隧道軟弱圍巖的變形機理與施工對策

一、圍巖變形機理:

(一)軟弱圍巖

所謂的軟弱圍巖有兩種含意，一是構成隧道圍巖的礦物成分的硬度較低，常見于隧道進出口、淺埋段、強風化或全風化巖土等硬度較低的礦物巖石隧道中;二是構成隧道圍巖的礦物強度不勻，常見于夾層、破碎帶、斷層帶中或節(jié)理發(fā)育的巖層中。

(二)初始地應力

由于隧道開挖破壞了原有地層結構，打破了巖體原來的平衡狀態(tài)，產生應力重分布。所謂的初始地應力是指隧道開挖前，將要被挖除部分的巖體中存在的應力。這種應力一般由兩種力系構成，一是自重應力，一是構造應力。

(三)軟弱圍巖的變形理論

巖體的形變壓力(巖體變形產生的擠壓力)和松散壓力(巖塊墜落、滑移、坍塌所產生的重力)統(tǒng)稱為國圍壓力。按作用方向不同，圍巖壓力可分為垂直壓力和水平壓力。在硬巖層中圍巖水平壓力較小，可以忽略不計;但在松軟巖層中，圍巖的水平壓力較大。影響圍巖壓力的因素有巖土的重力、巖體的構造、地下水的分布、洞室的形狀和尺寸以及初始地應力。

1、圍巖壓力

圍巖壓力的確定方法:一是現場量測法，結果比較接近實際，但很難實施;二是理論估算法，因影響圍巖壓力的因素較多，準確度低。三是工程類比法(即圍巖分類法)，按圍巖分類規(guī)則由經驗公式估算圍巖壓力。目前最為常用的方法就是工程類比法。

巖石堅固系數分類法(普羅托吉雅柯諾夫法):

圍巖垂直壓力σz=γhl

圍巖水平壓力:洞室拱頂σH=γhltan2(π/4-ψ/2)

洞室拱底σH=γ(hl+h)tan2(π/4-ψ/2)

γ:圍巖容重;hl:普氏壓力拱的矢高;h:隧道毛洞的高度;ψ:土的內摩擦角，且有hl=al/f，其中al=a+h tan(π/4-ψ/2); f為巖石堅固性系數;a為隧道半寬。普氏理論適用于較松散、破碎地層，即適用于軟弱圍巖。

2、土壓力

在土層中施工隧道初期支護結構承受的土壓力可以用靜止土壓力公式:朗金(R ankine)土壓力計算公式、庫倫(Couloun)土壓力計算公式進行計算。

利用非線性有限元法解決粘塑性蠕變問題;離散元法解決破碎掉塊情況下的巖石穩(wěn)定問題。當軟弱圍巖如有地下水，則極不利圍巖的穩(wěn)定，在力學上出現流固耦合問題，它涉及到流體的許多性質。

二、工程對策:

(一)輔助施工措施

對軟弱圍巖區(qū)應首先采取切實有效的超前支護措施，如長管棚、超前小導管、超前錨桿、圍幕注漿、地表注漿固結等措施之后才能進行洞身開挖施工。

1、長管棚

長管棚是一種長距離超前支護方法，由于超前距離長、支護剛度大，非常適用于掌子面自穩(wěn)能力差的松散土層或上部有動荷載的土層段。通過管內壓漿使加固區(qū)形成環(huán)狀硬殼，與鋼管形成整體，能承受上部及前方土柱的巨大壓力，對防止軟弱圍巖初期松馳、土壓增大及土體塌落有良好效果。

2、超前小導管

其做用類似長管棚，雖然沒有長管棚的支護強度高，但更靈活，更便于實施，是超前支護施工中最常用工程措施。同鋼支撐相結合使用，效果更佳。最適合于裂隙發(fā)育的強卸荷圍巖、破碎帶等地段。

3、超前錨桿

超前錨桿對掌子面上方圍巖起錨固作用，是加固掌子面圍巖的一種工程措施。適用于裂隙較發(fā)育的硬巖隧道。

4、圍幕注漿

主要適用于地下水發(fā)育地段，可能會引起突水涌泥或地下水特別大時，可能造成地表水流失時。

5、地表注漿

淺埋地段，為預防地表沉陷、塌方通天而采取的一種工程措施。根據地質情況，砂性土、粘性土隧道采用劈裂注漿工藝施工，對碎石土，或破碎帶采用滲透注漿工藝施工。

(二)施工措施:

1、短開挖弱爆破

短進尺，指一次開挖的距離要短，以減少圍巖變形臨空面。在爆破時，要用淺眼、密眼，應用控制爆破技術，努力保護圍巖，降低爆破擾動層厚度，充分利用圍巖的自然成拱原理自穩(wěn)。

2、分部開挖

分部開挖法是將隧道全斷面分成幾個部分開挖的施工方法。常用的方法有雙側壁導坑法、中隔壁法、三臺階七部法等。

分部開挖因減少了每個開挖斷面的一次開挖跨度，能夠顯著增強坑道圍巖的相對穩(wěn)定性，且易于及時支護，因此適應于圍巖軟弱、破碎嚴重或設計斷面較大的隧道中。

3、早封閉

快、強支護:每步開挖后要及時進行初期支護，強初期支護為鋼支撐噴錨結構，盡快使鋼拱架閉合成環(huán)?？煲r砌:襯砌工作須緊跟開挖工作面進行，力求襯砌盡快成環(huán)。

三、工程實例

(一)粉質粘土、全風化正常斑巖隧道

向莆鐵路道德山隧道進口端(FDK522+565-FDK526+600)進洞后圍巖為粉質粘土，褐黃色，硬塑，下伏石英正常斑巖，肉紅色。全風化段，圍巖初經開挖時強度較高，用風鎬鑿都很困難，見圖4-1。遇水后圍巖強度迅速降低，用鍬就能挖動，見圖4-2;

隨著滲水量的增大，圍巖由可塑到流塑狀態(tài)，見圖4-3，掌子面不能自穩(wěn)，采用預留核心土和透水性材料反壓核心土，同時周邊安設排水管，引流一采用雙側壁導坑法開挖，鋼支撐和臨時鋼支撐錨噴支護，超前支護措施為大管棚和局部超前小導管順利通過，見圖4-4。

(二)凝灰?guī)r破碎帶隧道

向莆鐵路道德山隧道F5斷層范圍為英安質凝灰熔巖、凝灰?guī)r破碎帶，采用小導管超前4-5，采取三臺階七步法，輔以超前小導管安全通過，三臺階法第一臺開挖，見圖4-6。

(三)軟巖隧道

沙子埡隧道，工程區(qū)位于五峰背斜南翼，并緊鄰該背斜核部，工程區(qū)部位為單斜構造，巖層走向70°-80°，傾向sE，傾角30°-45°，隧道走向:257°15′1″。

從樁號K192+680至K193+506，巖質為粉砂質頁巖夾砂巖，少量碳質頁巖;局部結構面發(fā)育，有泥及碳質頁巖填充;巖石呈層片狀，有光澤，遇水軟化，用手極易扳斷，是典型的軟巖隧道。經圍巖量測，開挖后變形較大，拱部采取超前小導管和超前錨桿超前支護，加強初期支護為鋼支撐，臺階法短進尺開挖順利完成施工任務，見圖4-7上臺階開挖;和圖4-8鋼支撐施工。

(四)土夾石且大量涌水隧道

黑河塘水電站cⅡ一1標引水隧洞工程，0+830-1+250m為磨房溝過溝段，溝谷切割深，覆蓋層結構復雜，由冰川凍融泥石流堆積的含孤塊碎石土組成，巖體風化卸荷相對較強，完整性差，加之溝內常年流水，受溝水補內外排水相結合，并在枯水季節(jié)順利通過磨房溝。

四、施工注意事項:

(一)軟巖隧道施工應堅持”預支護、短開挖、少擾動、強支護、早封閉、實回填、嚴治水、勤量測”的原則。

(二)施工排水很重要:盡可能將隧道外之水攔截于隧道之外，洞內也要有組織引排水，防止圍巖因水的作用而軟化，防止在水的作用下軟弱夾層隨水流失，造成巖體松馳而塌方。

(三)長管棚施工注意管棚方向控制。超前小導管宜穿人鋼支撐施作。為保證注漿質量，在注漿管管尾焊球閥，注漿壓達到設計或停止注漿時將球閥關閉，再卸掉注漿管。

(四)做好起前地質預報:主要采取TSP超前地質預報、水平超前探孔、監(jiān)控量測、地質鉆探等手段獲得地質資料，指導施工。

五、結束語

軟巖隧道施工一直是隧道施工中的難點。本文通過對軟弱巖體變形理論的研究，采用工程類比法，有針對性地采取經濟有效的工程措施，最大限度地防止隧道塌方的發(fā)生。但是由于地質構造千差萬別，構造應力不易準確估計，影響圍巖壓力的因素很多，很難量化圍巖的受力情況，在運用上述施工對策的同時還必須進行監(jiān)控量測，根據量測結果分析變形情況適時調整支護參數，以正確指導隧道施工。