探析松散地層對隧道預(yù)支護工程影響

劉 永 行

(1.西安科技大學(xué)，陜西西安 710054; 2.延安大學(xué)基本建設(shè)處，陜西延安 716000)

在公路、鐵路和既有建筑物等結(jié)構(gòu)物下面修建公路、鐵路、地鐵，在軟弱地層或不良地質(zhì)條件下修建山嶺隧道等工程時，在目前的技術(shù)條件下多采用暗挖施工的方法。當隧道的覆蓋層較薄且地面荷載較大時，為了保持隧道掌子面、地表的穩(wěn)定、支撐荷載及防止隧道開挖面因崩塌而影響到地表的工程，一般采用超前支護的方法對開挖面前方的土體進行預(yù)加固。因此，探尋松散地層對隧道預(yù)支護工程影響，具有重要的理論意義和實際工程意義。

1 松散地層概述

1.1 松散地層的概念

松散地層是指粘結(jié)性差、強度低、易風(fēng)化、有時遇水膨脹、自穩(wěn)能力差的巖層，它具有破碎、軟弱、松散、膨脹、流變、強風(fēng)化蝕變等特點。國內(nèi)外學(xué)術(shù)上，對松散地層的認識存在差別，缺乏充分科學(xué)的統(tǒng)一的標準，但其特征都是相對于致密、堅硬、支護容易的巖體而言的松、散、軟、弱，為了本科學(xué)發(fā)展，有待于更深層次學(xué)術(shù)交流和名詞統(tǒng)一。

1.2 松散地層的判別和分類

松散地層是一種典型軟弱圍巖之一，節(jié)理和裂隙比較發(fā)育，巖體被切割得很破碎，結(jié)構(gòu)面對巖體的變形和破壞不起作用，其圍巖可分為工程軟巖和地質(zhì)軟巖。

依據(jù)圍巖的工程性質(zhì)主要是強度與變形兩個方面，從巖體結(jié)構(gòu)、巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、原始地應(yīng)力和地下水有關(guān)因素，可以判別兩者:工程軟巖是指在工程力作用下產(chǎn)生明顯塑性變形的工程巖體，主要強調(diào)軟巖強度和工程力荷載的關(guān)系，體現(xiàn)了軟巖的相對實質(zhì)，即取決于工程力和巖體強度的相對關(guān)系;而地質(zhì)軟巖是指強度低、膠結(jié)程度差、孔隙度大、受構(gòu)造面切割及風(fēng)化影響顯著或含有大量膨脹性粘土礦物的巖層，主要強調(diào)巖體或者土體的具體情況，形成原因。兩者并非對立的關(guān)系，在一定條件下，松散地層中的圍巖既可能屬于工程軟巖，又可能屬于地質(zhì)軟巖。

2 松散地層變形破壞的機理和力學(xué)性質(zhì)

2.1 松散地層變形破壞機理

松散地層中充斥著破碎的圍巖，其變形破壞的機理主要表現(xiàn)在以下方面:1)破碎圍巖由于自身結(jié)構(gòu)問題，其不能承受拉應(yīng)力，而且整體抗壓強度也很低，所以松散地層的隧道開挖后圍巖穩(wěn)定性很差，支護力度不夠，極易失穩(wěn)破壞;2)松散破碎圍巖的特征是裂隙發(fā)育較多，各種結(jié)構(gòu)面互相交織、隨機分布，而且無明顯方向性。在理論研究和局部工程實際問題中，運用實際復(fù)雜物體模型化將其近似看作是各向勻質(zhì)的連續(xù)體來對待;3)若將破碎巖體在局部近似看作連續(xù)體研究時，巖體的力學(xué)性質(zhì)總體上將會表現(xiàn)出一定的彈塑性特征，使其應(yīng)力引起巖體破壞、滑移后，并且隨著變形的發(fā)展保持一定的強度和強化特性。

松散地層圍巖破碎，其破壞機理是與其力學(xué)性質(zhì)有著緊密聯(lián)系的。隧道圍巖的破壞，主要由三方面引起:圍巖的卸荷回彈、應(yīng)力重分布和地下水的重分布。圍巖的變形破壞一般由隧道開挖部分開始逐漸向圍巖深處擴展，在一定深度范圍內(nèi)形成松動圈，同時圍巖中的應(yīng)力在這個過程中得以重分布，淺部圍巖應(yīng)力，高應(yīng)力區(qū)向圍巖深部轉(zhuǎn)移。在影響隧道圍巖變形破壞的諸多因素中，圍巖的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)是主要因素。如當圍巖較為堅硬時，其容易發(fā)生巖爆、塊體滑移和脆性開裂等。對于層狀巖體，破碎巖體，其又有著自身獨特的特點。

2.2 松散地層的預(yù)支護

2.2.1 松散地層的特征

根據(jù)對松散地層性質(zhì)和機理的分析，可以看出在這種地質(zhì)條件下進行隧道的開挖，需要在掌子面之前對巖體或者土體進行預(yù)支護，以保證施工中圍巖或土體的穩(wěn)定和施工的安全，是十分必要的。根據(jù)預(yù)支護對周圍地層的影響，地層改良法相對預(yù)支護加固法就是通過提高掌子面周圍巖體的物理特性來提高圍巖的強度和穩(wěn)定性的方法。這種方法主要有:圍巖加固、注漿、射流注漿、排水和地層凍結(jié)等方法。預(yù)支護加固法就是在隧道掌子面開挖前，先對圍巖進行超前支護，增加周圍巖體的強度和穩(wěn)定性，使開挖面周圍應(yīng)力盡可能不受隧道開挖的干擾，防止掌子面施工時圍巖參數(shù)降低過多發(fā)生意外的方法。

多年的隧道施工技術(shù)發(fā)展讓廣大工程技術(shù)人員看到，在巷道或隧道工程中，松散破碎圍巖的支護問題一直是一個技術(shù)難題，因為在實際工程中其有著各種不同的特征。

1)圍巖的變形量大，速度快，持續(xù)的時間長。2)在地質(zhì)條件復(fù)雜伴有粘土類軟弱物質(zhì)時，其表現(xiàn)為一定的粘性，且圍巖受力與變形速率有關(guān)。3)松散破碎圍巖在埋深較大時，由于其側(cè)壓力較大、圍巖裂隙大量發(fā)育、強度受各種結(jié)構(gòu)面影響較低，而綜合表現(xiàn)為彈塑性變形。4)圍巖的自穩(wěn)時間較短，應(yīng)力釋放快。松散地層的隧道自穩(wěn)時間僅為幾十分鐘到幾個小時，圍巖應(yīng)力釋放較快，所以一般要超前支護。5)圍巖四周來壓，底鼓明顯。在松散巖層中則是隧道四周都有來壓且底鼓明顯。松散巖層由于結(jié)構(gòu)較為疏松、強度低，所以難以支撐隧道頂部巖層的重量，圍巖在巖層自重的作用下，以垂直變形為主。6)當松散地層中具有各種軟弱面時，其變?yōu)榉沁B續(xù)介質(zhì)。隧道開挖后圍巖平衡狀態(tài)被破壞，導(dǎo)致圍巖中原有的軟弱面進一步發(fā)展，產(chǎn)生新裂隙，圍巖應(yīng)力重分布，這導(dǎo)致隧道支護后很長一段時間內(nèi)變形依然存在，給隧道施工和后期運營中的穩(wěn)定和安全造成了一定的危險和挑戰(zhàn)。

從松散地層的特征可以看出，對于這種地質(zhì)條件，應(yīng)從多方面入手進行控制以確保工程的安全，而預(yù)支護就是一種十分必要的而且有效的手段。

2.2.2 松散地層預(yù)支護

松散地層的預(yù)支護以常用的設(shè)計理論為基礎(chǔ)，分析了隧道圍巖自承力、支護抗力和圍巖原始內(nèi)力三者之間的力學(xué)關(guān)系，反映了隧道圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)體系在開挖與支護過程中的相互作用。隧道開挖后，洞周圍巖在徑向一定范圍內(nèi)應(yīng)力得到釋放，淺部圍巖應(yīng)力重分布，高應(yīng)力區(qū)向深部圍巖轉(zhuǎn)移。根據(jù)新奧法充分發(fā)揮圍巖自承能力的思想，圍巖預(yù)支護力由支護結(jié)構(gòu)體系的承載力和圍巖支撐力兩部分組成，即:

其中，F(xiàn)為預(yù)支護力，kN;T為支護體系施加的支護抗力，kN;P為圍巖自承力，kN。

由此看出，在松散地層中，圍巖較為松散破碎，變形較大，支護難度較高，如果一味依靠支護結(jié)構(gòu)體系的承載力來維持隧道的穩(wěn)定，不但支護能力有限，而且支護費用高效率低，故在這種地質(zhì)條件下的預(yù)支護應(yīng)充分發(fā)揮圍巖的自承能力。

不同條件的圍巖，其自承能力不同，對于松散地層的巖體，在預(yù)支護中應(yīng)充分考慮其破碎，承載力差的具體特點，支護結(jié)構(gòu)體系采用剛性支護，使圍巖壓力更多的由支護結(jié)構(gòu)體系來承擔，根據(jù)具體工程情況有限度地讓圍巖來分擔支護體系上的承載力。松散地層巖體的破壞具有圍巖松弛時間短等特點，所以支護要快速、提前，這體現(xiàn)了這種特殊的地質(zhì)條件下預(yù)支護的必要性。破碎圍巖自承能力差，隧道開挖后短時間之內(nèi)就可能發(fā)生很大變形，圍巖極限承載力也較低，容易發(fā)生冒頂，洞室坍塌等。

另外，松散地層的破碎圍巖經(jīng)過及時的預(yù)支護后，合理控制和保持初期預(yù)支護的強度十分重要。圍巖條件差，開挖后短時間內(nèi)應(yīng)力大量釋放，支護結(jié)構(gòu)上荷載較大，若支護結(jié)構(gòu)的承載力不能及時達到一定強度，會導(dǎo)致支護結(jié)構(gòu)體系變形。所以，對于松散地層的隧道，設(shè)計預(yù)支護時，要遵循初次支護強，二次襯砌做儲備的理念。

3 結(jié)語

對工程中常見的松散地層的概念、破壞機理和力學(xué)性能、變形特征和預(yù)支護方法進行了詳細分析和論述，由此可以得出以下結(jié)論:1)松散地層地質(zhì)條件較差，其破壞主要是由于其自身的地層構(gòu)造和圍巖的結(jié)構(gòu)特點導(dǎo)致的。地層中含有軟弱夾層，圍巖較為破碎，結(jié)構(gòu)面大量發(fā)育，整體強度低穩(wěn)定性差，是工程中較難支護的一種情況。2)松散地層有著其獨特的特征，主要是其圍巖自穩(wěn)時間短，應(yīng)力釋放速度快，變形量大，持續(xù)時間長，隧道四周均存在較大圍壓等。這些特點導(dǎo)致了其在工程中難以支護。3)根據(jù)對松散地層的分析可以看出，在這種地質(zhì)條件下，隧道開挖前預(yù)支護是十分有必要的，對提高圍巖強度、控制圍巖穩(wěn)定性、合理釋放圍巖壓力、有效減小圍巖中裂隙發(fā)展有著十分顯著的作用。4)在松散地層條件下預(yù)支護，要把握其強度低，松散破碎的主要特點，有針對性的提出支護方案，支護時間要早，初期支護要強。

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