變形特征。通過監控量測和變形數值模擬分析[4]，其主要原因如下：

1.斷面開挖后初期屬于應力重分布超過了圍巖強度而發生的塑性變形。尤其長時間未跟進二次襯砌形成受力拱圈，圍巖容易發生嚴重的流塑性變形導致圍巖體破壞。

2.后期結構由于非飽和性粘土在地下水的作用下產生膨脹導致緩慢變形。

3.非飽和性粘土易發生塑性變形，變形長時間內難以被有效控制。因此，圍巖強度對隧道變形的影響是物質因素的一種。

4.初支結構對隧道變形的影響。通過錨桿的檢測及地質雷達探測分析，非飽和性粘土的圍巖松動圈最大值范圍較大，而Ⅴ級圍巖的錨桿長度、中空錨桿的注漿效果、I18工字鋼剛度、拱架連接板質量、鎖腳錨桿質量均是造成變形的原因。

3 初支拱圈更換方案

3.1 施工方法和工藝

根據凈空測量斷面數據，對初期支護結構組織拆除，全斷面二次施作初支結構。針對非飽和性黏土圍巖體的力學性能，技術方案和施工工藝如下：

第一步：斷面環向采用地質雷達進行地質預報，深度35米；配合紅外線探測技術，探明拱圈結構外地下水情況。

第二步：采用高壓徑向注漿，對全斷面拱圈外進行注漿加固。

隧道的圍巖體為非飽和性黏土，普通注漿效果達不到固結土體的要求，根據土體的試驗數據，采用高壓注漿法，加固拱圈范圍為2.0m。保證變形段初支結構圍巖體形成穩定結構體。

第三步：原初支結構臨時補強。

縱向在原拱架下安裝鋼拱架，焊接牢固并噴射砼臨包裹，是新舊鋼拱架形成共同受力結構，形成臨時支撐體系。

第四步：切槽安裝二次初支鋼拱架。

①、換拱嚴格按每循環施作一榀，采用切割機切縫，風鎬開鑿。

②、拆除初支時，使用開挖臺車作為操作平臺，采用風鎬對初支進行鑿除，需拆除部位的初支與未拆除部位的初支形成一道環向分割縫后，再采取氣割除掉縱向連接鋼筋，結合挖掘機進行逐榀拆除。

③、原初期支護鋼架每拆除一榀、巖面修整后立即對巖面進行初噴，架設新鋼架（拱腳嵌入回填面10cm）、安裝錨桿、鋪設鋼筋網片完成初支結構。待噴射混凝土達到一定強度后方進行下一循環更換施工。如下圖所示

二次鋼拱架置換完成后拆除對應的臨時支撐體系，布設監控量測點，測量頻率為1次/3h。滿足沉降速率小于0.1mm/d[5]，后組織二次襯砌混凝土施工。

4 技術研究

非飽和性黏土對隧道開挖后的拱圈結構變形是關鍵的內在因數，對初支結構進行二次置換的誘發安全事故發生的可能性不較高。因此，在該地段進行換拱的首要條件是加固圍巖體，普通的注漿工藝很難達到固結效果。根據非飽和性黏土的物理力學性質[6]，對開挖后一段時間的黏土取樣進行土工試驗發現，其含水率明顯增加，注漿工藝的壓力抵抗值更高。通過技術分析，采用高壓注漿工藝[7]能夠很好地解決類似工程問題。

換拱施工方法應從技術經濟和安全兩方面綜合考慮。根據本文中寒嶺界隧道初支變形情況，二次置換鋼拱架在其臺它地段采用超強小管棚加固的方法。對比發現本文所采用的全斷面注漿固結施工方案其造價經濟較高，固結效果非常明顯；其二施工組織快速方便，對其它工作面的施工干擾較小，速度快；安全性較高。

5 結論

軟弱圍巖隧道的變形由開挖前的變形，開挖瞬時變形，開挖后的變形共同組成。后一階段的變形可以通過監控量測獲得數據，但在非飽和性黏土地段由于其塑性變形引起的圍巖體二次應力重分布不夠重視，監控量測的頻率不足，加之二次襯砌不及時造成侵入凈空限界。

軟弱圍巖地質條件下，隧道開挖后初期支護應力釋放時間較長，在很長一段時間內不能達到穩定狀態，其變形具有時效性，中后期的變形以蠕動變形為主。施工中應該加強鋼拱架的應力應變監測，提高支護結構的剛度，抵抗后期的變形，尤其加強施工前的預加固措施。

[1]景韌，韓有續，王毅東.木寨嶺隧道圍巖大變形的處治與技術分析[J].公路，2003.12.12.

[2]王夢恕，中國隧道及地下工程修建技術[M].北京:人民交通出版社，2010.

[3]朱建明，徐金海，張宏濤. 圍巖大變形機理及控制技術研究.科學出版社，2010.

[4]來弘鵬，林永貴，謝永利.不同應力場下公路隧道的力學特征試驗[J].中國公路學報，2008.07.

[5]公路隧道施工技術規范（JTGF60)[M].北京:人民交通出版社，2009.

[6]高凌霞，欒茂田，楊慶，汪東林.非飽和重塑粘土滲透性試驗研究.巖土力學，中國建筑工業出版，2008.05.

[7]崔玖江，崔曉青. 隧道與地下工程注漿技術.中國建筑工業出版，2011.01.