0 引言
随着国家“一带一路”的不断深入推进，企业“走出去”战略的实施，越来越多的海外项目开工建设，在全球各地开花结果。隧道是交通工程中重要结构形式之一，但其综合造价高，施工难度大，为了节约投资，在设计阶段会合理缩短隧道的长度，傍山线路及浅埋（偏压）隧道会不断增多。由于浅埋，隧道围岩风化严重，围岩软弱，尤其隧址处于热带雨林地区，持续的强降雨天气对浅埋软弱围岩稳定极为不利，隧道变形控制难度大，对施工技术要求很高
［1-2］。近年来国内因降雨导致的隧道坍塌事故频发，如雷公山隧道“7.29”坍塌事故
［3］、宜万铁路野三关隧道特大透水事故
［4］以及“8.23”哈达东1号隧道冒顶塌方事故
［5］等。
目前国内外学者关于强降雨工况下隧道工程的研究主要集中在岩石膨胀机理、设计施工技术以及变形控制措施方面。在岩体遇水软化机理的研究中，含水率是影响岩土体力学性能的根本原因，因此众多学者通过设计试验对不同类型岩土体浸水条件下的膨胀性能进行了探究。张青波等
［6］依托雅万高铁实际工程，通过室内试验研究全风化膨胀泥岩遇水的强度衰减特性以及膨胀特性；Xu等
［7］通过室内试验测定了石膏岩在浸水状态下各方向的膨胀压力与膨胀比，研究了其早期溶胀特性；Chai等
［8］使用自由膨胀试验法，通过测定黏性岩石在不同化学水溶液作用下的膨胀率，研究了不同化学路径对黏性岩石膨胀的影响，并分析了黏性岩石膨胀收缩变异性的基本机理；Vergara等
［9］通过XRD试验和无侧限膨胀试验对泥质膨胀岩的矿物组成以及水岩作用机理进行了研究；Xu等
［10］采用岩石膨胀试验仪进行了膨胀性石膏岩的溶胀应变试验和应力试验，分别研究了石膏岩样的溶胀应变随时间的变化规律和溶胀应力-应变关系，并根据研究结果提出了一种描述膨胀过程中应力应变关系的本构模型。
而在设计施工技术以及变形控制措施方面，刘剑
［11］依托席家梁隧道工程，利用MIDAS/GTS建立计算模型，对隧道二次衬砌应力及安全系数进行分析，并探讨了隧道先行导洞、仰拱和二次衬砌等工序的施工方法；郭成刚等
［12］为满足快速施工及安全要求，依托香丽高速虎跳峡地下立交工程，对施工方法进行研究，设计了3层支护结构、二台阶预留核心土法开挖法等；龚彦峰等
［13］针对软弱浅埋富水地层隧道施工过程中存在的安全风险，建立数值模型对隧道施工过程中的力学行为进行了分析，制定了相应的支护措施与开挖方法；武建华
［14］为研究浅埋隧道在软弱围岩的隧道支护设计及施工，结合工程实例，通过不同的支护方案及施工方法对比，对浅埋隧道软弱围岩隧道设计及施工进行了优化分析；田四明等
［15］针对高能地质环境隧道支护结构设计难题，提出了高地应力软岩隧道变形主动控制设计理念，并基于Mohr-Coulomb准则，推导建立了深埋隧道掌子面挤出变形解析解；张民庆等
［16］依托八达岭长城站超大断面隧道工程，对隧道支护参数设计、开挖新方法以及围岩变形控制原则进行了研究；王明江等
［17］针对隧道初支变形严重且侵入二衬限界的情况，提出了相应的大变形治理方案；郭健等
［18］以海巴洛隧道典型炭质板岩工程为背景，通过对围岩位移、支护结构内力的全过程监测，探讨了不同施工阶段隧道大变形段衬砌受力特征；方星桦等
［19］针对藏噶隧道施工时围岩变形量值、变形速率快等问题，采用现场监测与数值模拟等方法，对围岩变形综合控制措施进行了研究。
本研究以马来西亚东部铁路（马东铁路）项目某隧道工程为背景。针对隧道掘进过程中出现的围岩自持力下降、支护结构变形过大等情况，提出整治措施，并结合现场测试数据，对整治效果进行分析，形成的成果可为类似工况下隧道变形控制提供指导。
1 工程概况
马来西亚东海岸铁路项目位于马来西亚半岛中部，北起Kota Baru，沿马来西亚东海岸，途经Kelantan、Negeri Terengganu、Pahang、Negeri Selangor，最终汇入马来西亚首都Kuala Lumpur。马来西亚半岛中部为多条平行于半岛走向的山脉，把半岛分割成东部滨海带（Eastern Belt）、中央山地带（Raub Suture Zone）和西部滨海带（Western Belt）3个地理区域，呈中间高、两侧低的地势。铁路在中央山地带主要以路基或隧道工程为主，沿线属热带雨林气候，每年3—10月为旱季，11月至第二年2月为当地雨季。全年降雨量约为2 000~2 500 mm，最大可达3 000 mm，且降雨通常以伴随雷暴的形式发生，瞬时降雨量较大。该区分布有TIMUR、TAHAN等近南北走向的山脉，地形高低起伏，落差较大。该区主要为低山丘陵区，地表以第四系冲洪积层、坡积层为主，基岩主要为中生代花岗类岩石、石英岩、砂岩，以及奥陶系至志留系的千枚岩、片岩、页岩、石灰岩、大理岩为主。
本研究所依托隧道工程位于Maran县境内，全长373 m。隧址区地貌类型为丘陵，地表剥蚀较强烈，纵断面如
图1所示，隧道最大埋深为59 m。隧道主要穿越全、强风化砂岩。全风化砂岩在软岩分类中属于极软岩的范畴，通过对全风化砂岩岩样进行采集分析可知，岩体较破碎，力学性能差，开挖时易发生变形，且岩石遇水具有膨胀性，强度参数会发生不同程度的折减，易造成隧道衬砌破坏、围岩坍塌等灾害。根据现场施工进度相关资料，隧道上台阶于2022年11月28日掘进至强风化砂岩地层，此时恰逢马来西亚当地雨季到来，降雨量激增，持续高强度的降雨势必会对隧道施工造成极大的安全隐患。
2 隧道支护结构
隧道建筑限界净宽12.22 m，如
图2所示，针对施工中降雨频繁下渗，围岩强度下降、变形较大等情况，隧道采用复合式衬砌结构，初期支护采用钢拱架与喷射混凝土，预留变形量150 mm，结构单独成环，加强支护刚度、协调边墙两侧变化的不对称荷载及变形、防止围岩变形造成二次衬砌开裂。二次衬砌采用钢筋混凝土结构。
隧道在Ⅴ级围岩段采用D6、D5型复合衬砌设计，具体支护参数见
表1，
图2为2种复合衬砌结构设计。
隧道采用三台阶法施工，在进洞及出洞超浅埋段使用明挖法，施工工序如
图3所示，上、中台阶开挖后于拱脚处设置I20a工字钢临时横撑，纵向间隔一榀拱架。
隧道在掘进过程中发现围岩较原设计差，经地勘单位现场核查，围岩以强风化砂岩为主，岩体破碎，掌子面潮湿，围岩整体性及自稳性差，易产生掉块及坍塌现象，综合判定大部分围岩等级为Ⅴ级，因此根据地质情况对隧道CH394+766—CH394+800段结构设计进行了以下变更。
1）CH394+766—CH394+800段洞身围岩经勘测，由Ⅳ级变更为Ⅴ级，衬砌类型变更为D6型复合式衬砌参数施工，并在拱部140°范围内设Φ42 mm超前小导管注浆加固，环向间距40 cm，掌子面右侧超前小导管环向间距加密至30 cm。
2）CH394+776—CH394+786段上台阶拱脚处增设Φ42 mm双排锁脚。
3）CH394+786—CH394+800段上、中台阶拱脚处增设Φ42 mm双排锁脚。
3 隧道围岩侵限变形特征
3.1 围岩变形监测
隧道掘进施工期间正处于马来西亚当地雨季，地表水下渗导致土体含水量饱和、围岩压力急剧增大，极大地增加了施工风险。为确保隧道施工过程中围岩的稳定性，及时获得隧道结构在施工时的变形情况，评价结构的安全性，对隧道进行拱顶沉降以及周边收敛现场量测，测量数据可为隧道后续施工提供更准确的支护参数及措施，保证隧道施工和运营安全。
隧道拱顶沉降及周边收敛采用全站仪非接触法进行监测，拱顶沉降观测断面与周边收敛观测断面为同一个断面，监测断面纵向间距为5 m。隧道断面监测点位布设如
图4所示，首先采用冲击钻在隧道初期支护表面上钻出
Φ20 mm的孔，孔深 50 cm，且深入围岩内部10~15 cm，将固定钢筋放入孔内，用砂浆将钢筋固定，然后将反射棱镜安装在钢筋上。数据采集频率按照相关规范，结合现场实际情况进行综合考虑。前15 d监测频率为每天1~ 2次，之后逐渐降低监测频率，3个月后降至每月1~3次。施工过程中若监测到围岩变形速率过大，变形超限等异常情况，数据采集频率应增加至每天2次。
3.2 数值模型
由
图5可知，隧道在掘进至CH394+777—CH394+809段时，围岩产生了较大变形，并有随时间进一步加速恶化的趋势，因此造成该段隧道出现不同程度的初期支护侵限现象，现场遂依据监测方案增大对侵限段变形数据采集频率，并在原有监测点位的基础上，于隧道拱部增加临时监测点，监测断面纵向间距加密至1 m。同时利用数值模拟方法，建立典型断面二维数值模型，从非饱和渗流理论、降雨入渗过程以及衬砌结构受力变化规律等方面进行分析。探究隧道开挖过程中围岩位移、初支内力的发展、分布情况。
3.2.1 非饱和渗流模拟方法
在湿度场模拟时，根据质量守恒定律，各方向流出单元体的流量减去流入单元体的流量即为单元体中水的增加量，而在温度场模拟中，根据能量守恒方程，各方向流出单元体的热流量减去流入单元体的热流量即为单元体中温度的增加量，且二者平衡方程也颇为相似，在描述单元的相关物理参数方面也存在类似之处。湿度场中单元含水率的增加对应温度场中单元温度的升高；地层的渗透率对应热传导率；围岩遇水膨胀参数对应热膨胀率；土体的比水容重对应比热容与密度的乘积；衬砌结构的防水层对应绝热层。
在这种转化情况下，只需要将二者数值模拟的相关参数进行转换，即可实现使用热力耦合模块对流固耦合问题进行模拟。且ABAQUS中内置的场变量功能可以根据材料温度的改变赋予其不同的强度参数，以此实现降雨过程中地层强度软化的模拟。
3.2.2 围岩物理力学参数及支护参数
根据现场地质情况，选择CH394+782断面作为数值模拟分析断面，隧道自上而下分别穿越粉质黏土层、全风化砂岩层、强风化砂岩层，各地层相关参数依据现场地质勘察报告以及室内试验得到。隧道采用三台阶法进行开挖，主要研究降雨增湿条件下隧道开挖稳定性以及初期支护结构变形等问题，因此不施作二次衬砌。根据现场施工资料，支护结构采用D6型衬砌，初期支护厚度为27 cm，具体地层及支护参数见
表2。
通过对隧址区全风化砂岩取样进行室内试验测得不同含水率下强度参数见
表3。并测得全风化砂岩天然含水率为23.40%，饱和含水率为44.16%。由于本模拟将单元体含水率的增量等效为温度增量，因此设置相应的对照关系为0 ℃对应地层天然含水率，100 ℃对应地层的饱和含水率。根据该对应关系，将全风化砂岩相关物理力学参数折减情况进行设置。
3.2.3 数值模型及边界条件
数值模型选择针对洞口全风化砂岩浅埋段建立反映真实地形的二维有限元数值模型进行分析，模型建立如
图6所示，隧道中心处埋深约为8 m，模型采用平面应变单元。考虑到边界效应，地层结构模型中隧道对地层的影响范围一般取3~5倍的隧道宽度，计算模型宽度为80 m（
X方向），隧道底部向下取至30 m（
Y方向）。模型左、右边界施加水平约束，底面施加竖向约束，顶面为自由边界。使用热-力耦合模型对降雨入渗过程进行模拟，在模型顶部设置100 ℃温度荷载模拟大气降雨，两侧及底部均为自由温度边界，以模拟现实中下渗雨水可向两侧散失的情况。单元热传导为各向同性。为保证雨水入渗仅影响地层，在支护结构与围岩之间设置隔热层。
3.3 强降雨条件下隧道稳定性分析
3.3.1 降雨增湿过程湿度场变化规律
为研究在连续强降雨情况下围岩增湿过程以及土岩交界面渗流通道对隧道开挖稳定性的影响，在地表施加100 ℃温度边界条件以模拟大气降雨。通过对当地降雨情况进行收集可知，隧址区在雨季会出现持续数日的强降雨，因此确定本次降雨模拟分析时间为48 h。分别取降雨时间（
t）为2 h（降雨初始阶段，地表刚刚浸润）、降雨时间为12、24 h（雨水下渗中）、降雨时间为48 h（降雨结束）的岩土体含水率分布云图如
图7所示。
由
图7可以看出，随着降雨的持续，岩土体含水率不断发生变化，浸润锋线逐渐向地层下方推进。降雨24 h后，浸润影响区已下移至隧道结构处，拱顶含水率上升至25.48%。至降雨结束时，浸润锋线已下移至隧道拱部，此时拱腰处含水率上升至25.48%，拱顶处上升至29.63%，而浸润锋线以下地层基本不受降雨影响。从含水率分布情况可以看出，由于地表起伏较大，雨水会向坡脚处汇聚，存在横向渗流的情况，导致隧道左侧含水率高于右侧。且随着降雨不断进行，降雨影响区范围不断扩大，但是增大部分主要为过渡区，地层饱和区范围增大不显著。
3.3.2 围岩侵限变形特征
图8为隧道断面变形侵限情况。由
图8可知，初支侵限一般发生在拱腰以上部分，边墙及仰拱处变形较小。隧道拱部变形存在比较严重的偏压现象，该断面地表呈左低右高分布，但是最大变形位于左拱肩处。这主要是因为左侧埋深较浅导致受降雨影响更大，左拱肩处围岩含水率明显高于右侧。而仰拱处围岩受降雨影响较小，因此变形基本呈对称分布，在降雨与隧道开挖行为的叠加影响下，隧道拱部变形严重，隧道已不具备继续开挖的条件。综合对比模拟结果与监测数据可以看出，二者变形趋势基本一致，数据吻合较好，最大误差为78 mm，位于隧道左拱肩处。说明该模拟方法可以较好地反映在非饱和渗流条件下隧道支护变形规律。
3.4 隧道初期支护侵限应急处置
为有效避免初支变形侵限现象继续发展与恶化，造成隧道掉拱、坍塌等事故，对隧道侵限段实施如下应急处置措施。
对于未受初支侵限影响的临近段落，仰拱向掌子面前推5 m，浇筑CH394+777—CH394+782段落；二次衬砌向前推进12 m，施作CH394+765—CH394+777段落；二次衬砌施作完成后不拆除模板台车，继续保持千斤顶持荷状态，以抑制围岩持续变形。
对于初支侵限段CH394+777—CH394+809，立即停止上台阶掌子面以及中下台阶施工，加强围岩量测。回填施加3根横向I18临时钢支撑，纵向间距2 m，边墙打设6 m长Φ89 mm大锁脚锚杆并带压注浆，拱顶径向注浆、超前小导管注浆、施作临时仰拱封闭成环等措施抑制围岩变形。由于侵限段部分段落中、下台阶已开挖，因此从洞外取土进行反压回填，在回填土上方设置3根竖向钢支撑。反压回填应与施加临时横撑、注浆加固等措施同时进行。
采取应急处置措施后，隧道各断面拱顶沉降得到了有效抑制，如
图9所示，至2023年2月23日，各断面拱顶沉降已逐渐趋于稳定。说明现场采取的措施可有效控制围岩变形，处置效果良好。
4 隧道初期支护换拱处置措施
4.1 初支侵限换拱必要性分析
隧道初支侵限段应急处置措施完成后，围岩变形已趋于稳定。但考虑到正值当地雨季，隧址区降雨量极大，围岩稳定性差，换拱施工风险较高，因此换拱方案暂时搁置。后经参建各方讨论，一致认为应在确保安全的前提下尽快开展换拱作业。结合马来西亚当地气候特点，换拱施工时间为2023年5月至2023年7月。
4.2 初支局部换拱方案
隧道初支大变形侵限段为CH394+777—CH394+809，共32 m。根据现场监测数据，各断面侵限程度不一，如果统一进行换拱施工，对工期影响较大，且长距离换拱存在较大的安全隐患。针对这一问题，现场决定采用“半凿除、半换拱”的局部换拱方案。
针对变形侵限程度不同采取不同的处置方式，如
图10所示。若将钢拱架下方混凝土保护层凿除后，初支结构不再侵限，如
图10（b）所示，则不进行换拱作业；若凿除后初支结构仍旧侵限，如
图10（c）所示，则对钢拱架进行拆除、更换。这种局部换拱方案不仅提高了侵限处置工作的效率，节省了资源投入，还减少了换拱距离，提高了施工的安全性。
换拱段为CH394+777—CH394+792、CH394+798—CH394+809两段，如
图11所示，施工步骤如
图12所示，换拱施工遵循“逐榀拆除、逐榀安装、逐榀支护”的原则，采用“先拆后接局部换拱”的方法进行施工。
1）径向注浆，侵限段注浆固结圈厚度不少于2.5 m，注浆向两侧各延伸3 m，起到加强二衬保护区域围岩固结作用。环向注浆范围为整个上台阶范围。
2）为防止换拱过程中出现小面积坍塌，换拱之前先对侵限段两侧二次衬砌进行施工，并在换拱段前部和尾部未侵限处各打设2根3.5 m长Φ25 mm 水泥砂浆锁脚锚杆，锁脚锚杆尾部加工成“L”形，与钢拱架焊接牢固，防止在施工过程中由于拱架周边土体压力造成掉拱等安全问题。
3）换拱拱架统一采用I20a拱架，拱架拆除沿隧道纵向由一侧向另一侧逐榀进行，本环侵限范围内拱架一次性拆除，采用人工手持风镐逐节段沿拱架两侧各10 cm凿矩形槽，切断连接钢筋和钢筋网片，使该节段拱架与初期支护完全剥离。随后凿除本节段拱架连接板处的喷射混凝土并拆除拱架连接板处的连接螺栓，完成该节段拱架拆除工作。
4）采用机械开挖及人工配合开挖方式开挖至设计开挖轮廓线，预留变形量15 cm，然后按照施工工艺要求初喷混凝土，重新安装钢筋网片和拱架，同时在新拱架连接板处打设2根锁脚锚管并与拱架焊接在一起，将拱架固定牢固。最后及时喷射混凝土封闭拱架，恢复初期支护原状。
按上述换拱方案，隧道于2023年7月23日完成全部换拱作业，现场实施过程如
图13所示。
4.3 侵限段换拱效果评价
换拱过程中，对隧道侵限段拱顶沉降以及周边收敛线进行了持续监测。因换拱段两侧二次衬砌均已施作完毕，且隧道已经贯通，因此换拱过程中围岩未出现较大变形。因此可以说明前期的应急处置方案效果良好，且在应急处置方案的基础上对侵限段隧道初期支护进行换拱具备可行性。
5 结论
以马来西亚马东铁路某隧道工程为依托，通过现场监测和数值模拟方法，对初支侵限产生原因、应急处置措施、换拱实施流程进行了分析，主要结论如下。
1）强降雨会导致表层岩土体快速饱和，浅埋隧道段隧道开挖施工扰动影响会和饱和区下方岩土体共同形成叠加影响过渡区，随着雨水不断向深层入渗，过渡区与饱和区的比值不断增大。且由于隧道左侧埋深较浅，受降雨影响更大，导致隧道拱部变形存在比较严重的偏压现象。
2）隧道发生初期支护变形侵限后，及时采取径向注浆加固、反压回填、施加临时横撑、施作临时仰拱及时封闭成环等应急处治措施，可有效抑制围岩变形的进一步发展，且为换拱方案的实施奠定良好的工程基础。
3）根据现场监测数据，隧道在应急处治措施以及临近段二衬施做完毕的基础上进行侵限段初支换拱施工，不会造成支护结构产生较大变形，完全具备可行性。但是换拱施工应当避开雨季，防止雨水频繁下渗造成安全风险。
4）根据隧道实际侵限程度制定的“局部凿除，局部换拱”的施工方案不仅提高了施工效率，还减少了换拱距离，提高了作业安全性。现场变形监测数据表明本隧道使用的换拱处置方案效果较好，安全性较高，可为热带雨林地区隧道工程围岩变形防治与处置提供指导。
京公网安备11010202008535号
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