1. 工程概述
新疆某隧洞工程洞长42 km，最大埋深约2268 m；隧洞为无压洞，纵坡1/564.8。隧洞共布置有4条施工支洞，分别为位于主洞桩号4 + 400的1#斜井、主洞桩号5 + 700的2#斜井、主洞桩号9 + 800的1#支洞、主洞桩号30 + 260的2#支洞。隧洞断面为圆形，洞径5.3~5.9 m，局部为马蹄形断面，采用现浇钢筋混凝土衬砌。其中1#斜井主洞控制段采用钻爆法施工，分上、下两个台阶开挖。
2. 工程地质条件
该段地表为北天山低山丘陵区，属台地地貌，地面高程1420~1560 m，山势相对平缓；大变形洞段埋深约190 m，隧洞轴线在沟底部斜穿布置 [1]。隧洞主要工程地质，为第三系(N1 + 2)泥岩、泥质砂岩、砂砾岩等为软岩，强度低，部分呈松散砂状、土状，并具有弱~中等膨胀性，另外，断层带、古风化壳等部位，岩石破碎。地下水属赋存砂砾岩层的孔隙潜水及裂隙水，局部具有承压性；开挖时围岩呈干燥状态，经一段时间仰拱部位砂砾岩有地下水渗出。因此，本洞段围岩类别为V1类，具备形成严重–极严重挤压变形的条件。
3. 隧洞围岩大变形
大变形洞段发生在1#斜井主洞控制段隧洞下游桩号4 + 704~4 + 985处，自2019年9月中下旬隧洞开挖后开始出现边墙侵限、已衬仰拱上抬出现纵向裂缝、未衬仰拱推土上抬、喷混开裂、钢拱架扭曲等现象，详见图1。
Figure 1. The location of the deformed tunnel
图1. 大变形洞段位置
在开挖过程中预留变形量400 mm后，仍出现在桩号K4 + 915断面，水平位移706.6 mm，侵限306.6 mm；桩号K4 + 923断面，出现水平位移990.6 mm，侵限590.6 mm；2019年10月23日，桩号4 + 904.3~4 + 913.3，已衬仰拱衬砌发现纵向裂纹，右边墙钢拱架出现弯折扭曲现象，详见图2。2019年11月3日，桩号4 + 913.3~4 + 924 (未施工仰拱衬砌)，仰拱推土上抬开裂，详见图3。
Figure 2. The buckling of the arch scaffolding on the right wall
图2. 右边墙拱架弯折扭曲
Figure 3. The bottom concrete cracks upward
图3. 仰拱推土上抬开裂
Figure 4. The deformation situation of the section K4 + 930
图4. K4 + 930断面变形变化情况
4. 大变形成因分析
1) 监测资料分析
围岩大变形洞段及其附近区域共包含4个收敛变形监测断面：K4 + 915、K4 + 923、K4 + 895、K4 + 930，详见图4~6；
Figure 5. The deformation monitoring of the wall rock K4 + 895
图5. K4 + 895断面围岩变形监测
K4 + 895断面变形速率峰值均出现在起测后的第1天，随后收敛变形速率逐渐减小，围岩变形在起测后第15天趋于收敛，详见图5。
2) 大变形成因
1、围岩岩性因素：岩样中富含蒙脱石等黏土矿物(其矿物全分析成果详见表1)。及有关的混层结构矿物，黏土矿物的水化膨胀性和吸附性在岩样的物理试验过程中表现非常明显，遇水明显软化膨胀、泥化及快速崩解。可见，该洞段较差的围岩条件，是导致大变形的主要地质基础。
Figure 6. The monitoring of the section K4 + 915
图6. K4 + 915断面监测
Table 1. XRD mineral composition and clay mineral analysis results of mudstone, marl and sandy mudstone
表1. 泥岩、泥灰岩、砂质泥岩XRD矿物成分以及粘土矿物全分析成果
2、地下水因素：砂砾岩为含水层和导水层，为地下水与泥岩接触提供了通道；当围岩含水量较大时，开挖卸荷后围岩劣化效应显著，岩体强度和变形模量迅速降低，甚至膨胀、崩解，导致显著的围岩变形。因此地下水是导致围岩大变形的重要诱因。
3、地应力因素：大变形洞段隧洞埋深约190 m，以上覆岩层平均密度2.38 g/cm3估算，该洞段的铅直向初始地应力约为4.5 MPa。该洞段岩石饱和单轴抗压强度平均值fr = 0.155 MPa，围岩强度比fr/σ = 0.034<<4。按照《岩土工程勘察规范GB50021-94》中地应力的划分标准(采用岩石强度应力比来划分)，该洞段属极高应力区。因此，由开挖引起的围岩卸荷作用强烈，易诱发围岩大变形等失稳 [2]。
围岩收敛变形数据规律可以看出：K4 + 915和K4 + 923断面2个断面侵限部位均集中在下台阶右侧边墙及底拱中部和右侧部位。这是由于右侧围岩的含水率要高于左侧，相应的右侧的围岩强度要低于左侧。分析上述4个监测断面的围岩收敛变形监测数据特点，可知该洞段内的围岩收敛变形具有变形量值大。
该洞段围岩主要为泥岩、砂砾岩，属极软岩，围岩岩性差，承载能力低，隧洞开挖形成的重分布应力将显著超出围岩强度，使得围岩产生塑性屈服并发生较大的塑性变形 [3]。
隧洞开挖后改变了地下水的渗流路径，隧洞中部透水性良好的砂砾岩层，成为地下水的运移通道，使得隧洞中下部围岩的含水率或渗透性明显增大。同时，隧洞开挖导致围岩产生卸荷松弛，围岩内裂隙萌生、扩展及贯通，进一步增大了岩体的渗透系数，使得隧洞围岩的含水状态发生了显著变化，围岩遇水泥化、软化，强度显著降低并呈现出一定的膨胀性，使得围岩产生较大的塑性变形，特别是隧洞中下部泥岩受砂砾岩含水层的影响其塑性变形将更加显著 [4]。
在大变形侵限洞段，受岩性差异及地下水的影响，使得砂砾岩层下部泥岩夹泥灰岩的力学性能相较于砂砾岩层上部砂质泥岩其劣化将更为显著。砂砾岩层上下围岩力学性质的差异使得初期支护受力很不均匀(表现为边墙下部的变形要明显大于上部)，这也造成了钢拱架在砂砾岩层部位的局部屈曲 [5]。
桩号4 + 704~4 + 985洞段围岩大变形的发生机理与该洞段的地层结构和岩性分布，以及附近的水源补给密切相关。
5. 大变形防控措施实施
1) 在隧洞施工过程中桩号4 + 904~4 + 924洞段收敛变形极为严重，侵占设计断面，现场对侵限部位拆除已实施钢拱架以及扩挖等措施，然后重新开挖实施新钢拱架，详见图7~8；效率较低，后续二次衬砌有开裂风险。
Figure 7. The on-site treatment—the side arch changing
图7. 现场处理情况——换侧拱
Figure 8. The on-site treatment—the inverted arch changing
图8. 现场处理情况——换底拱
2) 为了尽可能减少换拱、扩挖以及避免二次衬砌因变形挤压应力过大出现裂缝，采取的超前管棚加U型钢方案双层一次支护加预留缓冲层的方案有着较好的效果：
1、采用超前支护措施加固围岩。顶拱160˚Φ63自进式超前中管棚预注浆，间距0.3 m，排距3.5 m，L = 6 m。
2、初期支护采用双层支护：外层：侧顶拱预应力中空注浆锚杆(50~100 KN，L = 5 m，间排距1.25 m)后，全断面HW125@0.5 m钢拱架，并在拱腰和拱脚长6 m的Φ63长注浆锚管，全断面Φ8单层钢筋网（20 cm * 20 cm），再喷15 cm厚纳米硅粉合成粗纤维混凝土。内层采用可伸缩29U@1.0 m型钢拱架，对称设置6个可伸缩节点，单节点最大环向伸缩量30 cm；拱架间填充可压缩聚乙烯材料。
3、初期支护与二衬间设置塑性缓冲层，采用可压缩聚乙烯预制块，层厚10 cm，现场裁成1 m * 2 m规格便于环向紧贴岩面，详见图9~10。
Figure 9. The inverted arch fixing on buffer layer in construction
图9. 施工中缓冲层底拱安装
Figure 10. The side arch fixing on buffer layer in construction
图10. 施工中缓冲层侧拱安装
4、洞周的排水点设置毛细透排水带进行引排水，缓解地下水对围岩的影响。
3) 二衬砼浇筑自2020年4月下旬隧洞对安装缓冲层段进行了二次砼浇筑、已衬仰拱未出现裂缝现象，详见图11~12。
Figure 11. Secondary concrete in buffer layer section 1
图11. 缓冲层段二衬混凝土1
Figure 12. Secondary concrete in buffer layer section 2
图12. 缓冲层段二衬混凝土2
4) 在施工K4 + 799.5监测断面处左右两侧拱腰、左右拱肩、拱顶共埋设了钢筋计和应变计，监测情况如下：
1、混凝土应变
观测数据表明目前底拱受力较小，边顶拱处于受压趋势。混凝土应变监测过程线见图13。
Figure13. Monitoring process line of concrete strain at monitoring section K4 + 799.5
图13. K4 + 799.5监测断面混凝土应变监测过程线
2、钢筋应力
观测数据表明目前底拱钢筋受力较小，边顶拱钢筋受压增大趋势减缓。应力监测过程线见图14。
Figure 14. Monitoring process of steel bar line stress K4 + 799.5
图14. K4 + 799.5监测断面钢筋应力监测过程线
观测数据表明目前边顶拱及底拱受力较小，都处于受压趋势，都在允许范围值内。
6. 结论
软岩隧洞围岩变形破坏特征及其治理一直是贯穿隧洞设计与施工全过程关注和亟待解决的问题。而目前对软岩变形的研究较为贫乏，仅仅靠归纳、总结以及采取工程类比的方法是远远不够的，因此，软岩变形问题的研究对于围岩变形的预测研究和工程对策的合理制定具有重大意义。本工程的案例以期对其它软岩隧洞施工的工程在设计、施工方面提供借鉴，为岩土工程从强度破坏极限状态控制向着变形极限状态控制发展提供了可靠技术保障，从而达到提高软岩隧洞施工质量的目的。