土质隧洞施工期变形影响因素分析
——以鄂北水资源配置工程纪洪隧洞为例
作者简介：方平 （1975—），高级工程师，主要从事水利水电工程勘察工作。
摘要：基于鄂北水资源配置工程纪洪隧洞土洞段施工现场监测资料，对采用台阶法开挖的土质隧洞变形及影响因素进行分析。在台阶法施工过程中，土质隧洞的变形分为4个阶段，各阶段变形主要受到时间和空间效应影响。空间效应影响阶段，隧洞易出现冒顶、塌方现象，应超前支护，分阶段开挖，控制台阶长度并跟进二衬，以降低横向和纵向空间效应影响。土质隧洞施工需合理安排施工，避免开挖面长时间暴露，应及时封闭掌子面，保持抽排，以降低时间效应的影响。
关键词：土质隧洞 现场监测 时空效应 变形控制
1 引言
由于地下施工的工程及地质条件的复杂性，土质隧洞稳定性一直是岩土工程施工中研究的重点。鄂北水资源配置工程沿线共有隧洞55座，总长119.43km，占整个引水线路总长的44.3%，其中纪洪隧洞段桩号6+150～9+850段穿越上更新统琚湾组膨胀土地层，膨胀土具有胀缩性、裂隙性，成洞条件极差。该洞段主要存在深埋土洞在自重应力作用下的塑性大变形及破坏问题。
土质隧洞具有如下特点：①强度低、自稳能力差；②洞周变形量较大；③吸水膨胀，具有流变性能；④工序复杂。在膨胀土中修建深埋长隧洞上，国内并无相关研究成果，在设计和施工中亦无成熟经验，施工过程中主要依靠位移和应变的监测来保证施工安全及围岩稳定。纪洪隧洞土洞段施工是鄂北水资源配置工程中的重难点，通过对现场监测数据的分析，对纪洪隧洞土洞段施工提出建议，并对类似工程提供借鉴经验。
2 工程概况
2.1 工程地质条件
纪洪隧洞桩号6+150～9+850段，隧洞轴向SE130°～SE147°，埋深26.0～45.9m，采用马蹄形断面，过水净宽6.0m。穿越地层岩性为第四系上更新统琚湾组黏土，具弱膨胀性。主要为黄褐色、红褐色黏土，局部夹壤土透镜层，含蓝灰色条带状或网纹状高岭土条纹或条带，局部含黑褐色铁锰质氧化物及其结核，下部含钙质结核或团块，自稳能力差。开挖现场实拍图如图1所示。
图1 开挖现场实拍图
2.2 施工方法
目前我国隧道主要开挖方法有：全断面法、台阶法和分部开挖法。针对软弱围岩，台阶法和分部开挖法受到广泛应用，这两种方法都是基于变形分配控制，通过控制各子部开挖变形来约束围岩全断面变形。针对纪洪隧洞土洞段，施工单位采用三台阶开挖法，初期支护由喷射混凝土、超前小导管、锚杆（管）、钢筋网和钢架等组成，各部分联合受力。其典型断面图如图2所示。
图2 纪洪隧洞土洞典型断面图
3 变形监测及分析
为确保施工运营的安全，在隧道施工中对围岩进行监控量测是必要的。监测数据可对围岩的稳定性及位移影响因素做出分析，并给支护形式、支护参数和支护时间提供依据，可为后续施工提供指导。
3.1 施工监测布置
鄂北工程在土洞、Ⅳ类和Ⅴ类围岩的隧洞施工中皆设有变形监测点，采用收敛计及测桩形式进行监测，同时在15个主要监测断面进行为围岩或土体的内部变形及衬砌间的开合度监测。施工单位则采用全站仪非接触位移测量法在隧洞开挖过程中测量拱顶沉降及边墙收敛。
纪洪隧洞土洞段监测点布置如图3所示。1号监测点监测顶拱沉降，2号、3号点为上导测点，4号、5号点位下导测点，主要监测边墙收敛。
3.2 典型断面监测结果分析
图3 土洞段洞内监测点布置图
选取纪洪隧洞桩号9+105监测断面（图4）进行分析，由于监测手段限制，上台阶开挖过程中的洞周变形难以获取。从监测图中可以看出，纪洪隧洞土洞段采用三台阶法，上导围岩变形量最大，对隧洞稳定起到决定性作用，其变形可分为4段：
（1）A区：急剧变形阶段，隧洞上台阶开挖后，由于横向空间效应，变形急剧增大，此阶段上导变形占总变形量的77.8%，此时初期支护尚未完全生效，例如喷射混凝土强度尚未达标，故在围岩应力释放过程中，围岩变形增速较大。A区变形主要受开挖形式、洞型及支护措施影响，纪洪隧洞初设阶段本采用CRD法开挖，但变形较三台阶法更大，故在实施阶段改用三台阶法开挖，有效的降低横向空间效应的影响，控制了洞周变形总量。
图4 纪洪隧洞土洞桩号9+105拱顶下沉与净空收敛变形量
（2）B区：缓慢变形阶段，此阶段随着上台阶初期支护的发挥作用，在一定程度上限制了变形的发育，且围岩应力释放逐渐减弱，变形趋于稳定。
（3）C区：急剧变形阶段。随着下台阶开挖，上导围岩变形以及拱顶沉降呈增大趋势，这是因为下部开挖，上部台阶围岩受到二次扰动，围岩应力重分布，导致变形二次发展，此阶段上导变形占总变形量的20%。
（4）D区：基本稳定阶段，这时开挖面与监测断面已接近2倍洞径距离，空间效应减弱，围岩变形进入时间效应影响阶段，此时二衬已完成，隧洞变形速率小，逐渐趋于稳定。
4 变形影响因素
从监测数据来看，土洞施工过程中的洞周变形具有明显的时空效应，且与多种因素相关。通过对不同施工断面的监测数据分析，探寻在土质隧洞在开挖过程中的各阶段变形影响因素。
4.1 开挖方式及支护措施
A区变形由横向空间效应主控，其值大小受到开挖方式及支护措施的影响。根据施工监测资料，在土质隧洞中施工，该阶段变形可占总变形量的70%～90%。在施工过程中，采用超前支护措施，可有效降低总变形量。
4.2 应力重分布
隧洞开挖后，土体变形会随着时间而改变，B区总变形量主要受控于土体的应力调整时间，以桩号9+085段监测断面进行简单分析，监测数据如图5所示。
图5 纪洪隧洞土洞桩号9+085拱顶下沉与净空收敛变形量
桩号9+085段施工时由于客观原因导致后续施工缓慢，积水未抽排，给了上导土体一个较长的应力调整阶段，即使在初期支护后，变形依旧难收敛。
由此可看出，时间效应影响阶段主要体现为变形流变。在施工过程中，若发现初支后监测变形数据持续发展，应及时跟进二衬及仰拱，保证后方稳定，并为前方断面提供纵向支撑。同时土体遇水有流变性质，需保持抽排水，降低时间效应影响。
4.3 施工扰动
台阶法开挖，上部初期支护后变形逐渐趋于稳定，但受后期施工扰动，应力场二次分布，变形会有突变特征（图5、图6）。
C区变形大小主要受支护强度控制，纪洪隧洞桩号9+090段，下台阶施工时，上部台阶初期支护已完成较长时间，从监测图中可以看到下台阶开挖后，拱顶和上导变形虽有增大趋势，但变形量相对较小，变形值9.6mm，只占总变形量的8.7%。这是因为桩号9+090段下台阶施工时初期支护措施已开始发挥作用，故下部围岩应力释放后上导变形增量不明显。
图6 纪洪隧洞土洞桩号9+090拱顶下沉与净空收敛变形量
4.4 台阶长度
采用三台阶法施工，台阶长度对洞身的变形有着重要影响。在现场施工过程中，由于种种客观因素，台阶长度需视现场情况适当调整，若台阶长度过长将导致洞身及支护结构变形过大。
若上台阶掘进过长，则纵向应力释放范围扩大，初期支护承受压力增大，且掌子面支撑效应减弱，变形必然增大。若中台阶和下台阶掘进过长，则难以在纵向上发挥二衬和初支的支撑作用。掘进长度增大，则初支全断面封闭所需时间更长，同样不利于隧洞稳定。
4.5 地下水影响
纪洪隧洞段穿越地层土体均具有弱膨胀性，存在干湿交替环境下的胀缩破坏问题。在隧洞洞室开挖过程中，土体及土体裂隙间赋存的水分渗出会造成土体失水，若未及时进行处理，又会因大气降水或洞内水循环而从新饱和，干湿交替作用下，会加剧膨胀土的胀缩反应。该反应对变形的影响从初期来看并不明显，但随着时间推移，会带来局部洞室变形破坏问题。从监测数据上看，变形已经收敛的断面会随着时间的推移，变形逐渐发散。
5 结语
基于纪洪隧洞土洞段现场监测数据，探讨了土质隧洞施工过程中的变形影响因素及处理措施，得出以下结论：
（1）施工过程中土洞变形最大阶段由横向空间效应控制，受开挖方式、初期支护影响。故土质隧洞为控制变形，必须优化开挖方式，降低一次开挖面积，尽量分层分阶段进行施工，从而控制总体变形量。
（2）土质隧洞施工期变形受时间效应影响，隧洞掘进过程中土体的性质是变化的，特别是遇水后强度大幅降低，且膨胀土在干湿交替环境下会发生胀缩破坏，即使前期监测结果收敛，也不能保证后续变形不发生突变。为了确保施工安全，在具有膨胀性的土体重新进行隧洞施工需及时对开挖暴露的土体进行封闭，并加强洞内抽排水工作。
（3）纵向空间效应对土洞开挖变形的影响主要体现在一次掘进长度上，该变形可控性较强，在施工过程中需根据监测数据随时调整一次开挖进尺，综合考虑施工安全与施工进度。
（4）开挖后遇监测数据异常，初支结构变形，应立即停止开挖并及时跟进二衬和仰拱，尽快全断面封闭，后续施工应降低台阶掘进长度，分阶段控制变形。
参考文献
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