富水深埋黄土隧道变形规律及控制措施

以某在建富水黄土公路隧道为依托，对隧道的拱顶下沉和周边收敛进行现场监测。结合现场监测数据对围岩变形的原因进行分析，并提出相应的控制措施。结果表明：深埋富水黄土隧道拱顶沉降比周边收敛量大，围岩变形受降雨的影响较大，且变形稳定时间约为35d；围岩的变形大致可分为变形快速发展、变形持续发展、变形稳定3个阶段；拱顶下沉及周边水平收敛随上、中、下台阶的开挖变化较大，每个施工步完成后应及时施作锁脚锚杆等支护措施，仰拱闭合可以有效控制围岩变形；围岩变形与指数函数规律吻合，可利用指数函数模型预测；建议在富水黄土隧道施工中采用拱脚钢管桩与帷幕注浆来有效控制渗漏水及围岩大变形

近年来，随着“一带一路”倡议的深入实施，我国西部地区修建了大量的黄土公路隧道。黄土作为一种不良地质体，具有垂直节理发育、大孔隙、结构疏松等特征。黄土的强度受水的影响很大，一旦遇水，强度就会明显降低，工程性质发生很大变化，由此带来大变形或塌方等问题。因此对于黄土隧道围岩变形规律的研究非常有必要。

目前，国内外许多专家学者对于黄土隧道的变形问题进行了大量的研究，也获得了许多可喜的研究成果。乔春生等通过现场监测及有限元计算等手段对新松树湾饱水黄土隧道的变形规律进行研究，得出二次衬砌不宜紧跟开挖掌子面，建议二衬与掌子面的距离保持在40～50m；于介通过对黄土塬区浅埋大段断面隧道施工变形分析与控制技术进行了研究，得出隧道拱部为支护结构受力最薄弱区且拱顶累计沉降量>250mm时隧道结构最不安全，易产生环向拉裂缝，地表袖阀管注浆能有效控制地表沉降和围岩变形；扈世民等以兰渝铁路大断面黄土隧道为研究对象，得出了围岩拱部竖向位移弱化较慢，而边墙水平位移弱化较快，水平收敛普遍小于拱顶沉降，预留核心土可有效控制围岩纵向变形，建议核心土适宜预留长度为2 R ／3( R 为隧道换算半径)；高王锋对黄土隧道初期支护变形控制技术进行了研究，研究表明对比传统的三台阶大拱脚临时仰拱法，设置围岩应力释放装置法能够更加充分的发挥围岩的自承能力，实现工法的简化，具有成本低、机械化程度高、施工进度快、劳动强度小、可有效防止后期拱墙衬砌开裂等优点；李志清等通过对三台阶七步开挖法施工条件下的围岩变形特性进行研究，得出了地表沉降、拱顶下沉及洞周水平收敛随上、中、下台阶的开挖变化较大，尤其是下台阶的开挖，其收敛出现突变，仰拱施作完成后变形基本稳定；张新善等通过应用FLAC ^3D 对黄土地下隧道开挖对周围土体变形影响的计算机模拟分析，得出黄土隧道初期开挖往往引起较大沉降位移，模拟中发现地锚对控制拱顶沉降、隧洞地面上隆、拱脚收敛方面，较其他方法更为有效。陈建勋等对两车道黄土公路隧道变形规律进行研究，得出了黄土隧道变形大致经历了急剧变形阶段、持续增长阶段与缓慢增长阶段。

综上所述，黄土隧道施工中控制围岩变形对整个隧道的安全意义重大。不同地区黄土隧道围岩的变形特征及原因也不尽相同，对于黄土隧道围岩变形的研究还不够全面，尤其是富水深埋黄土隧道围岩的变形原因及处置措施还有待进一步完善。因此有必要对富水深埋黄土隧道的变形问题进行研究，为类似工程提供借鉴。

依托工程为银白高速某富水黄土公路隧道。隧址区高程1170.00～1294.00m，地形较为陡峭，相对高差124.00m。隧道左右线最大埋深112.35m，为双线隧道。左线隧道长1900.00m(起讫桩号ZK279+565.00—ZK281+465.00)；右线隧道长1985.00m(起讫桩号YK279+505—YK281+490)属于长隧道，按高速公路双向四车道分离式隧道设计，设计时速80km／h，建筑界限为10.75m×5.00m。隧道全段处于Ⅴ级富水围岩中，施工采用三台阶七部开挖法。该隧道的支护结构设计如图1所示。

该隧道位于黄土梁地区，进出口位于黄土冲沟处，山坡较陡峭，植被发育。由地质勘探资料可知，隧址区地层岩性由上而下为：第四系上更新统(Q ^eol ₃ )马兰黄土，厚度为1～10m；中更新统(Q ^eol ₂ )离石黄土夹多层古土壤，厚度为22.75～109.32m。地下水位约为54m，位于隧道开挖断面以上，通过计算可知，隧道内的正常涌水量为1341.26m ³ ／d，最大涌水量为3866.58m ³ ／d，地下水较丰富。隧道地质纵断面图如图2所示；隧道内围岩物理力学参数如表1所示。

2.1监测方案

监控量测方案按照规范执行，拱顶沉降，水平收敛为必测项目，隧道内测点应布置在同一断面上。该隧道围岩为Ⅴ级，按照规范要求监测量测断面间距为5～10m，测线布置为每台阶一条水平测线；特殊地段，每台阶一条水平测线，两条斜测线。监测点布置如图3所示。测量频率根据测点距掌子面的距离及位移速率确定，该隧道的测量频率为1次／d。

2.2隧道实测结果分析

右线从YK280+000—YK280+326布设41个断面，左线从ZK279+910—ZK280+347布设57个断面，合计布设98个断面；右线监测时间从2019年8月持续至2020年8月；左线监测时间从2019年3月持续至2020年8月。断面的稳定值随里程分布情况如图4所示。

由图4可知，左线拱顶沉降为62.8～904.6mm，平均沉降为360.04mm，其中在ZK279+956—ZK280+138和ZK280+262—ZK280+347段拱顶沉降较大，最大沉降发生在ZK280+287处，沉降达到904.6mm；周边收敛值为10.4～200.1mm，平均收敛值为91.19mm，在ZK280+250—ZK280+347段周边收敛值较大，最大收敛发生在断面ZK280+270处，收敛值达到200.1mm。右线拱顶沉降为51.9～473.1mm，平均沉降为235.15mm，其中在YK280+261—YK280+326段拱顶沉降较大，最大沉降发生在断面YK280+308处，沉降达到473.1mm；周边收敛值为24.9～192.9mm，平均收敛值为79.28mm，在YK280+250—YK280+326段周边收敛值较大，最大收敛发生在断面YK280+308处，收敛值达到192.9mm。总体来看，左右线不同断面的围岩变形量离散性较大，其原因分析总结如下：部分断面上覆黄土的垂直节理及裂隙较为发育，在地下水的影响下，围岩参数变差，围岩变形释放速度快，容易突变，导致隧道围岩发生比较大的变形，故围岩变形数据离散性较大。

从围岩变形协调系数来看(变形协调系数为周边收敛与拱顶下沉之比)，虽然左右线存在差异，但总体变化规律却保持一致。左右线的围岩变形协调系数除了个别点因监测的原因发生突变外，大部分点表现稳定。变形协调系数分布范围为0.1～0.8，这也间接说明了，富水深埋黄土隧道拱顶沉降比周边收敛值要大。从变化规律上看，左右线280+150—280+350处均出现系数先增大后减小的情况，原因是受降雨的影响土体含水量增大，弱化了黄土节理面之间的强度，造成围岩压力的增大。

受降雨、施工及围岩的影响，即使是相邻断面的围岩稳定时间也存在差异。为此通过绘制围岩变形时间频率分布直方图如图5所示。发现变形的基本稳定时间分布大概服从正态分布。围岩的稳定时间约为35d，这与现场测量结果基本相同，此时可以进行二衬施工。

从围岩变形稳定值的分布来看，左线的变形较大，但左右线的变形趋势基本一致。其次，各监测断面的收敛值均小于沉降值，其原因为黄土的垂直节理发育，侧向压力小于竖向应力。除此之外，无论是左线还是右线，在里程为280+250—280+350段，拱顶沉降和周边收敛均比较大，且最大值也出现在该段内。造成此现象的原因在于该段内的围岩主要为离石黄土和古土壤，而该段的开挖日期都在2020年5月下旬至2020年8月下旬，这个时间段隧址地区降雨比较频繁，隧道内涌水量比较大，造成了围岩遇水软化承载力不够，该段内变形较大。

2.3典型断面变形分析

从监测的98个断面中选取3个不同埋深、不同施工月份、不同变形量的断面作为典型断面进行分析，各断面的变形时态曲线如图6所示。由图6可知YK280+217断面拱顶累计沉降为131mm，累计收敛值为98.4mm，不同施工阶段的开挖均会导致变形速率的加大；YK280+217断面在上台阶开挖结束时，拱顶累计沉降到达29.8mm，约占拱顶总下沉量的22.75％；周边收敛达到25.72mm，约占总收敛量的25.72％；下台阶开挖完成后，拱顶累计沉降达到104.8mm，占总沉降的80％，周边收敛累计达到86mm，占总收敛的88.11％；该断面在3月份施工，此阶段隧址地区降雨量较小，隧道内涌水量较小，施工时变形量相对较小。

YK280+261断面拱顶累计沉降为365.5mm，累计收敛量为131mm；上台阶开挖完成时拱顶累计沉降达到98.2mm，约占总沉降的26.87％；周边收敛累计达到34.6mm，约占总收敛的26.41％；下台阶开挖结束后，拱顶沉降达到337.8mm，占总沉降的92.42％，周边收敛累计达到115.7mm，约占总收敛量的88.32％。

YK280+291断面拱顶累计沉降为399.7mm，累计收敛值为152.3；上台阶开挖结束时拱顶累计沉降达到148.7mm，约占总沉降的37.2％；周边收敛累计达到67.3mm，约占总收敛的44.19％；下台阶开挖结束后，拱顶沉降达到350mm，占总沉降量的87.57％，周边收敛累计达到130mm，约占总收敛量的85.75％。

为了进一步判别围岩是否失稳，特从洞周围的变形协调关系入手解释围岩的变形情况。图6(g)为围岩变形协调系数(即水平收敛与拱顶沉降之比)随时间的变化规律。从图6中可以看出，在初始阶段由于隧道的开挖扰动，隧道内围岩的应力状态受到扰动，地应力产生了重分布，变形协调系数在此阶段不稳定；随着隧道上台阶的初期支护完成，变形协调系数呈线性减小，此时部分围岩处于塑性发展阶段；当仰拱闭合之后，变形协调系数变现为一常量，表明围岩此时处于稳定状态。

虽然选取的3个断面围岩的变形量存在较大的差异，但是隧道围岩变形的趋势却几乎一致，3个典型断面都表现出变形快速发展、变形持续发展、变形稳定3个阶段的变化趋势。

(1)变形快速发展阶段：此阶段隧道处于开挖初期，周围围岩处于被扰动状态，围岩应力得到释放，另一方面，初期支护可能存在滞后情况，所以造成围岩变形速率及变形量不断增大，由图6可知，最大的变形速率均出现在该阶段。开挖后两周内可能出现初支变形，围岩坍塌现象，此阶段应加强超前支护，提高围岩的刚度。

(2)持续发展阶段：在此阶段内由于初期支护发挥作用及塑性区已经基本形成，围岩的沉降与收敛速率明显减小，但是累计沉降和收敛值继续变大，应尽量减少围岩的扰动。尽早实现围岩的变形稳定。

(3)变形稳定阶段：此阶段由于隧道仰拱闭合，增大了支护反力、增强了隧道的稳定性；变形速率极小，隧道的变形基本趋于稳定，可以在此时施作二衬。

由图6可知，每个施工步骤的进行，都会引起变形速率的改变，为了进一步了解开挖步与围岩变形的规律，采用变位分配法原理，分析每个施工步骤变形所占的比率，如表2所示。上台阶开挖完成后累计变形约占22.75％～44.19％，中台阶开挖完成后累计变形约占12.06％～52.20％，下台阶开挖完成后累计变形约占13.35％～45.19％，在仰拱没有闭合前累计变形达到80％～92％；每个施工步的完成都会引起围岩发生大的变形，所以开挖完成后应及时进行支护，控制围岩变形。除此之外，仰拱的闭合也是隧道变形的控制性节点，尽早封闭成环对于控制隧道围岩的变形具有重要的意义。

2.4典型断面监测数据回归分析

合理的回归函数模型能够反映监测数据的规律，并根据所得的规律评价围岩的稳定性及预测最终的累计变形值。因此非常有必要对所监测的数据进行回归拟合。赖金星等提出黄土隧道的拱顶下沉和周边收敛可用修正的指数函数，该回归函数为 u = A - B e ^{- Ct} ， 式中： u 为变形量预测值，mm； t 为监测时间，d； A 、 B 、 C 为回归系数。

拟合曲线如图6所示，3个典型断面的回归分析结果如表3所示。由表3可知，YK280+217断面的预测变形与监测变形存在较大的偏差，拱顶沉降预测值与实测值相差93.42mm，误差率达到71.3％；周边预测收敛与实测收敛相差22.42mm，误差率达到22.42％，其主要原因可能在于该断面测点布设存在滞后情况。开始监测时，围岩和隧道已经产生了较大的位移，监测时间有限，围岩没有完成增长稳定就结束了监测，变形的差异是随时间的累积效应造成的。YK280+261断面拱顶预测沉降与实测沉降相差17.21mm，误差率达到4.7％，周边预测收敛与实测相差10.81mm，误差率达到8.2％；YK280+291断面拱顶预测沉降与实测相差29.12mm，误差率达到7.28％，周边预测收敛与实测收敛相差11.05mm，误差率达到7.25％；虽然预测与实测结果存在偏差，但是相关系数都在0.95以上。这表明该回归函数模型对于黄土隧道围岩的变形比较合适，可以预测黄土隧道围岩的最终变形。

图7是3个断面监测数据拱顶沉降和周边收敛回归分析曲线图，图中对3个断面的监测数据进行归一化处理，纵轴为任意一天变形除以最终稳定变形，横轴为监测时间除以监测结束对应最终稳定变形的时间。从图7中可以看出，进行归一化处理后3个断面拱顶沉降和周边收敛监测数据离散性较小。通过统一回归得到拱顶沉降的回归公式为 U =1.24-1.26e ^{-1.8 t} ，其中，相关系数为0.92。周边收敛的回归公式为 U =1.19-1.20e ^{-2.02 t} ，其中，相关系数为0.95。其曲线拟合相关性较好，可见对三个断面监测数据进行归一化处理后得出了有应用价值的公式。

通过调查现场情况(如图8所示)及监测数据分析可知，产生变形的原因有如下几个方面。

(1)隧道上方的覆盖层分别为马兰黄土、离石黄土及古土壤，土质较为疏松，其特点为垂直节理发育孔隙率大，水敏性极强。隧道开挖后，围岩的稳定性较差，导致大变形的产生。结合当地气象数据可知，隧址地区的降雨主要集中在6～9月。如图9所示，开挖期间地表降水通过优势渗流路径下渗引起围岩含水率增大至富水状态，拱脚位置围岩遇水软化，软化带孔隙水压力突增导致抗剪强度急剧降低，易产生大变形或者坍塌风险，此现象成为静态液化效应。

(2)初期支护刚度不足。初期支护采用 Φ 42×4mm的超前小导管，每4榀施工1环，C25混凝土喷射厚度为26cm，钢拱架为I20b，间距75cm。初支的支护体系不足以抵抗围岩压力，造成初期支护变形过大。

(3)施工问题。初喷混凝土没有完全填充，造成围岩与支护之间存在空洞；另外锁脚锚杆插入深度不够；开挖后支护没有及时跟上，仰拱没有及时闭合；在6～9月，隧址地区降雨量较大，导致隧道内涌水量较大，没有及时处理地下水也是导致大变形产生的原因之一。除此之外，施工方法的不同也会影响围岩的变形。相关文献表明，当含水率≥25％时，黄土呈软塑状，强度低，掌子面的自稳能力变弱，在此条件下不宜使用台阶法开挖，可采用简易CRD法或四台阶法以实现化大为小、分部开挖、快速支护的目的。

(1)陇东地区富水深埋黄土隧道围岩变形，受围岩条件的不同，表现出很大的差异，围岩变形在开挖初期变形速率较大，围岩变形时间持续在35d左右。

(2)经过对典型断面的分析，虽然3个断面变形差异较大，但隧道的变形大致都经历了变形快速发展阶段—持续发展阶段—变形稳定阶段3个阶段；随着每个开挖步骤的施工，都会引起变形速率的改变，因此当每个开挖步完成后应及时支护；及早封闭仰拱。

(3)通过对典型断面监测数据的回归分析发现，实测数据与预测数据误差率较低，说明指数函数模型对于富水黄土隧道的围岩变形预测比较吻合。

(4)大变形产生的原因为地层围岩条件较差、持续降雨及施工不当。采取控制大变形的措施有钢管桩地基加固、帷幕注浆超前加固、辅助施工排水；采用拱脚钢管桩和帷幕注浆超前加固的措施能够有效控制渗漏水和围岩变形。