张立鑫，陈丽俊，陈建勋，王智佼，王治才，刘伟伟

(1. 长安大学 公路学院，陕西 西安 710064； 2. 甘肃长达路业有限责任公司，甘肃 兰州 730050)

0 引 言

随着中国西部大开发战略和“一带一路”倡议的不断推进，交通基础设施建设重心逐渐向西部地区转移[1]。西部地区以山地和丘陵为主，发展现代交通需要修建大量的隧道工程，不可避免会穿越软岩地层，如炭质千枚岩、炭质板岩、绿泥石片岩等地层，在开挖后围岩极易迅速风化、剥落、坍塌，自稳能力极差[2-6]，极易诱发隧道初期支护变形侵限、喷射混凝土剥落、钢架扭曲、二次衬砌开裂等大变形灾害[7-11]，严重影响工程质量安全和施工进度。

作为典型的软岩隧道工程，渭源至武都高速公路木寨岭隧道在施工过程中曾发生严重的大变形灾害[12-14]，其穿越地层主要为层状的砂质板岩和炭质千枚岩组成的软硬互层岩体，斜井掌子面围岩呈明显的单斜构造，现场采用了双层初期支护、加大预留变形量和围岩注浆等措施，以避免隧道变形侵限，但实际变形控制效果并不理想，初期支护变形侵限和破坏现象仍频繁发生，甚至导致拆换拱成为一道施工工序。据统计，2号斜井最大变形达313 cm，换拱率达30.01%，3号斜井最大变形达205 cm，换拱率达35.7%。究其原因，主要是对单斜构造地层条件下层状围岩隧道的变形特征认识不清，变形控制措施缺乏针对性。

针对层状围岩隧道，国内外学者已开展了大量研究。邓祥辉等[15]利用UDEC软件模拟分析了层状砂岩隧道在不同岩层倾角下的变形规律和受力特征。刘科[16]利用PHASE 2D软件模拟分析了层状页岩、砂岩隧道在不同岩层倾角下的围岩变形、应力及塑性区分布情况。谭鑫等[17]利用FLAC 3D软件模拟分析了层状板岩隧道在不同岩层倾角下的稳定性、围岩松动区范围。王焱等[18]利用FLAC 3D软件模拟分析了层状页岩、灰岩隧道在不同岩层倾角下的隧道底鼓情况。张俊儒等[19]利用UDEC软件模拟分析了陡倾板岩隧道的变形特征及合理洞型。Moussaei等[20]利用模型试验及UDEC软件模拟了层状岩体不同岩层倾角和岩层厚度对隧道变形特征及破坏机制的影响。Do等[21]利用RS2有限元方法模拟了层状沉积岩隧道在不同岩层倾角下的变形特征及塑性区分布情况。上述研究主要针对岩性较好的非软弱围岩隧道，变形量较小，鲜有大变形灾害发生，相比软岩隧道，其影响因素单一，缺少适用于软岩隧道大变形防控的措施及建议。

针对层状软弱围岩隧道，国内外学者已开展了大量研究。唐勇等[22]利用FLAC 3D软件分析了层状软岩地层中隧道非对称破坏特征及岩层倾角对隧道破坏模式的影响，提出了锚杆非对称支护模式。陈子全等[23]采用离散元软件UDEC对层状炭质千枚岩隧道的非对称变形破坏规律及其支护结构的非对称受力特性进行了研究。唐锐等[24]利用FLAC 3D软件模拟分析了层状辉绿岩隧道在不同岩层倾角下的变形和围岩塑性区分布情况。张林[25]利用UDEC软件模拟分析了砂质泥岩围岩隧道的变形情况，优化了隧道初期支护参数。Chen等[26]采用UDEC软件模拟分析了炭质千枚岩隧道在不同岩层倾角下的变形机理、力学行为及破坏特征。Lisjak等[27]通过FDEM软件模拟分析了泥岩隧道在不同岩层倾角下的收敛变形特征。上述研究主要针对单一岩性的软岩隧道，缺乏对单斜构造下软硬互层围岩隧道变形特征及发展规律的研究。

本文以单斜构造地层条件下的木寨岭隧道2号和3号斜井工程为依托，通过现场调研及现场监测，对不同岩层倾角下炭质千枚岩和砂质板岩互层围岩隧道的变形特征进行研究，利用数值模拟对隧道在不同岩层倾角下的变形规律进行预测分析。针对不同的变形特征，总结隧道现场采用的各种针对性的变形控制措施，为类似地层隧道变形控制提供参考。

1 依托工程概况

木寨岭隧道是渭源至武都高速公路的控制性工程，位于甘肃省漳县与岷县交界地段(图1)。隧道采用分离式双向四车道设计，隧道建筑限界净宽10.25 m，净高5.0 m，设计速度80 km·h-1。隧道左线长15.231 km，右线长15.173 km。隧道设3座无轨通风斜井，其中2号斜井位于岷县梅川镇鹿扎村，全长1.755 km，最大埋深591 m，平均纵坡坡度为-9%；3号斜井位于岷县梅川镇大战沟村，全长1.265 km，最大埋深455 m，平均纵坡坡度为-14.5%。

图1 木寨岭隧道地理位置Fig.1 Geographical Location of Muzhailing Tunnel

木寨岭隧道地貌为构造侵蚀低中山区，沟谷深切，山高坡陡，自然坡度多大于40°，主要地质构造为单斜构造，岩层倾角大于20°，节理、千枚理和板理构造发育，断裂和不整合构造不发育。围岩主要为软弱的炭质千枚岩夹薄层的钙硅质砂质板岩，综合评定围岩级别为Ⅴ级，其中砂质板岩饱和单轴抗压强度Rc>60 MPa，岩石强度较高且遇水不易软化；炭质千枚岩单轴抗压强度Rc<5 MPa，岩石强度低且遇水易软化。2类岩石以互层状，按不同倾角、不同比例和不同厚度组合分布，构成复杂多变的地层结构，在隧道施工过程中频繁发生喷射混凝土开裂掉块、钢架扭曲变形、初期支护变形侵限等病害，其中以木寨岭隧道2号斜井、3号斜井最为典型，隧道施工难度非常大。

2 隧道变形特征调研及现场监测

为探究单斜构造软硬互层围岩隧道的变形特征，对木寨岭隧道2号和3号斜井围岩和大变形情况进行现场调研和相关资料收集，总结不同岩层倾角下的隧道变形特征，并选取典型断面开展现场监测，揭示隧道变形随施工工序的发展过程和变化规律。

2.1 大变形段围岩情况

木寨岭隧道2号和3号斜井掌子面围岩整体呈单斜构造，岩层倾角为30°～80°，岩层厚度呈薄层或中厚层状(图2)。随着隧道开挖掘进，掌子面围岩岩性种类变化很小，主要为岩层产状、层厚、完整性以及软硬岩性比例在发生变化。调研的大变形段埋深为224～597 m。

图2 木寨岭隧道2号和3号斜井掌子面典型围岩Fig.2 Typical Surrounding Rock at Face of No.2 and No.3 Inclined Shafts of Muzhailing Tunnel

2.2 大变形灾害表现

木寨岭隧道2号和3号斜井大变形灾害(图3，4)主要表现为：初期支护变形侵限(局部侵限或整体侵限)；喷射混凝土开裂、剥落；钢架扭曲变形、折断等。因此，防止出现以上大变形灾害是软岩隧道大变形防控的主要目标，也是检验大变形控制措施有效性的重要标准。

图3 初期支护左侧变形严重侵限、破坏Fig.3 Invasion and Damage of Primary Support on Left Side

图4 左拱腰、拱顶初期支护弯折破坏Fig.4 Bending Failure of Left Arch Waist and Vault

2.3 大变形特征

(1)在单斜构造地层条件下，岩层走向与隧道轴向一致，左拱腰岩体易沿临空面发生弯曲破坏(图5)，导致初期支护变形侵限、破坏大部分发生在隧道左拱腰位置，隧道整体变形表现为左侧变形大于右侧变形(图6)，非对称变形特征明显。

图5 左侧岩体弯曲破坏Fig.5 Bending Failure on Left Rock Mass

图6 初期支护左侧变形侵限Fig.6 Invasion of Primary Support on Left Side

(2)在单斜构造地层条件下，当岩层层间黏结力较弱，特别是在隧道拱部右侧地下水汇集时，隧道拱部右侧岩体向临空面发生顺层滑移(图7)，导致右拱腰处初期支护也发生变形侵限、破坏(图8)，进而出现隧道端面左、右两侧均发生变形侵限的情况。从图8可以明显看出，隧道右侧局部出现渗水，同时隧道右侧初期支护也发生变形侵限。

图7 右侧岩体顺层滑移Fig.7 Layer Sliding of Rock Mass on Right Side

图8 初期支护右侧变形侵限Fig.8 Invasion of Primary Support on Right Side

(3)在单斜构造地层条件下，随着岩层倾角的变化，隧道所呈现的变形规律也不尽相同(图9)。当岩层倾角小于50°时，隧道变形整体上表现为沉降大于水平收敛；当岩层倾角大于50°时，隧道变形整体上表现为水平收敛大于沉降。这是因为层状围岩变形主要受垂直于岩层的法向荷载影响，当岩层倾角较小时，岩层挠曲变形产生的竖向分量大于水平分量，故隧道沉降更为显著；当岩层倾角较大时，岩层挠曲变形产生的水平分量逐渐大于竖向分量，导致水平收敛越来越显著，并逐渐大于产生的沉降。根据调研结果，2号斜井的岩层倾角为60°～80°，最大收敛变形达273 cm，3号斜井的岩层倾角为35°～55°，最大沉降达95.1 cm。

图9 隧道最大变形量随岩层倾角的变化Fig.9 Variation of Maximum Deformation of Tunnel with Dip Inclination of Rock Stratum

2.4 典型断面变形监测分析

为揭示隧道变形随施工工序的发展过程和变化规律，在木寨岭隧道3号斜井选取典型断面(K1+140断面)，采用全站仪对隧道拱部沉降和水平收敛进行现场监测。考虑到隧道左、右两侧存在非对称变形，全站仪对边量测法仅能测得断面的相对收敛变形，故采用全站仪坐标法对监测断面各测点的水平绝对收敛进行了量测。

K1+140断面掌子面岩层倾角为40°～50°，如图10所示，采用的主要支护参数为：设计预留变形量35 cm(实际施工预留变形量50 cm)；4.5 m长φ42超前注浆小导管，环向间距40 cm；HW175钢架，纵向间距50 cm；3.5 m长φ42锁脚锚管，每个拱(墙)脚处各1组，共12根；4 m长φ42径向注浆小导管与5 m长φ25自进式锚杆相间布置，间距100 cm(环向)×150 cm(纵向)；φ8@15 cm×15 cm钢筋网，28 cm厚C25早强喷射混凝土；二次衬砌采用55 cm厚C30钢筋混凝土，主筋采用φ25螺纹钢筋，纵向间距20 cm。

图10 K1+140断面掌子面围岩Fig.10 Surrounding Rock of Face at K1+140 Section

图11，12分别为K1+140断面各测点累计沉降和累计水平(绝对)收敛的时态曲线。

图11 累计沉降变形时态曲线Fig.11 Time Curves of Cumulative Settlement Deformation

图12 累计收敛变形时态曲线Fig.12 Time Curves of Cumulative Convergence Deformation

由图11，12可知：

(1)监测断面左侧的沉降变形在上、中台阶施工阶段一直处于快速增长状态，直到下台阶初期支护落底完成后，隧道沉降变形速率才开始减小，并逐渐趋于稳定；上台阶左拱脚的沉降变形最大，最终累计沉降达92.8 cm，而断面右侧沉降变形基本处于10 cm以内，隧道左右两侧的差异沉降非常明显；由于隧道左侧变形发生侵限(预留变形量50 cm)，而被迫进行拆换拱。

(2)隧道水平收敛变形规律与沉降规律类似，断面左侧的水平绝对收敛明显大于断面右侧；最大累计水平绝对收敛变形位于上台阶左拱脚处，达47.1 cm，而相对位置的上台阶右拱脚处的水平绝对收敛变形仅为5.2 cm，可得到上台阶拱脚处的相对水平收敛为52.3 cm，明显小于上台阶拱脚的累计沉降变形。

(3)仰拱施作后，对拱部已侵限部分的钢架进行拆换，拆换后的初期支护未再发生明显沉降，仅收敛变形有所波动，但变形量不大，初期支护总体趋于稳定。

针对以上隧道非对称变形过程中产生的初期支护变形侵限问题，除了进行被迫拆换拱处理外，建议采用非对称支护的策略，加强对变形较明显一侧围岩的加固或支护。

2.5 隧道大变形影响因素分析

木寨岭隧道发生的上述大变形灾害是多种因素共同作用的结果，总体可归结为地质因素和施工因素2个方面。

(1)地质因素

①岩层走向。对于岩层呈单斜构造的软硬互层围岩，地应力优势方向必然垂直于岩层，当岩层走向与隧道轴向一致时，隧道左拱腰岩层易向临空面发生弯曲破坏和剥离，随着岩层破坏的发展，拱部左侧的支护受力越来越大，造成左侧变形明显大于右侧，如图3～6所示。

②软硬互层岩性比例。对于炭质千枚岩与砂质板岩互层围岩，炭质千枚岩含量越高，围岩稳定性越差，隧道变形越严重。

③岩层层厚及完整性。在岩层层厚较薄或较为破碎的情况下，容易发生初期支护变形侵限和破坏，严重时发生初期支护的整体侵限。

④地下水。对于岩层呈单斜构造的软硬互层围岩，在存在地下水时，隧道一侧地下水容易汇集，造成该侧围岩软化，岩层层间黏结力减弱而沿弱面发生顺层滑移破坏，并作用至支护结构上，易造成该侧初期支护变形侵限，如图7，8所示。

(2)施工因素

隧道施工工序及支护时机、钢架锁脚质量、钢架接头连接质量、围岩注浆工艺等均会对大变形控制效果产生影响。对于岩层呈单斜构造的软硬互层围岩隧道而言，产生影响的主要原因在于隧道施工前期缺乏针对性的、有效的围岩变形控制措施，隧道非对称变形未得到有效控制。

3 隧道变形规律的数值模拟分析

为进一步揭示单斜构造软硬互层围岩隧道在不同岩层倾角下的变形规律，借助FLAC 3D有限差分软件，建立隧道地层-结构模型，对不同岩层倾角下的初期支护变形进行模拟计算，并对所得数据进行拟合分析。

3.1 数值模型的建立

本次数值模拟采用的基本假定如下：①岩体遵循理想弹塑性本构关系和摩尔-库仑屈服准则；②围岩、初期支护、锁脚锚管均视为各向同性、均质的连续材料；③仅考虑岩层倾角对隧道开挖的影响，忽略岩层走向等影响。

根据圣维南原理可知，隧道开挖对周边围岩的影响在3倍～5倍洞径范围内，且超过3倍洞径后影响率小于5%，3号斜井最大开挖跨度12.96 m，仰拱底部至拱顶高度10.47 m，故综合考虑现场施工情况与模型计算快捷性，选取的计算模型(图13)宽度90 m，高度80 m，纵向长度78 m，开挖进尺1.2 m，模拟三台阶开挖、支护过程(图14)。

图13 隧道地层-结构模型Fig.13 Model of Tunnel Stratum-structure

图14 隧道三台阶法开挖模型Fig.14 Tunnel Model of Three-bench Excavation Method

计算模型中将喷射混凝土设置为实体单元，钢架通过刚度换算的方式转换为混凝土，钢架型号、布设间距、喷射混凝土类型及厚度等按实际参数取值，其物理力学参数参考《公路隧道设计细则》(JTG/T D70—2010)、《公路隧道设计规范》(JTG 3370.1—2018)进行取值。3号斜井掌子面岩层呈单斜构造，为炭质千枚岩和砂质板岩组成的软硬互层岩体，建模时以K1+140断面为例，将连续分布的多个薄层炭质千枚岩岩层视为一个整体进行建模，层厚取120 cm，砂质板岩层厚按平均厚度30 cm进行建模，并在2种岩层之间设置接触面，以考虑2种岩层之间的非连续性。数值计算中围岩及初期支护物理力学参数见表1。

表1 围岩及初期支护物理力学参数Table 1 Physical and Mechanical Parameters of Surrounding Rock and Primary Support

3.2 模拟结果分析

对不同岩层倾角(0°，10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°，80°，90°)下的初期支护变形进行模拟计算，得到不同岩层倾角下的隧道最大沉降和最大水平收敛，然后绘制隧道最大沉降和最大水平收敛变形随岩层倾角的变化曲线，并与现场实测结果进行比较，如图15，16所示。

图15 隧道最大沉降随岩层倾角的变化Fig.15 Changes of Maximum Settlement of Tunnel with Dip Inclination of Rock Stratum

图16 隧道最大水平收敛变形量随岩层倾角的变化Fig.16 Changes of Maximum Horizontal Convergence Deformation of Tunnel with Dip Inclination of Rock Stratum

通过对现场实测与模拟计算结果进行拟合，得到隧道最大沉降值与岩层倾角的关系表达式为

Y=44.97+34.23sin(76.79X+7.41)

(1)

式中：Y为隧道最大沉降量；X为岩层倾角。

该式拟合隧道最大沉降的变化趋势与现场调研所得的最大沉降规律较为一致，岩层倾角在40°～50°时隧道沉降达到最大值。可解释为：在岩层倾角为10°～30°时，岩层倾角相对平缓，岩层挠曲变形产生的竖向分量大于水平分量，故隧道变形以沉降为主，且随着岩层倾角的增大，隧道非对称变形(沉降)特征越来越明显，可以推断隧道最大沉降也会越来越大。另有研究表明，45°岩层倾角相比其他倾角条件围岩变形更明显。在岩层倾角为60°～80°时，岩层倾角相对较陡，岩层挠曲变形产生的水平分量逐渐大于竖向分量，隧道收敛变形开始显著，并且随着岩层倾角的增大，隧道变形以收敛为主，同时隧道非对称变形(沉降)特征越来越弱，隧道沉降变形也不断减少。

通过拟合现场实测数据与模拟所得数据，得到隧道最大收敛值Y′随岩层倾角的变化关系为

Y′=16.97+0.004 6X2.95

(2)

该式拟合隧道最大收敛的变化趋势与现场调研所得的最大水平收敛规律一致。可解释为：层状围岩变形主要受垂直于岩层的法向荷载影响，当岩层倾角较小时，岩层挠曲变形产生的水平分量较小，故隧道水平收敛变形较小，随着岩层倾角的增大，岩层所受的法向荷载不断趋近于水平方向，岩层挠曲变形产生的水平分量越来越大，导致隧道水平收敛变形越来越显著。当岩层倾角接近90°时，隧道收敛变形最为显著，达到最大值。

4 隧道大变形控制措施

为控制木寨岭隧道发生的大变形灾害，现场进行了各种尝试，现对隧道现场实际采用的大变形控制措施进行总结，以便为后续施工及类似工程大变形控制提供借鉴。

4.1 大变形应急处治措施

(1)当掌子面持续变形至产生失稳溜坍时，现场采用了喷射混凝土封闭掌子面(图17)、上台阶搭设临时支撑(图18)、泵送混凝土充填塌腔等应急措施，以抑制隧道变形的进一步发展。

图17 封闭掌子面Fig.17 Closed Tunnel Face

图18 上台阶搭设临时支撑Fig.18 Temporary Support for Upper Bench

(2)当隧道两侧边墙出现明显鼓出变形时，在中台阶两侧边墙搭设临时斜撑或采用弃碴对中台阶两侧边墙进行回填反压，并对围岩进行注浆加固，以抑制隧道变形的进一步发展(图19，20)。

图19 中台阶临时木支撑Fig.19 Temporary Timber Support for Middle Bench

(3)当隧道拱顶、上台阶拱脚或边墙等部位发生持续变形，出现钢架扭曲、喷射混凝土开裂剥落的情况时(图21)，采用了补打预应力锚索，抑制变形进一步发展(图22)。

图20 中台阶回填反压Fig.20 Backfill Back Pressure for Middle Bench

图21 拱顶钢架扭曲和喷射混凝土剥落Fig.21 Bending of Steel Rib and Spalling of Shotcrete at Vault

图22 补打预应力锚索Fig.22 Installation of Prestressed Anchor Cable

4.2 大变形防控措施

(1)对于持续变形段，应提高变形监控量测和超前预报的频率。对发生大变形的段落，每5 m布设1个监测断面，局部变化较大段落每2 m布设1个监测断面。

(2)在隧道变形以沉降为主时，现场通过打设6 m长φ89大管径锁脚锚管(每榀钢架2～4根)或增设小管径锁脚锚管，提高初期支护抵抗沉降变形的能力。另外，现场还尝试在隧道上台阶打设约束锚固杆，采用6～8 m长φ21.8钢绞线，在借鉴预应力锚索钻孔、锚固、张拉工艺的基础上，借助钢架纵向连接件(I16工字钢)、锚具和锚垫板，实现钢绞线对隧道钢架的约束固定，进而形成对拱部初期支护的悬吊作用，抑制上台阶初期支护的整体沉降。

(3)在隧道水平收敛变形明显时，除了提高钢架支护强度外，主要通过注浆对围岩进行加固(图23)。注浆浆液采用水泥净浆，水泥采用普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐P.O42.5水泥，按一定比例混合，提高浆液的高强快硬性能，水灰比为1∶1，注浆压力为0.5 MPa左右。

图23 围岩注浆加固Fig.23 Grouting Reinforcement of Surrounding Rock

(4)为有效控制隧道大变形，木寨岭隧道还尝试采用了NPR锚索(图24)及普通预应力锚索支护技术，并开展了大范围的现场应用，取得了良好的隧道变形控制效果。

图24 NPR锚索Fig.24 NPR Anchor Cable

(5)针对单斜构造岩层发生严重非对称变形的情况，木寨岭隧道采用了NPR锚索“非对称布设和长-短锚索组合搭配”的综合控制体系。NPR恒阻锚索能在短时间内给予隧道围岩强有力的支护。该方案中除了采用沿隧道纵向间隔布置的长5 300 mm(间排距为1 000 mm×1 200 mm)和10 300 mm(间排距为2 000 mm×1 200 mm)的NPR锚索外，还在断面左侧(变形较大的一侧)增设NPR锚索；钢绞线直径为21.8 mm，预紧力不小于350 kN，锚索角度尽量避免与岩层节理面平行，根据不同节理产状调整锚索角度。通过采用该方案，隧道最大变形量从2 936 mm控制到240 mm以内，非对称变形明显降低。

(6)对于采用预应力锚索、大管径锁脚锚管、围岩注浆加固、加大钢架型号等措施仍不能有效控制隧道大变形的情况，可考虑采用多层支护，同时加大预留变形量，避免初期支护结构变形侵限、破坏。

(7)在单斜构造地层条件下地下水量较大时，应在隧道初期支护表面钻孔、埋设泄水管(塑料或钢制)进行排水，避免地下水在初期支护背后汇集，减小地下水对围岩稳定性及初期支护变形的影响。

5 结 语

(1)炭质千枚岩和砂质板岩互层围岩隧道变形主要受岩层倾角和地下水影响，在单斜构造地层条件下隧道呈现出明显的非对称变形，隧道一侧岩层易发生弯曲变形和破坏；在地下水汇集的情况下，隧道另一侧岩层易沿弱面发生顺层滑移破坏。

(2)当岩层倾角小于50°时，隧道变形表现为沉降大于水平收敛；当岩层倾角大于50°时，隧道变形则表现为水平收敛大于沉降。

(3)炭质千枚岩和砂质板岩互层围岩隧道最大沉降随岩层倾角呈三角函数规律变化，当岩层倾角在40°～50°时，隧道沉降达到最大值；最大收敛变形随岩层倾角呈指数规律变化，即岩层倾角越大，隧道收敛变形越显著。

(4)得到了炭质千枚岩和砂质板岩互层围岩隧道最大变形量随岩层倾角变化的拟合公式，施工中可以参考该公式对隧道最大变形量进行预测。

(5)NPR锚索或普通预应力锚索是层状围岩加固的有效措施。对于单斜构造软硬互层围岩隧道，可采用“非对称布设和长-短组合搭配”的预应力锚索对围岩进行主动加固；对于富水地段，还应注意排水，避免地下水在初期支护背后汇集，减小地下水对围岩稳定性以及初期支护变形的影响。

(6)本文以炭质千枚岩和砂质板岩互层围岩隧道为对象，得到了隧道最大变形量随岩层倾角变化的拟合公式，对于围岩岩性、岩层层厚等针对性较强，后续将针对其他岩性及不同岩层层厚的软硬互层围岩隧道开展进一步研究。