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摘要：目前在软弱围岩中修建隧道的工程案例越来越多，但大多数工程会出现围岩变形过大、甚至衬砌开裂现象。本文以湖北省谷竹十三标青峰隧道项目为依托，通过总结对软弱围岩隧洞变形的预防措施、隧道收敛变形的应对与处理方法，简要阐述了强风化绢云母片岩隧道收敛变形的应对措施，结合实际工程案例分析认为：（1）拱架整体性的增强，对围岩压力的承载力增强，抑制拱架下沉和法兰盘张口现象，减缓围岩收敛变形速度。（2）采取加固措施后若出现侵限现象，应采取换拱处理。（3）系统锚杆的变更使得锚杆的悬吊作用更加显著，抑制了拱架的下沉。（4）超前小导管的加密以及通过初喷迅速封闭岩面，对预防软弱围岩坍塌效果显著。
关键词：暗挖隧道 变形控制 防治措施 软弱围岩
Prevention and control measures for convergence deformation of highly weathered sericite schist tunnel
Abstract：At present，there are more and more engineering cases of tunnel construction in soft surrounding rock，but most of the engineering will appear the deformation of surrounding rock is too large，or even the lining cracking phenomenon.This paper takes hubei province GuZhu 13 the qingfeng-xiangguang fracture tunnel project as the backing，By summarizing the preventive measures for tunnel deformation in weak surrounding rock，the response and treatment methods of tunnel convergent deformation，briefly expounds the strong weathering of silk mica schist tunnel convergence deformation response，combined with the actual engineering case analysis that：（1）the increase of the arch integrity，enhance bearing capacity of surrounding rock pressure，inhibition of arch sinking and flange mouth phenomenon，slow speed of convergence of surrounding rock deformation.（2）The change of the system bolt makes the suspension effect of the bolt more significant and inhibits the subsidence of the arch.（3）The encryption of the small conduit in advance and the rapid sealing of the rock face through the initial injection have a significant effect on the prevention of the collapse of weak surrounding rock.（4）If the phenomenon of encroachment occurs after taking reinforcement measures，the arch replacement should be adopted.
Keywords：underground tunnel deformation control prevention measures weak surrounding rock
0 引言
随着城市化进程的加快，人口的不断增长，交通运输问题变得越来越突出。为了缓解目前的交通问题我国对交通运输系统不断扩大。暗挖隧道的出现有效的缓解了目前地表空间不足的压力，然而隧道变形以及坍塌关系到施工安全以及施工能否正常进行，为避免安全问题的发生必须采取有效措施进行预防和处理，因此暗挖隧道施工过程中的安全稳定性受到格外重视[1-4]。
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图1 隧道位置图
符银昌，屈小七等[5-6]，通过现场观察和监测分析隧道变形特点及变形破坏机理，提出了针对隧洞大变形的防治措施并指出了未来的发展方向；高美奔，闫静雅等[7-8]，基于隧道软岩大变形力学机制与防治理论，对软岩大变形的分类和支护措施进行了系统性研究；徐立红，张俊家等[9-10]，以实际工程项目为依托，为了更好的掌握施工安全状况设计了隧道收敛监测的自动化监测系统；樊廷立等[11]，针对传统监测设备和监测方法的缺陷，提出了一种基于移动三维激光扫描的新型收敛监测方法从而实现了对隧道收敛的快速全面监测；王群敏等[12]，通过对隧道施工过程进行实测，并对数据进行分析，研究了地铁隧道运营期间变形特征及其影响；王飞等[13]，通过传感器的优化布设，构建运营期盾构隧道收敛变形实时监测系统以此来实现采用倾角感知隧道水平收敛；吴旦，郑帅等[14-15]，分别以软弱围岩区隧道工程为依托，分析围岩的变形规律探讨暗挖隧道的超前支护以及不同支护体系的支护效果；张宇等[16]提出一种基于隧道初期支护计算机视觉图像点云的多维度变形监测方法，实现了隧道初期支护三维整体变形监测分析和二维拱顶沉降、周边收敛、典型截面全断面变形监测分析。白明禄[17]通过试验、数值计算、工程监测等方式，对"上硬下软"二元地层下隧道围岩位移演化规律进行系统性分析，使得隧道围岩变形特征得以展现。
1 工程概况
谷竹高速起于湖北省谷城县终于竹溪县（如图1），青峰隧道为一座高速公路分离式长隧道，该隧道进口位于十堰市房县青峰镇枣树垭村境内，出口位于十堰市房县青峰镇八里匾村境内，隧道轴线方向约270°，呈东西向展布。左幅里程桩号为ZK75+280～ZK77+222，全长1942m，最大埋深约164.2m；右幅里程桩号为YK75+280～YK77+223，全长1943m，最大埋深约164.7m。附近围岩为强风化条件下的绢云母片岩（Pt2wb），大多为灰白、青灰、黄褐色，变晶结构，片状构造，其片理产状350°∠48°，以长石、石英、云母、高岭石等为主要成分，地表出露基岩往往发育多组节理，节理间距0.1~0.4米，倾角间距约100°左右，为剪节理，泥质充填，较破碎岩体，节理裂隙发育。遇水之后容易发生滑塌。
2 隧道收敛变形分析
虽然隧道随着施工的推进而发生变化，但隧道内部的周长基本不变，在围岩应力变化下隧道逐渐趋于椭圆形。通过逐步椭圆拟合方法以达到精确判断隧道断面的目的。首先利用最小二乘法将截面点拟合为椭圆，然后通过椭圆方程公式（5）计算出截面点与拟合椭圆之间的距离，将距离大于0.01m的截面点排除。剩下的截面点在经过多次椭圆拟合和距离排除迭代之后最终留下的截面点拟合出的椭圆即为隧道横截面。
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（1）
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（2）
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（3）
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（4）
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（5）
式中，（Xc，Yc）—椭圆的几何中心坐标
a—椭圆长轴
b—椭圆短轴
隧道收敛是指隧道管片上点趋向中心的变形。根据拟合的椭圆信息计算过椭圆中心水平位置方向两侧的距离（如图2）。
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图2 收敛分析
3 隧道收敛变形的预防
任何施工都必须要做到防患于未然，施工考虑全面，做到未雨绸缪，尤其是软岩隧道各种未知情况比较多，如何预防变形甚至坍塌是施工的重点。青峰隧道自开工以来经历过多次变形甚至坍塌，在处理问题的过程中也总结出了许多行之有效的方法。
3.1绢云母片岩隧道工程特性
青峰隧道围岩为典型的绢云母软质片岩，岩体的强度低而且具有片理多角度发育、变质程度不均等特点。因此，青峰隧道自开工以来经历过多次变形甚至坍塌与绢云母软质片岩的物理力学性质有着密不可分的关系，通过一系列试验（如图3）从中得到绢云母软质片岩的一些基本常用的物理力学指标和通过施加荷载而对绢云母软质片岩产生破坏过程中的一些特征和规律，这些指标和规律就可以为我们研究围岩变形的规律提供帮助，是作为隧道收敛变形的防治的出发点。
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图3 绢云母片岩工程特性试验流程图
3.2施工过程控制
青峰隧道采用的是新奥法原理，三台阶七步环形开挖预留核心土法，弱爆破，短进尺，强支护的方式，必要时直接采用人工配合挖机的方法开挖掘进，施工过程中对现场状况的及时了解必不可少。通过观察掌子面的围岩状况，可以确定炮眼间距、数量以及打设位置，判断装药量。爆破过后通过观察围岩的超欠挖情况，及时调整超前小导管的数量以及间距，该隧道每榀拱架间距60cm，每循环1-2榀，超前小导管长3m，小导管环向间距25cm，每循环60-120cm打设一次。这对控制软弱围岩坍塌以及超欠挖效果显著。根据爆破后的围岩情况及时采取喷锚封闭措施，减少掌子面围岩与空气接触时间，防止夹泥风化岩的滑塌。在钻爆法施工作业中，也可以通过风枪的声音以及流出浆液浑浊情况判断前方围岩情况。风枪声音铿锵有力则前方围岩较好可以正常施工，反之声音沉闷流出浆液浑浊，则在炸药用量上适当控制。
3.3变形监测
隧道的监测是在施工过程中的重要一部分，根据现场地质情况以及监控量测的变形量青峰隧道设计图纸上的支护参数已经无法满足施工要求，在施工中青峰隧道10m变更一次，由原来的S4a、S4b的支护类型变更为S5a及S5a加强支护类型。由于该隧道围岩情况变化频繁，围岩变形收敛情况要及时量测，根据现场围岩情况的好坏，调整监控量测的频率，对于软弱围岩每个循环都需监测，对出现裂缝或者脱皮掉块的地方重点监测，增加布点个数，及时查看变形量，累计变形量较大的位置及时采取措施处理，防止侵限的发生。通过现场的收敛变形数据反映现场围岩变形情况的一种准确有效的方法。对于下一步的施工或者调整预留量有很大帮助。
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图4 激光传感器示意图
利用布设激光传感器（如图4），可以构成一个激光检测系统来监视垂直方向的收敛和周围水平方向的收敛。可以在所监测的段面拱腰处安装一个用于测量距离的激光测距传感器，使用它时要沿水平方向照射到对面，这样就可以实时监测到隧道内的净空距离。 通过比较当前隧道内的净空距离与最开始安装激光测距传感器时隧道内净空收敛的距离，就可以得到现在这个时间段隧道内净空收敛的值。激光探测系统是由位于隧道两侧的激光传感器和反光板共同构成。 拱顶上的反光板内的传感器主要是用来监视隧道的垂直方向的收敛（如图5），而位于隧道两侧的传感器用来监测隧道周边收敛。
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图5 竖向收敛示意图
4 隧道收敛变形的应对及处理
根据监测数据，考虑到绢云母片岩的岩性条件，且变形较大，围岩持续不稳定，因此现场立即停止隧道掌子面施工，对掌子面进行及时初喷处理，对隧道初支大变形段进行临时支护，开展拱架加强及换拱工作，并且通过超前小导管加密等措施，提出针对性的处治措施，使得围岩变形得到有效控制，确保了隧道顺利掘进。
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图6 变形处置措施流程图
4.1及时初喷
当掌子面出现小范围的滑塌，并且超前小导管塌出时，要及时进行初喷，迅速封闭坍塌面，防止围岩继续滑塌必要时铺设钢筋网片喷射10cm厚的C20喷锚料，封闭完全确保立架安全，如果围岩持续滑塌，初喷无法封闭，可用挖机回填，预留注浆管，喷锚封闭，进行注浆处理。
4.2拱架加强及换拱
对于风化程度高的绢云母片岩，节理裂隙发育，围岩情况变化较快，岩层夹泥，并且有些区段富水，需对支护做相应的加强措施（如图7）。
对于拱架，采取扩大法兰盘尺寸的方法来增加与基础的接触面积，原法兰盘尺寸为22*22cm，变更后的法兰盘为22*44cm，并且在法兰盘跟拱架间焊接工字钢作为斜撑。施工时也可在法兰盘下方加垫木板或者预制水泥垫块，同样起到增大接触面积的作用，使得基础受力分散。上导与中导，中导与下导的法兰盘连接内侧加焊竖向两根20cmФ 22的钢筋。使法兰盘连接更紧密牢固，这对预防法兰盘受力张口起到一定的作用。前后拱架连接时除去环向间隔1m的Ф 22连接钢筋和Ф8钢筋网，在每个连接法兰盘处左右各加焊16工字钢连接，与拱架满焊连接。两根16工字钢之间焊接Ф 22的交叉钢筋两根。以上加强措施对围岩收敛变形起到了很好的抑制作用。现场也可根据围岩情况，局部增大工字钢的型号，以应对软弱围岩的变形。
如果围岩侵限，需进行换拱处理时，新拱架法兰盘必须连接紧密牢固，锁脚锚杆打设满足要求。如需全环换拱则避免法兰盘出现在拱顶位置。如换拱位置出现在仰拱未施做位置，下导拱架需深入仰拱顶面标高以下，避免法兰盘出现在边墙跟扩大基础交接处。
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图7 封闭钢拱架
4.3变更系统锚杆
对于锚杆以及超前小导管，由于该隧道围岩破碎，根据现场反馈情况，对于此种围岩系统锚杆的效果并不明显，再加上现场操作不规范导致系统锚杆的作用大大降低。经变更以后系统锚杆变更为长度为3.5m的Ф42*3.5mm的小导管，并且改成锁脚形式成对打设，每个法兰盘处增加一对锁脚锚杆这使得拱脚更加稳固，对拱脚的收敛起到一定的抑制作用。小导管预留注浆孔，方便之后的注浆处理。
4.4超前小导管加密
上导超前小导管从拱架腹部穿过，超前导管间距由之前的40cm变更为25cm（如图9，10），对于围岩较差的地段，采用每循环都施做3.5m超前小导管，对围岩的滑塌及超欠挖起到了很好的抑制作用。当中导下导的施工围岩较差时可加工带孔拱架，增设超前小导管防止滑塌及超欠挖。超前小导管同样预留注浆孔方便以后注浆处理。
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图8 导管纵向布设图
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图9 超前小导管构造图
4.5斜撑支护及注浆处理
如经监控量测连续几天累计变形量较大，并且二衬无法施做，则可对变形区段进行斜撑和横撑支护。如果该区段斜撑横撑支护无法施工或者支护后仍收敛变形，则需进行注浆处理，利用之前打设的锁脚导管以及在必要位置打设的新的导管作为注浆管，采用分段分次双液注浆，锁脚导管可先注其中一根，必要时进行二次注浆。
通过以上施工技术的加强，以及正确及时的应对措施，使青峰隧道在应对软弱围岩区段的收敛变形问题上取得了显著效果在隧道施工过程中，对于出现的问题，要及时反思，积累经验，这样才能更好的进行下一步的施工。
5结束语
软弱围岩暗挖隧道围岩稳定性一直是隧道工程中研究的重点，由于强风化绢云母片岩软弱且在不同时期力学性能有所差异，所以有目前有关强风化绢云母片岩隧道的研究还有待进一步加深。本文以“青峰隧道”为研究对象通过分析强风化绢云母片岩物理特性、通过总结对软弱围岩隧洞变形的预防措施、隧道收敛变形的应对与处理方法等内容，得到主要结论：
（1）初喷处理对于软弱围岩是必不可少的，现场通过初喷处理迅速封闭岩面，减少了岩面与空气的接触时间和掉块滑塌的可能性，降低了施工的危险性，这也是处理小范围滑塌的有效方法。
（2）拱架法兰盘面积的扩大、法兰盘加焊竖向筋以及拱架连接的加强措施使得拱架整体性增强，对围岩压力的承载能力变大，从而抑制了拱脚下沉和法兰盘张口现象，减缓了围岩的收敛变形速度。如果某些区段在采取一系列加固措施后仍出现侵限现象，则应该对该区段做换拱处理，换拱处理保证了隧道内轮廓半径，满足了建筑限界的标准，大大减小了侵限的可能性，为二衬的施工做好了准备。
（3）系统锚杆的变更使得锚杆的悬吊作用更加显著，抑制了拱架的下沉。
（4）超前小导管的加密使得超欠挖现象减少，增强了对前方围岩的悬挑作用，对预防软弱围岩的坍塌效果显著。青峰隧道经过注浆处理填充了围岩内部的空隙，使得围岩固结形成整体围岩侵限情况大大减少，并且具有一定的阻水作用。
隧道施工重在总结，发现问题，解决问题，并反馈到现场施工作业中，针对该隧道施工过程中出现的一系列问题，总结出了以上预防及应对措施，这对抑制青峰隧道的变形起到了显著作用，保证了施工顺利进行，对后续施工以及其他软岩变形隧道的施工起到了一定的借鉴作用。
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