一、研究背景与意义

随着我国交通事业的快速发展，山岭隧道工程数量日益增多。在众多隧道工程中，软弱围岩隧道占据较大比例。软弱围岩通常指强度低、稳定性差的岩体，如泥岩、砂岩和破碎带等。这类围岩在隧道施工中，受工程活动影响，内部应力场和边界条件改变，极易引发围岩变形和破坏，增加施工难度，影响隧道工程质量和安全。深入研究山岭隧道软弱围岩变形机理与控制技术，对保障隧道施工安全、提高工程质量、推动隧道建设技术发展具有重要意义。

二、软弱围岩变形机理

2.1 地质背景与软弱围岩特性

软弱围岩具有独特的物理力学性质，其强度低、弹性模量小，稳定性差。在自然状态下，这些岩体可能处于相对平衡状态，但隧道开挖等工程活动会打破这种平衡，引发一系列变形问题。例如，泥岩遇水易软化，砂岩在长期风化作用下结构变得松散，破碎带则因岩体破碎，整体性差，在应力作用下容易发生位移和变形。

2.2 变形机制分析

1. 围岩物理力学性质影响：其强度和弹性模量影响变形特性。强度低易破坏，弹性模量小则变形大。如泥岩强度低，隧道开挖时，洞壁位移可能达几厘米甚至几十厘米，破坏初始支护。

2. 工程活动引起应力场变化：隧道开挖打破围岩应力平衡，导致软弱围岩变形。复杂的应力状态导致剪切、挤压和隆起等变形。横洞正洞挑顶施工时，多次空间受力转换可能导致围岩再次变形。

2.3 变形规律

1. 变形量大：软弱围岩在隧道开挖后产生显著塑性变形，洞壁位移可达几十厘米，对初始支护造成严重破坏，影响施工安全和进度。

2. 初始变形速度快且持续时间长：软弱围岩与硬质围岩相比，变形速率大且持续时间长。硬质围岩较快达到稳定状态，而软弱围岩的变形持续，甚至在支护后也可能继续变形。

3. 变形和破坏形式多样：软弱围岩隧道变形和破坏形式多样，包括掌子面挤出、超前和后方变形。这些相互影响，增加施工难度和风险。

三、软弱围岩隧道工程变形原因

3.1 地质原因

对于隧道较深且岩质较软的软弱围岩，构造特殊且复杂，内部容易出现较为严重的褶曲揉皱问题。在岩体破碎过程中，掌子面的开挖面上多个点可能流出股状水，围岩与水接触后会变成松散的泥夹石，这种泥夹石稳定性和后期变形速度均较差。例如，某山岭隧道在施工过程中，遇到一段泥岩地层，由于地下水的渗透，泥岩软化成泥夹石，导致围岩变形急剧增大，给施工带来极大困难。此外，对于岩层产状倾角较大的软弱围岩情况，掌子面开挖时稳定性较差，开挖过程对其稳定性破坏较大，会在开挖面或初期支护上产生较大的围岩压力。随着围岩变形逐渐增大，初期支护压力也逐渐增大，当压力超出其承受能力范围时，就会发生变形开裂问题。

3.2 应力重分布原因

在隧道施工过程中，如横洞进入正洞的挑顶施工时，经过多次空间受力转换，喇叭口附近的洞身会出现不稳定的应力变化问题。正洞开挖时，会再次对洞口应力造成影响，使其更加复杂。随着围岩巨大压力的释放，压力进一步增大，出现再次变形的危险。例如，某隧道在横洞与正洞交接处施工时，由于应力重分布，导致该区域围岩变形严重，初期支护出现多处开裂和变形，不得不进行返工处理。

3.3 初期支护设计问题

初期支护设计强度不足以及预留变形量不足是导致软弱围岩隧道变形的重要原因之一。如果初期支护设计强度不能满足围岩变形产生的压力要求，就容易发生变形开裂等问题。同时，预留变形量不足也会限制围岩的正常变形，导致围岩压力集中，进一步加剧支护结构的破坏。例如，某隧道在施工过程中，由于初期支护预留变形量过小，围岩变形受到限制，导致初期支护与围岩之间出现空隙，地下水渗入后进一步软化了围岩，引发了更大的变形和破坏。

四、控制技术研究

4.1 支护结构优化设计

1. 支护结构形式选择：针对软弱围岩的变形特性，选择合适的支护结构形式至关重要。常用的支护结构形式包括钢筋混凝土支护、钢拱架支护等。钢筋混凝土支护具有较高的强度和刚度，能够承受较大的围岩压力，适用于围岩变形较大的情况。钢拱架支护则具有安装方便、适应性强等优点，能够快速提供支护阻力，控制围岩变形。例如，在某软弱围岩隧道施工中，采用了钢拱架与喷射混凝土相结合的复合支护结构，有效控制了围岩的变形和破坏。

2. 材料和参数优化：除了选择合适的支护结构形式外，优化支护结构的材料和参数也是提高支护效果的关键。通过数值模拟和现场试验，确定支护结构的最佳材料和参数，如钢筋的直径和间距、混凝土的强度等级、钢拱架的型号和间距等。例如，通过数值模拟分析，发现增加钢筋的直径和间距可以显著提高钢筋混凝土支护的承载能力，从而更好地控制围岩变形。

3. 适应不同地质条件和施工需求：不同地质条件和施工需求对支护结构的要求也不同。因此，在设计支护结构时，需要充分考虑地质条件和施工需求的变化，采用灵活多样的支护形式和参数。例如，在地质条件复杂的隧道施工中，可以采用分段支护的方式，根据不同地段的围岩特性选择不同的支护结构和参数，以提高支护效果和经济效益。

4.2 施工方法与技术改进

1. 分步开挖方法：采用分步开挖方法可以减小对围岩的扰动和破坏。将隧道开挖过程分为多个步骤，逐步开挖，每次开挖的断面较小，能够减少围岩的应力释放和变形。例如，在软弱围岩隧道施工中，采用台阶法开挖，先将隧道分为上下两个台阶，分别进行开挖和支护，有效控制了围岩的变形。

2. 预留变形量：预留变形量是指在隧道开挖过程中，根据围岩的变形特性，预先留出一定的空间，以允许围岩发生一定的变形。通过合理预留变形量，可以避免围岩压力集中，减少支护结构的破坏。例如，在某软弱围岩隧道施工中，根据围岩的变形监测数据，预留了适当的变形量，使得围岩变形得到充分释放，同时保证了支护结构的安全稳定。

3. 新型施工技术和设备引入：引入新型施工技术和设备可以提高施工效率和安全性，减少对围岩的扰动。例如，盾构机和TBM（全断面隧道掘进机）等新型施工设备具有自动化程度高、施工速度快、对围岩扰动小等优点，适用于软弱围岩隧道的施工。在一些大型软弱围岩隧道工程中，采用盾构机或TBM进行施工，不仅提高了施工效率，还有效控制了围岩的变形和破坏。

4.3 监测与反馈控制技术

1. 监测设备选择：在隧道施工过程中，对围岩变形进行实时监测是及时发现和处理变形问题的关键。常用的监测设备包括地质雷达、位移计、应力计等。地质雷达可以快速、准确地检测隧道围岩的内部结构和缺陷；位移计可以实时监测围岩的位移变化；应力计可以测量围岩的应力状态。通过这些监测设备的联合使用，可以全面了解围岩的变形情况。

2. 实时监测和预警：通过监测设备对围岩变形进行实时监测，并将监测数据及时反馈给施工人员和监控中心。当监测数据超过预设的预警值时，系统自动发出预警信号，提醒施工人员采取相应的措施。例如，在某软弱围岩隧道施工中，建立了实时监测和预警系统，当位移计监测到围岩位移超过预警值时，系统立即发出警报，施工人员及时采取了加强支护等措施，避免了围岩变形进一步发展。

3. 反馈控制措施调整：根据监测数据的反馈，及时调整支护结构和施工参数。如果监测数据显示围岩变形过大，可以采取增加支护强度、调整开挖方法等措施；如果监测数据显示围岩变形趋于稳定，可以适当减少支护强度，提高施工效率。例如，在某隧道施工中，通过监测发现某段围岩变形较大，及时调整了支护参数，增加了钢拱架的间距和钢筋的直径，有效控制了围岩的变形。

五、案例分析

以某山岭隧道软弱围岩工程为例，该隧道穿越的地层主要为泥岩和砂岩互层，围岩强度低、稳定性差。在施工过程中，遇到了围岩变形量大、初始变形速度快、变形时间久等问题。为了有效控制围岩变形，采取了以下控制技术措施：

1. 优化支护结构设计：根据围岩特性，采用了钢拱架与喷射混凝土相结合的复合支护结构。钢拱架采用I20b型钢，间距为0.8m；喷射混凝土强度等级为C25，厚度为25cm。同时，根据数值模拟和现场试验结果，优化了钢筋的直径和间距，提高了支护结构的承载能力。

2. 改进施工方法和技术：采用台阶法开挖，将隧道分为上下两个台阶，分别进行开挖和支护。每次开挖的断面较小，减少了对围岩的扰动。同时，预留了适当的变形量，根据围岩的变形监测数据，及时调整预留变形量的大小。此外，引入了TBM进行施工，提高了施工效率和安全性。

3. 实施严格的监测与反馈控制措施：在隧道施工过程中，布置了地质雷达、位移计等监测设备，对围岩变形进行实时监测。建立了实时监测和预警系统，当监测数据超过预警值时，系统自动发出预警信号。根据监测数据的反馈，及时调整支护结构和施工参数。例如，当监测发现某段围岩变形较大时，及时增加了钢拱架的间距和钢筋的直径，有效控制了围岩的变形。

通过应用上述控制技术，该隧道软弱围岩的变形得到了有效控制，施工安全性和稳定性得到了显著提高。实践验证表明，优化支护结构设计、改进施工方法和技术以及实施严格的监测与反馈控制措施是控制软弱围岩变形的有效方法。

六、结论与展望

6.1 研究成果总结

通过对山岭隧道软弱围岩变形机理与控制技术的研究，我们深入了解了软弱围岩的变形特性和影响因素。软弱围岩的变形主要受围岩自身物理力学性质和工程活动引起应力场变化的影响，具有变形量大、初始变形速度快、持续时间长、变形和破坏形式多样等特点。引起软弱围岩隧道工程变形的原因主要包括地质原因、应力重分布原因和初期支护设计问题等。针对这些问题，我们提出了一系列有效的控制技术措施，包括支护结构优化设计、施工方法与技术改进以及监测与反馈控制技术等。通过案例分析验证，这些控制技术措施能够有效控制软弱围岩的变形和破坏，提高隧道施工的安全性和稳定性。

6.2 未来研究方向展望

未来，随着隧道建设技术的不断发展，我们应继续深入研究软弱围岩的变形机制和控制技术。一方面，进一步探索软弱围岩的蠕变特性和长期强度变化规律，为支护结构设计和施工参数优化提供更准确的理论依据。另一方面，加强对新型支护材料和施工技术的研发和应用，提高支护结构的适应性和耐久性。此外，利用信息化技术，建立更加完善的监测和预警系统，实现对隧道施工安全的实时监控和动态管理。通过不断深入研究和实践应用，为隧道工程建设提供更加安全、高效的技术支持。