论文部分内容阅读
摘要：在浅埋软弱地层下修建大断面隧道，围岩的变形具有持续时间长、变形量大的问题，找到支护与围岩之间的变形协调关系是避免大变形对工程带来不良影响的关键。分析了当前软弱地层下大断面隧道大变形的原因及当前设计施工中普遍存在的问题，基于已有大变形隧道的研究资料统计，提出了隧道中围岩与支护结构协调变形的关系假定，认为整体沉降与支护闭合前的挠曲变形是大变形的主要来源。在考虑时空效应下，分别得到了台阶法隧道变形过程，即台阶法施工中大变形包含整体沉降与支护挠曲变形两部分，上台阶初支变形为下沉，侧墙支护发生挠曲。基于该变形过程进一步获得大变形的应对措施，克服了传统预留变形量的局限性，在材料基本不变的情况下实现初期支护结构变形完成后正好达到设计效果。
关键词：浅埋软弱地层；大断面隧道；协调变形；台阶法；预留变形
1引言
随着近些年来我国交通事业的发展，高速公路、高速铁路不断向中西部山区挺进，越来越多的大断面隧道不断涌现，并且隧道长度越来越长，断面也越来越大，面临的地质地层情况也越来越为复杂。其中，在浅埋软弱地层下，大断面隧道的大变形问题一直是工程建设中的难题。浅埋软弱地层通常被划分为V级或VI级围岩，本身强度低，岩质类地层主要为全风化或强风化岩，土质类软弱地层主要是黄土地层、软塑状粘性土等。软弱地层下隧道围岩变形持续时间长且累计变形量大，并且这些变形量均大于规范规定的预留变形量范围，在近些年的隧道建设中屡见不鲜。大变形问题处理不好，往往会导致初支侵限，被迫换拱，造成资金与工期上的浪费，严重时甚至有塌方的危险。
狭义上的围岩变形量包含拱顶沉降与周边收敛两部分，其大小主要与地层岩性、隧道尺寸、开挖方法、支护加固体系及施做时机有关，从这些因素入手，许多的学者就如何控制软弱地层下隧道围岩变形量进行了研究。其中王梦恕对软弱地层下浅埋暗挖法进行了技术总结，并提出了“强支护”与早封闭的变形控制理念；赵勇基于大量的国内外软弱围岩隧道工程案例，对隧道变形机制与控制技术进行了深入研究；赵东平，平喻渝，王明年等基于对一系列大断面黄土隧道变形资料的统计，总结了其变形规律及合理预留变形量的设置范围；营磊，盖英志结合软弱围岩中隧道变形特点，提出了不变形情况下钢架的加工适应模型；梁巍，黄明利研究了CRD法在软弱地层下隧道施工中的变形规律与控制要点。不同的研究丰富了软弱地层下围岩变形控制的理论，并为实际工程提供了借鉴参考。
当前，对于浅埋软弱地层下某项确定的隧道，往往从大刚度支护、超前加固技术、合理的開挖方法及预留变形量四方面入手做变形控制措施。但是，在隧道设计及施工中，普遍忽略了软弱围岩中初期支护与围岩协调变形的问题，围岩的变形是通过支护结构上的监测点得到的，但是围岩的变形与支护结构的变形本质上不是一回事，当前普遍获取的洞内监测变形，是围岩与支护之间的相互作用的结果，也就是围岩与支护结构协调变形的结果。这种协调变形关系与隧道开挖方法有关，并且具有明显的时空效应，得到不同开挖方法下围岩与支护协调变形关系，就能获得合理预留变形量、避免大变形对工程的影响。根据已有的一些浅埋软弱地层下隧道大变形资料展开变形假定分析，进行围岩与支护结构协调变形关系的探讨，尝试根据该变形关系确立不同开挖方法下的变形应对措施的新思路。
2围岩与支护结构协调变形
2.1已有案例变形规律
为探索围岩与支护结构的协调变形关系，广泛搜集浅埋软弱地层下浅埋暗挖法施工的隧道变形监测数据与研究资料，得到的9座典型浅埋软弱地层大断面隧道变形资料如表1所示。
统计的9座隧道中，包含了浅埋类黄土隧道、砂性土、粘性土及一些全风化、强风化岩类隧道，用途上覆盖了公路隧道、高铁隧道与城市地铁隧道，结合文献中的详细研究结论及变形监测数据可以得到浅埋软弱地层隧道变形具有以下特点：
（1）拱顶沉降值与周边收敛值并不一致，且拱顶累计沉降值普遍大于周边收敛值；
（2）大变形初始发生时，大多隧道发生了初支侵限事故并进行了换拱；
（3）分部开挖法下变形值要小于台阶法；
（4）部分文献研究指出拱顶与拱脚的差异沉降值小；
（5）多数大变形下衬砌并没有明显开裂或脱落，发生初支侵限后任然是整体；
（6）初支闭合后，沉降很快趋于稳定。
（7）以上隧道基本都采取了设计规范中大刚度支护体系且有超前加固措施。
2.2协调变形假定
常见的软弱地层下隧道设计中，均包含超前支护与系统锚杆，初期支护包含钢架、钢筋网片并且初期支护在仰拱处封闭，隧道受力如图1所示。围岩的变形是通过支护结构的监测得到的，但围岩的变形也受地层整体变形的影响，并不局限于支护结构监测到的变形。支护结构监测到的变形则是围岩压力与地层位移双重作用的结果，包含了材料变形与地层位移两重作用，并且两者之间存在某种协调变形的关系。计算围岩变形常用到的数值模拟方法，由于无法模拟支护结构与围岩之间的接触滑动，很难能计算得到这种变形协调关系。根据2.1浅埋软弱地层下隧道变形规律总结，可以对支护与围岩之间的协调变形进行假定分析。
假定（1）：支护结构在围岩压力作用下发生自身结构的变形
从最简单的变形分析，假定支护结构在围岩压力作用下发生向洞内临空侧的变形，即支护结构本身的材料变形，以拱脚位置锁脚锚杆为固定端约束，以常见的双车道公路隧道断面为例，初支受力模式与变形方向如图2所示。按照结构设计基本理论，钢架及混凝土在屈服阶段发生最大的应变0.002计算，能够发生的最大收缩变形值为56，mm左右，显然水平与数值方向上能够发生的变形不会超过56cm。与普遍的大变形现象矛盾。文献通过对软弱地层钢架进行系统的测试发现，钢架受力稳定阶段应力大小接近其屈服应力，说明该部分变形是存在的，但并不是主要的变形来源。 假定（2）：支护结构在围岩压力作用下发生挠曲变形
支护结构监测到的大变形并非来自于材料的压缩，但却有可能在围岩压力作用下发生挠曲变形。在拱脚约束下，支护挠曲变形，支护整体长度变化小，上方荷载明显大于侧压力，支护结构顶部弧度增大，发生下沉，而侧墙弧度减小，向围岩一侧位移，具体形态如图3所示。但是该假定也有矛盾之处，首先围岩越是软弱，其泊松比v约大，则地层侧压力系数k约大，从这一点出发，支护结构发生顶部大绕曲变形的可能性并不大。其次，隧道支护跨度最大处的监测点收敛监测普遍为正值，即支护结构向净空位移而不是向围岩位移。该假定也难以成立。
假定（3）：支护结构发生整体下沉，拱墙挠曲变形曲变形，且拱脚向内侧偏上方位移动。
若拱脚既发生下沉，又以拱顶为端点发生挠曲变形，则支护结构拱顶位置与拱脚位置大变形问题均可以得到很好的解释，支护结构变形如图4所示。在该变形体系由两部分构成，首先整体下沉后拱脚下移，有刺入仰拱的趋势，随后侧向挠曲变形，使拱脚位置向上、向内侧移动，缓解了拱脚刺入变形，施工现场不易发现。由于侧墙位置存在锁脚锚杆约束，且侧压力小于垂直应力，因此收敛值要小于沉降值。该假定与文献统计中，隧道整体沉降大但拱顶拱脚沉降差异小且收敛值较大的规律一致。该假定最符合现场实际变形情况。
假定（4）：支护结构发生整体下沉，拱墙绕曲变形，且拱脚向内侧偏上方位移动。
在假定（3）的基础上，若拱脚既发生下沉，又以拱顶为端点发生绕曲变形，则支护结构拱顶位置与拱脚位置大变形问题均可以得到很好的解释，支护结构变形如图4所示。在该变形体系由两部分构成，首先整体下沉后拱脚下移，有刺入仰拱的趋势，随后侧向绕曲变形，使拱脚位置向上、向内侧移动，缓解了拱脚刺入变形，施工现场不易发现。由于侧墙位置存在锁脚锚杆约束，且侧压力小于垂直应力，因此收敛值要小于沉降值。该假定与文献统计中，隧道整体沉降大但拱顶拱脚沉降差异小且收敛值较大的规律一致。该假定最符合现场实际变形情况。
3理想模型
对软弱围岩与支护协调变形做出合理的假定分析后，可以根据变形关系找到最理想的支护变形过程，即隧道在初期支护施工完成并且变形稳定后正好达到设计轮廓线位置，如此进行二衬的施工，实现设计目标。具体的变化如图5所示，通过某种方式在开挖之初预留了合理的变形量，支护结构在闭合之前顶部发生了明显的下沉，侧墙则弧度增大、向内收敛，变形末期正好达到设计轮廓線位置，仰拱处支护按设计尺寸加工实现安装。闭合之前，由于整体下沉与挠曲双重作用，起始开挖面虽大，但支护材料并没有增加，仅仅增加了挖方量及改变了下部分拱墙初期安装的弧度。
4台阶法变形
前文对于支护结构与围岩的协调变形分析均是从整体的支护角度出发，以最终稳定变形量为参考，但实际上，开挖与支护的顺序的不同，支护结构所表现出的变形过程及变形量也有很大差异，只有了解不同开挖方法下的围岩变形过程，才能要找到不同开挖方法下的大变形应对措施问题。
对于浅埋暗挖法施工的隧道，主要的开挖方法为台阶法及分部开挖方法，不同的开挖方法下支护的变形过程及组成均不相同。常用的台阶法包括三台阶七部开挖法、上下台阶预留核心土法、三台阶临时仰拱法等。在不设临时仰拱的情况下，台阶法支护普遍变形较大，这一点在大变形隧道统计过程中已有体现，但台阶法施工速度快，造价低的优点。不设临时仰拱时，上台阶开挖跨度大，拱脚位置容易在围岩压力作用下下沉，开挖后很快发生沉降，而侧壁高度随中下台阶施工高度逐渐增大，收敛变形随其逐步增大，在仰拱封闭后变形很快进入稳定阶段。因此，台阶法施工中的变形主要是上台阶对应部分支护的沉降变形与中下台阶支护对于的挠曲收敛变形，变形过程示意图如图6所示。以往的研究中，采取三台阶七部开挖法中的软弱隧道侵限换拱案例，大变形均是在下台阶施工前发生的。
台阶法在无临时仰拱时，支护结构的变形包含整体沉降与侧向挠曲两部分组成，根据其变形规律，在隧道上台阶开挖时，将该段钢架提高一个累计沉降量高度。在不改变长度的前提下，提高两台阶开挖法的中台阶与三台阶台阶开挖法的下台阶对应钢架的弧度，三台阶开挖法中下台阶对应的支护结构弧度不变。从预留变形量的角度出发，该方法实际上是采用了拱顶、拱墙不同预留变形量值的方案，只是在整个施工过程中，由于沉降的实时变化，整体开挖轮廓线并不连续，采取拱顶提升、下部钢架弧度减小的做法更容易实施和控制。
5结论
基于浅埋软弱地层下隧道初期支护实际受力情况及围岩大变形监测资料，对支护结构与围岩之间的变形协调关系进行了假定分析，并结合不同的开挖方法进行具体的变形过程分析，得到以下结论：
（1）浅埋软弱地层下，隧道内监测到的大变形不是由支护材料本身拉压变形或结构挠曲变形产生的，而是由于支护结构整体下移与侧墙的挠曲变形生产的，这两项变形分别对应隧道拱顶沉降与周边收敛。
（2）浅埋软弱地层下无临时仰拱封闭的台阶法施工中的围岩变形大，包含整体下沉与侧向收敛两部分组成，拱顶部位支护结构以向下的沉降为主，侧墙支护结构以挠曲变形为主；分部开挖方法与有仰拱临时封闭的台阶法围岩变形较小，主要由隧道支护整体沉降变形组成。
（3）提出了浅埋软弱地层隧道台阶法开挖方下变形应对措施，在材料不变的情况下完成变形的释放并达到设计效果，克服了传统隧道开挖预留变形量的局限性。对无临时仰拱的台阶法，提高上台阶整体高程，减小中下部阶段钢架弧度。
（4）对围岩与初支护结构协调变形规律研究结合了之前的变形案例并考虑了隧道施工中的实际受力状况获得，其变形应对措施也缺乏实际案例验证，后期应当结合实际的工程案例，通过全面的监测案例进行验证和总结。
关键词：浅埋软弱地层；大断面隧道；协调变形；台阶法；预留变形
1引言
随着近些年来我国交通事业的发展，高速公路、高速铁路不断向中西部山区挺进，越来越多的大断面隧道不断涌现，并且隧道长度越来越长，断面也越来越大，面临的地质地层情况也越来越为复杂。其中，在浅埋软弱地层下，大断面隧道的大变形问题一直是工程建设中的难题。浅埋软弱地层通常被划分为V级或VI级围岩，本身强度低，岩质类地层主要为全风化或强风化岩，土质类软弱地层主要是黄土地层、软塑状粘性土等。软弱地层下隧道围岩变形持续时间长且累计变形量大，并且这些变形量均大于规范规定的预留变形量范围，在近些年的隧道建设中屡见不鲜。大变形问题处理不好，往往会导致初支侵限，被迫换拱，造成资金与工期上的浪费，严重时甚至有塌方的危险。
狭义上的围岩变形量包含拱顶沉降与周边收敛两部分，其大小主要与地层岩性、隧道尺寸、开挖方法、支护加固体系及施做时机有关，从这些因素入手，许多的学者就如何控制软弱地层下隧道围岩变形量进行了研究。其中王梦恕对软弱地层下浅埋暗挖法进行了技术总结，并提出了“强支护”与早封闭的变形控制理念；赵勇基于大量的国内外软弱围岩隧道工程案例，对隧道变形机制与控制技术进行了深入研究；赵东平，平喻渝，王明年等基于对一系列大断面黄土隧道变形资料的统计，总结了其变形规律及合理预留变形量的设置范围；营磊，盖英志结合软弱围岩中隧道变形特点，提出了不变形情况下钢架的加工适应模型；梁巍，黄明利研究了CRD法在软弱地层下隧道施工中的变形规律与控制要点。不同的研究丰富了软弱地层下围岩变形控制的理论，并为实际工程提供了借鉴参考。
当前，对于浅埋软弱地层下某项确定的隧道，往往从大刚度支护、超前加固技术、合理的開挖方法及预留变形量四方面入手做变形控制措施。但是，在隧道设计及施工中，普遍忽略了软弱围岩中初期支护与围岩协调变形的问题，围岩的变形是通过支护结构上的监测点得到的，但是围岩的变形与支护结构的变形本质上不是一回事，当前普遍获取的洞内监测变形，是围岩与支护之间的相互作用的结果，也就是围岩与支护结构协调变形的结果。这种协调变形关系与隧道开挖方法有关，并且具有明显的时空效应，得到不同开挖方法下围岩与支护协调变形关系，就能获得合理预留变形量、避免大变形对工程的影响。根据已有的一些浅埋软弱地层下隧道大变形资料展开变形假定分析，进行围岩与支护结构协调变形关系的探讨，尝试根据该变形关系确立不同开挖方法下的变形应对措施的新思路。
2围岩与支护结构协调变形
2.1已有案例变形规律
为探索围岩与支护结构的协调变形关系，广泛搜集浅埋软弱地层下浅埋暗挖法施工的隧道变形监测数据与研究资料，得到的9座典型浅埋软弱地层大断面隧道变形资料如表1所示。
统计的9座隧道中，包含了浅埋类黄土隧道、砂性土、粘性土及一些全风化、强风化岩类隧道，用途上覆盖了公路隧道、高铁隧道与城市地铁隧道，结合文献中的详细研究结论及变形监测数据可以得到浅埋软弱地层隧道变形具有以下特点：
（1）拱顶沉降值与周边收敛值并不一致，且拱顶累计沉降值普遍大于周边收敛值；
（2）大变形初始发生时，大多隧道发生了初支侵限事故并进行了换拱；
（3）分部开挖法下变形值要小于台阶法；
（4）部分文献研究指出拱顶与拱脚的差异沉降值小；
（5）多数大变形下衬砌并没有明显开裂或脱落，发生初支侵限后任然是整体；
（6）初支闭合后，沉降很快趋于稳定。
（7）以上隧道基本都采取了设计规范中大刚度支护体系且有超前加固措施。
2.2协调变形假定
常见的软弱地层下隧道设计中，均包含超前支护与系统锚杆，初期支护包含钢架、钢筋网片并且初期支护在仰拱处封闭，隧道受力如图1所示。围岩的变形是通过支护结构的监测得到的，但围岩的变形也受地层整体变形的影响，并不局限于支护结构监测到的变形。支护结构监测到的变形则是围岩压力与地层位移双重作用的结果，包含了材料变形与地层位移两重作用，并且两者之间存在某种协调变形的关系。计算围岩变形常用到的数值模拟方法，由于无法模拟支护结构与围岩之间的接触滑动，很难能计算得到这种变形协调关系。根据2.1浅埋软弱地层下隧道变形规律总结，可以对支护与围岩之间的协调变形进行假定分析。
假定（1）：支护结构在围岩压力作用下发生自身结构的变形
从最简单的变形分析，假定支护结构在围岩压力作用下发生向洞内临空侧的变形，即支护结构本身的材料变形，以拱脚位置锁脚锚杆为固定端约束，以常见的双车道公路隧道断面为例，初支受力模式与变形方向如图2所示。按照结构设计基本理论，钢架及混凝土在屈服阶段发生最大的应变0.002计算，能够发生的最大收缩变形值为56，mm左右，显然水平与数值方向上能够发生的变形不会超过56cm。与普遍的大变形现象矛盾。文献通过对软弱地层钢架进行系统的测试发现，钢架受力稳定阶段应力大小接近其屈服应力，说明该部分变形是存在的，但并不是主要的变形来源。 假定（2）：支护结构在围岩压力作用下发生挠曲变形
支护结构监测到的大变形并非来自于材料的压缩，但却有可能在围岩压力作用下发生挠曲变形。在拱脚约束下，支护挠曲变形，支护整体长度变化小，上方荷载明显大于侧压力，支护结构顶部弧度增大，发生下沉，而侧墙弧度减小，向围岩一侧位移，具体形态如图3所示。但是该假定也有矛盾之处，首先围岩越是软弱，其泊松比v约大，则地层侧压力系数k约大，从这一点出发，支护结构发生顶部大绕曲变形的可能性并不大。其次，隧道支护跨度最大处的监测点收敛监测普遍为正值，即支护结构向净空位移而不是向围岩位移。该假定也难以成立。
假定（3）：支护结构发生整体下沉，拱墙挠曲变形曲变形，且拱脚向内侧偏上方位移动。
若拱脚既发生下沉，又以拱顶为端点发生挠曲变形，则支护结构拱顶位置与拱脚位置大变形问题均可以得到很好的解释，支护结构变形如图4所示。在该变形体系由两部分构成，首先整体下沉后拱脚下移，有刺入仰拱的趋势，随后侧向挠曲变形，使拱脚位置向上、向内侧移动，缓解了拱脚刺入变形，施工现场不易发现。由于侧墙位置存在锁脚锚杆约束，且侧压力小于垂直应力，因此收敛值要小于沉降值。该假定与文献统计中，隧道整体沉降大但拱顶拱脚沉降差异小且收敛值较大的规律一致。该假定最符合现场实际变形情况。
假定（4）：支护结构发生整体下沉，拱墙绕曲变形，且拱脚向内侧偏上方位移动。
在假定（3）的基础上，若拱脚既发生下沉，又以拱顶为端点发生绕曲变形，则支护结构拱顶位置与拱脚位置大变形问题均可以得到很好的解释，支护结构变形如图4所示。在该变形体系由两部分构成，首先整体下沉后拱脚下移，有刺入仰拱的趋势，随后侧向绕曲变形，使拱脚位置向上、向内侧移动，缓解了拱脚刺入变形，施工现场不易发现。由于侧墙位置存在锁脚锚杆约束，且侧压力小于垂直应力，因此收敛值要小于沉降值。该假定与文献统计中，隧道整体沉降大但拱顶拱脚沉降差异小且收敛值较大的规律一致。该假定最符合现场实际变形情况。
3理想模型
对软弱围岩与支护协调变形做出合理的假定分析后，可以根据变形关系找到最理想的支护变形过程，即隧道在初期支护施工完成并且变形稳定后正好达到设计轮廓线位置，如此进行二衬的施工，实现设计目标。具体的变化如图5所示，通过某种方式在开挖之初预留了合理的变形量，支护结构在闭合之前顶部发生了明显的下沉，侧墙则弧度增大、向内收敛，变形末期正好达到设计轮廓線位置，仰拱处支护按设计尺寸加工实现安装。闭合之前，由于整体下沉与挠曲双重作用，起始开挖面虽大，但支护材料并没有增加，仅仅增加了挖方量及改变了下部分拱墙初期安装的弧度。
4台阶法变形
前文对于支护结构与围岩的协调变形分析均是从整体的支护角度出发，以最终稳定变形量为参考，但实际上，开挖与支护的顺序的不同，支护结构所表现出的变形过程及变形量也有很大差异，只有了解不同开挖方法下的围岩变形过程，才能要找到不同开挖方法下的大变形应对措施问题。
对于浅埋暗挖法施工的隧道，主要的开挖方法为台阶法及分部开挖方法，不同的开挖方法下支护的变形过程及组成均不相同。常用的台阶法包括三台阶七部开挖法、上下台阶预留核心土法、三台阶临时仰拱法等。在不设临时仰拱的情况下，台阶法支护普遍变形较大，这一点在大变形隧道统计过程中已有体现，但台阶法施工速度快，造价低的优点。不设临时仰拱时，上台阶开挖跨度大，拱脚位置容易在围岩压力作用下下沉，开挖后很快发生沉降，而侧壁高度随中下台阶施工高度逐渐增大，收敛变形随其逐步增大，在仰拱封闭后变形很快进入稳定阶段。因此，台阶法施工中的变形主要是上台阶对应部分支护的沉降变形与中下台阶支护对于的挠曲收敛变形，变形过程示意图如图6所示。以往的研究中，采取三台阶七部开挖法中的软弱隧道侵限换拱案例，大变形均是在下台阶施工前发生的。
台阶法在无临时仰拱时，支护结构的变形包含整体沉降与侧向挠曲两部分组成，根据其变形规律，在隧道上台阶开挖时，将该段钢架提高一个累计沉降量高度。在不改变长度的前提下，提高两台阶开挖法的中台阶与三台阶台阶开挖法的下台阶对应钢架的弧度，三台阶开挖法中下台阶对应的支护结构弧度不变。从预留变形量的角度出发，该方法实际上是采用了拱顶、拱墙不同预留变形量值的方案，只是在整个施工过程中，由于沉降的实时变化，整体开挖轮廓线并不连续，采取拱顶提升、下部钢架弧度减小的做法更容易实施和控制。
5结论
基于浅埋软弱地层下隧道初期支护实际受力情况及围岩大变形监测资料，对支护结构与围岩之间的变形协调关系进行了假定分析，并结合不同的开挖方法进行具体的变形过程分析，得到以下结论：
（1）浅埋软弱地层下，隧道内监测到的大变形不是由支护材料本身拉压变形或结构挠曲变形产生的，而是由于支护结构整体下移与侧墙的挠曲变形生产的，这两项变形分别对应隧道拱顶沉降与周边收敛。
（2）浅埋软弱地层下无临时仰拱封闭的台阶法施工中的围岩变形大，包含整体下沉与侧向收敛两部分组成，拱顶部位支护结构以向下的沉降为主，侧墙支护结构以挠曲变形为主；分部开挖方法与有仰拱临时封闭的台阶法围岩变形较小，主要由隧道支护整体沉降变形组成。
（3）提出了浅埋软弱地层隧道台阶法开挖方下变形应对措施，在材料不变的情况下完成变形的释放并达到设计效果，克服了传统隧道开挖预留变形量的局限性。对无临时仰拱的台阶法，提高上台阶整体高程，减小中下部阶段钢架弧度。
（4）对围岩与初支护结构协调变形规律研究结合了之前的变形案例并考虑了隧道施工中的实际受力状况获得，其变形应对措施也缺乏实际案例验证，后期应当结合实际的工程案例，通过全面的监测案例进行验证和总结。