隧道軟弱圍巖施工技術(shù)探索

孫正德

（中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北 三河 065200）

軟巖大都為強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)面發(fā)育、孔隙度大、含水率高為泥質(zhì)膠結(jié)的巖石。這種巖石浸水后強(qiáng)度顯著降低，甚至完全喪失，如果含有蒙脫石等礦物，吸水膨脹性很強(qiáng)。軟巖隧道礦壓顯現(xiàn)的特征為:掘巷期間應(yīng)力集中會(huì)引起隧道圍巖急劇變形，變形量往往高達(dá)數(shù)百毫米，持續(xù)時(shí)問長(zhǎng)達(dá)數(shù)十天到近百天。然后，持續(xù)不斷地流變，有時(shí)長(zhǎng)達(dá)數(shù)年之久。軟巖隧道在維護(hù)過程中，如果隧道支護(hù)損壞和失效.隧道附近掘巷和翻修，以及水的浸蝕等都會(huì)引起圍巖再次急劇變形，造成支架反復(fù)來壓和多次損壞的惡性循環(huán)。此外，軟巖隧道往往四周來壓.尤其是底板都出現(xiàn)強(qiáng)烈鼓起。底板巖層鼓入隧道的方式及其機(jī)理因隧道所處地質(zhì)條件、底板巖性和圍巖應(yīng)力狀態(tài)而異，有擠壓流動(dòng)、撓曲褶皺、剪切錯(cuò)動(dòng)及膨脹性底鼓等多種形式。

針對(duì)軟巖隧道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和特征，軟巖隧道支護(hù)的基本原則和措施應(yīng)為:不僅應(yīng)及時(shí)支護(hù)。而且應(yīng)有較高的初撐力和初期增阻速度，以及足夠的支護(hù)阻力。

在以變形壓力為主的軟巖中，隧道剛掘出時(shí)在巖體能保持自穩(wěn)的條件下，應(yīng)允許圍巖產(chǎn)生一定變形。以釋放能量.隧道支護(hù)在保持較大阻力的情況下，為了適應(yīng)圍巖的變形特點(diǎn)和減小變形壓力，應(yīng)采用具有一定柔性或可縮量的支護(hù)。

為了適應(yīng)軟巖隧道初期來壓快、變形強(qiáng)烈的特點(diǎn)，采用二次支護(hù)比一次支護(hù)更有利于隧道穩(wěn)定。采用圍巖加周與隧道支架并舉、加固先行的綜合支護(hù)技術(shù)?？沙浞职l(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力。不少礦區(qū)采用噴射混凝土和錨桿作為一次支護(hù).然后用U型鋼可縮性支架或混凝土弧板塊為永久支護(hù)，取得了良好效果。

底板是隧道支護(hù)的基礎(chǔ)，加強(qiáng)底板管理是提高軟巖隧道穩(wěn)定性的關(guān)鍵，尤其是遇水崩解和澎脹的粘土巖，及時(shí)封閉，防止脫水后又浸水，是控制底板強(qiáng)烈膨脹的恨本措施。現(xiàn)用加固底板防治底鼓的措施主要有:底板錨桿、底板注漿、封閉式支架以及混凝土反拱等.采用錨桿和注漿防治底鼓的效果與底板巖層的性質(zhì)、底鼓形式，以及施工工藝有密切關(guān)系。帶底拱的全斷面支護(hù)是我煤礦中常用的防治底鼓的有效措施。用卸壓法防治底鼓目前尚處于試驗(yàn)研究階段，底板松動(dòng)爆破后再注槳加固的卸壓-加固法是較有發(fā)展前景的方法。

支架架后充填可改善支架的受力狀況.顯著提高支架的承載能力.封閉圍巖，防止風(fēng)化和水浸蝕，是軟巖隧道支護(hù)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

此外，在含水量很大的巖層中還需采取預(yù)先疏干或排泄水的措施。

永久支護(hù)必須具備足夠的承載能力，防止水的浸蝕和支護(hù)失效引起的圍巖急劇變形，以及能承受在附近開掘或翻修隧道時(shí)引起的應(yīng)力擾動(dòng)，必須避免隧道支護(hù)屢遭玻壞和頻繁翻修的惡性循環(huán)。因此，軟巖和深井隧道支護(hù)必須進(jìn)行認(rèn)真的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)前應(yīng)掌握軟巖的屬性、圍巖壓力的類別。以及進(jìn)行圍巖變形的預(yù)測(cè)，支架一圍巖關(guān)系的分析等。在此基礎(chǔ)上正確選取能有效控制圍巖的支護(hù)型式、結(jié)構(gòu)、承載能力和可縮量等參數(shù)，以及施工工藝。在施工過程中要堅(jiān)持礦壓測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果。不斷調(diào)整支護(hù)參數(shù)，改善支護(hù)效果.實(shí)現(xiàn)永久支護(hù)后隧道基本上不再翻修。

1 隧道圍巖控制原理

降低隧道圍巖應(yīng)力。提高圍巖穩(wěn)定性以及合理選擇支護(hù)是隧道圍巖控制的基本途徑。挖掘引起的支承壓力不僅數(shù)倍于原巖應(yīng)力，而且影響范圍大。隧道受到挖掘影響后，圍巖應(yīng)力、圍巖變形會(huì)成倍甚至近十倍地急劇增長(zhǎng)，因此，隧道圍巖控制手段的實(shí)質(zhì)是如何利用隧道挖掘引起工程周圍巖體應(yīng)力重新分布的規(guī)律，正確選擇隧道布置和保護(hù)方法，使隧道位于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，從而減輕或避免挖掘引起的支承壓力的強(qiáng)烈影響，控制圍巖壓力。

2 隧道圍巖壓力探索

采掘活動(dòng)引起隧道圍巖應(yīng)力集中和重新分布，使隧道周邊巖體自穩(wěn)能力顯著降低，導(dǎo)致向隧道空間移動(dòng)。為了防止圍巖變形和破壞，需要對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)。這種因圍巖變形受阻而作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)物上的擠壓力或塌落巖石的重力，統(tǒng)稱為圍巖壓力。根據(jù)圍巖壓力的成因，可將其分為以下四種類型:

（1）松動(dòng)圍巖壓力。由于隧道開挖而松動(dòng)或塌落的巖體，以重力的形式直接作用于支架結(jié)構(gòu)物上的壓力，表現(xiàn)為松動(dòng)圍巖壓力載荷形式。如支護(hù)不能有效地控制圍巖變形的發(fā)展，圍巖形成松動(dòng)垮塌圈時(shí)，將導(dǎo)致松動(dòng)圍巖壓力出現(xiàn)，通常頂壓顯現(xiàn)嚴(yán)重。

（2）變形圍巖壓力。支護(hù)能控制圍巖變形的發(fā)展時(shí)，圍巖位移擠壓支架而產(chǎn)生的壓力，稱為變形圍巖壓力，簡(jiǎn)稱變形壓力。在“圍巖一支護(hù)”力學(xué)體系中，只要圍巖與支架相互作用，圍巖就會(huì)對(duì)支架施加變形壓力。彈性變形壓力是圍巖彈性變形時(shí)作用于支架上的壓力，彈性變形產(chǎn)生速度極快，變形量很小，對(duì)于圍巖、支護(hù)相互作用過程而言，實(shí)際意義不大。塑性變形壓力是由于圍巖的塑性變形和破裂，圍巖向隧道空間位移，使得支護(hù)結(jié)構(gòu)受到的壓力，是變形圍巖壓力的主要形式。

塑性變形的大小主要取決于隧道塑性區(qū)和破裂區(qū)的范圍。塑性區(qū)的擴(kuò)展具有明顯的時(shí)間效應(yīng)，塑性區(qū)不再擴(kuò)展時(shí)，圍巖變形速度下降而逐漸穩(wěn)定并趨于流變。

（3）膨脹圍巖壓力。圍巖膨脹、崩解體積增大而施加于支護(hù)上的壓力，稱為膨脹壓力。膨脹壓力與變形壓力的基本區(qū)別在于它是由吸水膨脹而引起的。從現(xiàn)象上看，膨脹壓力與變形壓力都屬于變形壓力范疇，但兩者的變形機(jī)制截然不同，前者是指與水發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，后者主要是圍巖應(yīng)力的結(jié)構(gòu)效應(yīng)。

（4）沖擊和撞擊圍巖壓力。沖擊圍巖壓力指圍巖積累了大量彈性變形能之后，突然釋放出來所產(chǎn)生的壓力;撞擊圍巖壓力是覆巖層劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)隧道支護(hù)體所產(chǎn)生的壓力。

3 軟巖大變形隧道的支護(hù)

3.1 剛性支護(hù):這種支護(hù)措施的核心是通過加大支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度來抵抗巨大的圍巖壓力;支護(hù)材料一般為鋼材或木材。辛普倫隧道、海帶爾電站引水隧洞等眾多地下工程的支護(hù)實(shí)踐表明，這種支護(hù)措施無論從技術(shù)上還是從經(jīng)濟(jì)上，都是欠合理的，現(xiàn)在已經(jīng)較少采用。

3.2 可縮支護(hù):這種支護(hù)的理論依據(jù)是，當(dāng)開挖引起的圍巖擴(kuò)容(剪脹或遇水膨脹)不可避免時(shí)，允許圍巖發(fā)生適度的變形，這樣可以降低作用于結(jié)構(gòu)上的支護(hù)壓力，從而減少超挖量并降低支護(hù)強(qiáng)度。根據(jù)Eurenius等(1981)的研究，如果讓粘土膨脹5%，支護(hù)壓力即可降低50%。具體措施是適當(dāng)超挖，在圍巖變形穩(wěn)定后再架設(shè)支護(hù)，更多的則是開挖后立即架設(shè)可縮的初期支護(hù)。支護(hù)方式一般為帶縱向伸縮縫的混凝土噴層并輔助以可縮式構(gòu)件支撐。

3.3 錨、注一體化圍巖加固一支護(hù)系統(tǒng):王夢(mèng)恕院士在他的中國(guó)隧道修建法中指出，圍巖開挖后及時(shí)施作錨噴支護(hù)是提高圍巖承載力的重要方法，決不允許過多的釋放，尋找最佳支護(hù)點(diǎn)的做法是錯(cuò)誤的；特長(zhǎng)、長(zhǎng)大隧道及重要地下工程必須采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)；初期支護(hù)是主要受力結(jié)構(gòu)，必須在穩(wěn)定后，方可進(jìn)行防水層及二次模筑混凝土襯砌；管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、緊封閉、勒測(cè)量是軟巖施工的基本方針。

結(jié)束語(yǔ)

目前，人們普遍采用的軟巖定義基本上可歸于地質(zhì)軟巖的范疇，按地質(zhì)學(xué)的巖性劃分，地質(zhì)軟巖是指強(qiáng)度低、孔隙度大、膠結(jié)程度差、受構(gòu)造面切割及風(fēng)化影響顯著或含有大量膨脹性黏土礦物的松、散、軟、弱巖層，該類巖石多為泥巖、頁(yè)巖、粉砂巖和泥質(zhì)礦巖，是天然形成的復(fù)雜的地質(zhì)介質(zhì)。

[1]郭健卿.軟巖控制理論與應(yīng)用[M].冶金工業(yè)出版社，2011.

[2]何滿潮.軟巖隧道工程概論[M].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1993.

[3]何滿潮.軟巖工程力學(xué)[M].科學(xué)出版社，2002.