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0 引言
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目前隧道工程受到人们的广泛关注，越来越多的隧道出现在高速公路、引水工程中，隧洞的复杂程度也越来越高，周围的地质情况也更加复杂（常舒等，2020；罗江等，2021）。当隧洞在穿越大量的复杂地质带时，往往会引起隧洞变形现象（邵珠山等，2021；苟玉轩等，2022）。隧洞出现变形、开裂往往会导致施工出现较大安全隐患，为防止施工事故，可根据隧洞围岩的变形机理，采取有效的施工措施，并通过合理的初期支护技术，强化施工安全 （李建林等，2022）。但是，对于复杂环境的隧洞，初期支护工作较为重要。随着施工的开展，通常会出现初期支护变形等现象，例如拱顶下沉等，会延长隧洞施工的工期。为此，对隧洞施工的初期支护变形开裂情况进行研究，可有效防止实际施工时发生的安全事故（陈丽俊等，2021；李响等，2022）。
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较多学者对隧洞初支变形问题进行了研究，孙龙等（2020）研究隧道初期支护下沉开裂问题，该研究不仅分析了施工过程中初支状态下的位移情况，还提出了有效的防治方法，但求得的位移量存在一定的误差，导致初支变形分析结果不够完善。于介等（2021）通过研究接触带空间位置对隧道初期支护变形的方法，分析了不同外围环境对初支进行干扰后，导致的支护变形情况，其分析结果较为精准，但该方法仅能够针对初支变形展开分析，并未分析到初支的开裂等问题。
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小断面引水隧洞是一种较小的工程，相对于大型引水工程，小断面引水隧洞的工程规模更小，且施工成本不高（刘毅等，2020），但是，这一隧洞的断面狭窄，由于地形条件复杂，施工困难（陈秋南等， 2020；吕超等，2022）。本文针对这一情况，研究小断面引水隧洞初期支护开裂变形施工技术，详细分析隧洞施工过程中存在的初支开裂与变形问题，并设计有效的初支优化方法。
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1 隧洞初期支护开裂变形问题研究
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1.1 工程概况
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本文对某地引黄工程交汾灵支线小断面引水隧洞初期支护开裂变形施工技术进行研究，对该工程进行初期支护。该工程支线长度为 51.25 km，目前正在施工的交汾灵支线 2#隧洞总长 17.5 km，共设置 4 个施工支洞，本次所研究的施工支洞为城门洞形，高3.2 m，宽3.6 m。
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研究的施工支洞穿过中奥淘统峰峰组上段灰岩、白垩岩，均为中硬岩，根据钻孔情况分析，岩石采样率相对较低，围岩工程主要以 IV 类或 V 类为主，围岩稳定性不高，同时，隧洞施工中出现突水的问题。隧洞施工采用钻孔爆破法、扒渣机搬运渣石、自卸车搬运，并对初期支护进行跟踪。
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1.2 初期支护施工技术
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本文研究的小断面引水隧洞洞口通过大管棚超前支护，管壁进洞，在洞内通过三台阶开挖法实现初期支护，即三台阶两侧边墙同步施工、仰拱初期支护快速封闭施工过程。具体施工过程如下：
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（1）按照该小断面引水隧洞围岩状态确定台阶长度与高度，其中，台阶长度限定在两倍洞径之内。
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（2）上台阶开挖支护：利用环形开挖预留核心土法，上台阶高度 4 m，施工时开挖边坡呈环形状，由两侧拱腰起挖。之后对拱部进行开挖，并采用混凝土喷射进行封闭（罗岗等，2022；谢金池等，2022； 叶志强等，2022），然后沿基面开挖，安装结构钢筋，并固定。
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（3）中台阶开挖支护。中台阶高度为 3.8 m，在施工时从边墙开挖，不留中间土，在每次开挖时根据围岩等级决定挖掘长度（胡天明等，2020；袁平等，2021；黄启贵等，2022），并通过机械进行挖掘，通过人工完成修边，防止超挖现象。当完成挖掘后，喷射混凝土进行封闭以及搭载结构钢筋等。
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（4）下台阶及仰拱开挖支护。设定下台阶及仰拱挖掘高度为3.6 m，一次完成挖掘，先由一侧进行挖掘，最后挖掘中间土，完成挖掘后装置结构钢筋。
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小断面引水隧洞初期支护的具体施工过程如图1 所示。根据初期支护的施工过程选择衬砌材料，其力学性能如表1所示（潘岳等，2022）。
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1.3 小断面引水隧洞初期支护载荷-结构模型构建
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小断面引水隧洞的开挖属于一个空间动态变化的过程，随着开挖面的增大，隧洞的围岩会不断受到干扰，导致围岩出现受力开裂变形。而开挖支护的施工过程，是指对围岩进行反复加、卸载的过程，通过初期支护可在一定程度上保障围岩的稳定性（盛晓杰和陆汉光，2021；丁向勇等，2022），所以，小断面引水隧洞初期开挖支护施工状态会受到不同的围岩压力与应力等条件的影响。为此，本文构建小断面引水隧洞的载荷-结构模型，通过该模型分析不同围岩压力对初期支护的影响。
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（1）模型设计
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由于小断面引水隧洞属于较长建筑，纵向尺寸较大，因此在计算隧洞时可取中间段隧洞，近似为平面方式进行计算。载荷-结构计算模型结构如图2所示。
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图1 小断面引水隧洞初期支护施工过程
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在构造小断面引水隧洞应力场时，结合本文研究的小断面引水隧洞现场测试情况，其竖向应力为 3.2 MPa，其水平应力为4.6 MPa。
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通过MIDAS/GTS有限元软件构建该模型，在模型设计过程中取竖向应力不变，依次输入不同侧压力系数，分别为 0.1、0.5、1. 0、1.5 以及 2. 0，分析不同侧压力条件下隧洞初期支护的位移与应力变化。
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（2）模型参数计算
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根据本文初期支护设计参数，选用 C25 喷射混凝土作为初支材料，假设钢架纵向间距为0.5 m，初支厚度存在 2 种形式，分别为（19，19，19）cm、（35， 11，11）cm，利用等效法，将结构钢筋的弹性模量转换为喷射混凝土，计算出转换后的混凝土弹性模量，即为初支后的混凝土弹模，通过公式（1）进行折算：
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图2 载荷-结构计算模型
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式（1）中，E 为初支后的混凝土弹模（GPa）；E0 为原混凝土弹模（GPa）；Sg为 H230格栅钢架截面积 （m2）；Eg 为钢架弹模（GPa）；SC 为混凝土截面积（m2）。
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2 试验分析
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为了分析不同侧压力系数、不同初支厚度和不同拱脚支护条件，对小断面引水隧洞初期支护开裂变形的影响情况，在2023年1月4日进行试验分析，分析结果如下：
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2.1 侧压力系数对初期支护的变形开裂影响
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（1）变形位移情况分析
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通过小断面引水隧洞初期支护载荷-结构模型依次加载不同侧压力系数，分析在不同侧压力系数下，隧洞初支部位拱顶、左拱腰、左边墙、左墙脚以及隧底的水平位移与竖向位移情况，具体分析结果如表2所示。
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在表2 中，水平位移的负号说明位移向洞外移出，而竖向位移的负号表示竖直向下，当数值越接近于 0，说明位移值越小。另据表2可知，小断面引水隧洞初支的拱顶与隧底的水平位移并未受到侧压力变化的影响，使得两者的水平位移值始终为0。而随着侧压力系数的增大，左拱腰、左墙脚以及左边墙的水平位移出现波动变化，其中，左边墙的水平位移最为严重。在侧压力系数为 0.5~1. 0 时，水平位移向洞内挤入，在 1. 0 时保持最小位移，在 1. 0 以后向洞外挤出，因此当侧压力系数 1. 0 以上发生的水平位移情况更为严重；随着侧压力系数的增加，每个初支位置的竖向位移竖直向上，全部由负数转变为正数，使得竖向位移逐渐升高。初支的每个位置在侧压力系数为 1. 0 时，水平位移值保持最小，而竖向位移会随着侧压力系数的增大逐渐提升。根据上述分析，左边墙的水平位移情况较为严重，而拱顶的竖向位移明显高于其他初支部位，因此，初支状态下左边墙与拱顶的位移情况较为明显，会对施工安全造成一定影响。
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（2）开裂情况分析
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针对不同侧压力系数，分析隧洞初支的拱顶、左拱腰、左边墙、左墙脚以及隧底的轴力、弯矩以及应力值变化情况，以此评估初支状态下的每个支护部位的开裂情况，具体分析结果如下。
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当隧洞支护部位受压时，轴力为压力，其指向截面的力，并通过负号的形式表示；在不考虑负号的情况下，当数值越大，说明支护部位受到的压力越大，通过轴力的分析，可有效获取向隧洞初支不同位置施加的压力情况。分析不同侧压力系数下隧洞初支不同位置的轴力值，其分析结果如表3、图3所示。
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由图表可知（表3，图3），当侧压力系数为 0.1 时，仅有隧洞初支的左边墙受压较大，而其他位置的轴力相对较小，但当侧压力系数逐渐增大后，不同初支位置的压力开始增大，施加给拱顶、左拱腰、左墙脚以及隧底的压力也会随之出现增长，其中，拱顶的轴力值也迅速增高，相较于其他初支部位，拱顶与左边墙受压程度较为严重。
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图3 隧洞初支不同位置轴力值分析
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弯矩是指隧洞受力截面上的一种内力矩，通过弯矩的研究可对隧洞初支不同位置的开裂情况展开分析，因此，本文测试隧洞初支每一位置在不同侧压力系数下的弯矩变化，分析结果如图4所示。
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根据图4可知，当侧压力系数不断增大，拱顶与左边墙的弯矩变化程度最为明显，而隧洞初支的左拱腰、左墙脚与隧底的弯矩变化幅度并不大，可以看出，在高侧压系数下，拱顶和左边墙弯矩的变化幅度很大，导致这两处更容易出现开裂现象。
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图4 隧洞弯矩分析
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应力是指隧洞初支不同位置所能承受的压力，分析隧洞各区域的应力值，分析结果如表4、图5 所示。
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图5 隧洞初支各位置应力值分析
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由图表可知（表4，图5），在侧压力系数为 2. 0 时，隧底的应力值始终保持最小，说明在较大侧压力系数下，隧底可承受较大压力，不容易出现变形开裂情况，而左边墙与拱顶的应力值相对较大，说明在较大的侧压力系数下，两者更容易遭到破坏。而侧压力系数为 0.1 时，隧洞初支各位置的应力值均保持在较小水平，说明当前初期支护的侧压力系数越小越容易堆砌，隧洞不容易发生开裂破坏。
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2.2 不同初支厚度对变形开裂的影响
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针对本文研究的三台阶开挖法进行初期支护，选取两种不同的支护厚度，分别为（19，19，19）cm、 （35，11，11）cm，第一种支护厚度喷射混凝土厚度均为 19 cm，通过 3 次喷射而成，第二种支护厚度在第一次喷射混凝土为 35 cm，第二次、第三次均为 11 cm。本文以安全系数为评估标准，分析在不同侧压力系数下，采用不同支护厚度对初支变形开裂的影响，其中，当安全系数越大，说明初支越不容易出现变形开裂现象，分析结果如表5所示。
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根据表5可知，支护厚度为（19，19，19）cm 情况下，隧洞初支每个位置在不同侧压力系数下的安全系数更高，说明每次均匀地喷涂更能够加强初支的安全性，而支护厚度为（35，11，11）cm的安全性系数相对较低，可以看出不均匀的混凝土喷涂并不适用于隧洞支护。同时，在不同支护厚度下，隧洞初支的左边墙始终保持较低的安全系数，当侧压力系数逐渐加大，会导致左边墙的安全性随之降低，更容易发生变形开裂风险。
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2.3 不同拱脚支护条件对隧洞的影响
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分析在初期支护过程中，拱脚仰拱闭合与未闭合情况下，对隧洞初支不同位置的影响，分析结果如表6所示。
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由表6可知，初期支护在仰拱未闭合情况下，隧洞初支每个位置的水平位移与竖向位移值相对较大，而在仰拱闭合后，每个位置的位移值均存在一定幅度的减小，因此，在进行初期支护施工时应尽量使仰拱闭合。
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3 初期支护施工优化技术
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为改善小断面引水隧洞初期支护的开裂变形情况，本文提出初期支护施工优化技术，对当前初期支护进行改善，具体内容如下。
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（1）在初期支护背后增添缓冲层：在小断面引水隧洞拱顶及边墙背后采用缓冲层施工工艺，在原初支的基础上，以土工布+高密度海绵为隧洞的缓冲层。通过增设缓冲层，可提升应力的释放空间，使得初支背后的围岩可以存在适量位移，保障混凝土存在更大的活动范围，通过这一形式，可以使隧洞在受力较大情况下也能够防止开裂现象，以此保证初支不被破坏。
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（2）加固支撑：针对位移变形较大的隧洞区域，采用复拱钢架支护，通过这一硬性支护强化支护稳定性。并通过纵向连接钢筋固定复拱，使复拱成为整体状态，以此加强复拱受力。
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（3）围岩径向注浆加固：本文对初支背部松散围岩进行注浆，避免初支变形严重。在进行注浆时，注浆口设置为孔深 300 mm 的梅花型，孔口管使用的是热轧无缝钢管。在围岩裂缝未发生情况下，注浆采用纯水泥浆。
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（4）置换扭曲失效钢架：当初支开裂变形严重并侵入隧洞其他空间时，需及时做出换拱处理，即换掉扭曲失效钢架。在换拱前，为避免振动导致再次变形开裂，需通过破碎锤敲除钢架周围喷砼。
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4 结论
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本文研究小断面引水隧洞初期支护开裂变形施工技术，设计隧洞初期支护方法，分析隧洞不同位置在初期支护下的开裂变形状态，并针对初期支护存在的不足进行优化，使隧洞初期支护效果更加完善，保障隧洞挖掘过程顺利进行。试验结果表明：
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（1）侧压力系数越大，隧洞左边墙与拱顶应力值越大，弯矩也越大，会导致左边墙的安全性随之降低，更容易发生变形开裂风险；
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（2）混凝土厚度越均匀，隧洞的安全系数越高，说明初支越不容易出现变形开裂现象，每次均匀地喷涂更能够加强初支的安全性；
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（3）仰拱在闭合情况下，每个位置的位移值均存在一定幅度的减小，减少隧洞不同初支位置的位移，隧洞更安全。
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未来可以此为基础，继续进行初期支护技术优化，使隧洞挖掘施工能够更安全。
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摘要
由于小断面引水隧洞开挖和初期支护施工过程易出现开裂变形，可能会引发隧洞结构的破坏，导致隧洞失稳甚至崩塌，给工人和设备带来危险，对周围环境和人员造成严重影响。为确保隧洞施工和使用安全，减少初期支护的开裂变形，降低后期维护和修复的成本，提高工程的经济效益，研究小断面引水隧洞初期支护开裂变形影响因素及施工技术优化方法。采用三台阶开挖法对某地引黄工程交汾灵支线小断面引水隧洞进行初期支护施工，初支的衬砌材料为C25混凝土与H230格栅钢架。按照隧洞初期支护情况，构建初期支护载荷-结构模型，依次输入不同侧压力系数，分析不同侧压力对初期支护造成的开裂变形影响。经试验验证：当侧压力系数为1. 0时，水平、竖向位移值最小；当初期支护每次喷射混凝土厚度更均匀时，隧洞的安全系数更高；仰拱在闭合状态下会减少隧洞不同初支位置的位移。针对初支存在的问题，通过加固支撑、围岩径向注浆等方式进行优化，可使初期支护更加稳定，研究结果能够减少初期支护的开裂变形，降低后期维护和修复的成本，提高工程的经济效益。
Abstract
Due to the easy occurrence of cracking and deformation during the excavation and initial support construction of small cross-section diversion tunnels， it may cause damage to the tunnel structure， leading to instability and even collapse of the tunnel， posing a danger to workers and equipment， and causing serious impacts on the surrounding environment and personnel. To ensure the safety of tunnel construction and use， reduce the cracking and deformation of initial support， reduce the cost of later maintenance and repair， and improve the economic benefits of the project， the influencing factors of the initial support crack and deformation of small section headrace tunnel and the optimization method of construction technology are studied. The three bench excavation method is used to carry out the initial support construction for the small section diversion tunnel of Jiaofenling Branch of the Yellow River Diversion Project. The lining materials for the initial support are C25 concrete and H230 grid steel frame. According to the initial support of the tunnel， the load structure model of the initial support is built， and different lateral pressure coefficients are input in turn to analyze the impact of different lateral pressures on the cracking deformation of the initial support. The test shows that when the lateral pressure coefficient is 1. 0， the horizontal and vertical displacement values are the minimum； when the thickness of shotcrete for initial support is more uniform each time， the safety factor of tunnel is higher； when the inverted arch is closed， it will reduce the displacement of different initial support positions of the tunnel. In view of the problems existing in the initial support， the initial support can be more stable by optimizing the reinforcement support and surrounding rock radial grouting， it can reduce the cracking and deformation of the initial support， reduce the cost of later maintenance and repair， and improve the economic benefits of the project.
