關(guān)于軟巖隧道施工的技術(shù)探析

摘要：在隧道工程項目建設(shè)中，遇到軟弱圍巖，通常是施工組織者和技術(shù)人員感到持久壓力和傷腦筋的一件事。軟弱圍巖隧道通常被列為重難點(diǎn)控制工程，對工期、安全、質(zhì)量、投資均產(chǎn)生重大影響。如何根據(jù)工程實(shí)際拿出最佳方案，是攻克軟巖隧道施工的關(guān)鍵和前提。

關(guān)鍵詞：軟弱圍巖；控制原理；壓力探索；支護(hù)；意見

軟巖大都具有強(qiáng)度低、節(jié)理發(fā)育、孔隙度大、含水率高的特點(diǎn)。這種巖石遇水后強(qiáng)度顯著降低，甚至完全喪失。如果巖層中含有蒙脫石等吸水膨脹性很強(qiáng)的礦物質(zhì)，對圍巖的支護(hù)結(jié)構(gòu)將造成很大破壞。軟巖隧道礦壓顯現(xiàn)的特征為：受開挖后的圍巖應(yīng)力重分布影響，圍巖急劇變形，有的變形量高達(dá)數(shù)百毫米甚至更多，且變形時間持續(xù)較長，有時長達(dá)數(shù)年之久。此外，軟巖隧道的巖壓主要表現(xiàn)在拱頂、側(cè)向和周邊。來自拱頂和側(cè)向的變形，在初期支護(hù)體系中都有明顯的變形表現(xiàn)，比如噴射混凝土的剝落、開裂，相應(yīng)部位的鋼架扭曲變形等。來自四周的圍巖壓力，有時表現(xiàn)為底板強(qiáng)烈鼓起。當(dāng)然，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、撓曲褶皺、剪切錯動及膨脹性底鼓等多種形式。

一、隧道圍巖控制原理

在隧道的挖掘之前，任何圍巖均處于自平衡體系。受開挖影響，圍巖應(yīng)力、圍巖變形會成倍甚至近十倍地急劇增長，這種平衡被打破，地應(yīng)力將在這里進(jìn)行重新分布，以尋求新的平衡體系。而平衡體系能否形成，受到工程地質(zhì)狀況、初始應(yīng)力、洞室形狀和尺寸、施工方法和時間效應(yīng)、支護(hù)形式和剛度等多方面因素的影響。特別對軟弱圍巖來說，因其具有節(jié)理發(fā)育、破碎、結(jié)構(gòu)松散，圍堰強(qiáng)度低，自穩(wěn)性差的特點(diǎn)，在這種地質(zhì)中開挖后，隧道圍堰周邊將產(chǎn)生較大的松動圈，一旦工程措施和施工方法選擇不當(dāng)，極易造成初期支護(hù)的變形、侵限和塌方事故。因此，隧道開挖后，圍巖控制的核心是：正確掌握圍堰特性，及時有效的選擇支護(hù)方式，控制變形，防止塌方，是隧道圍巖控制的基本途徑。

二、隧道圍巖壓力探索

開挖引起隧道圍巖應(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。為了防止圍巖變形和破壞，需要對圍巖進(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）松動圍巖壓力。由于隧道開挖而松動或塌落的巖體，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，圍巖形成松動垮塌圈時，將導(dǎo)致松動圍巖壓力出現(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，圍巖位移擠壓支架而產(chǎn)生的壓力，稱為變形圍巖壓力，簡稱變形壓力。在“圍巖一支護(hù)”力學(xué)體系中，只要圍巖與支架相互作用，圍巖就會對支架施加變形壓力。彈性變形壓力是圍巖彈性變形時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)展具有明顯的時間效應(yīng)，塑性區(qū)不再擴(kuò)展時，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。因圍巖膨脹、崩解等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)動時對隧道支護(hù)體所產(chǎn)生的壓力。

三、軟巖隧道支護(hù)的探索

隧道圍巖的位移主要由三部分組成。掌子面前方的先行位移、掌子面擠出位移、掌子面后方位移，而我們在實(shí)際工程實(shí)踐中，量測到的實(shí)際上只是其中的掌子面后方位移，也就是其中的一個部分而已。變形已經(jīng)發(fā)生，支護(hù)的目的也就在于抑制這些位移的繼續(xù)發(fā)展，避免這些位移有可能形成的更大圍巖松弛圈。

1、正確掌握圍巖周邊的地質(zhì)情況

平行導(dǎo)坑、物探法、地質(zhì)素描、超前鉆探、地震波等方法都是了解周邊地質(zhì)情況的有效手段。特別是在遭遇地質(zhì)情況與設(shè)計不符或者接近斷層破碎帶時，尤其注意超前探測的重要性。

2、加強(qiáng)軟基的處理

在實(shí)際工程實(shí)踐中，我們經(jīng)常遇到的是，明洞或者洞口淺埋段，仰拱處地質(zhì)狀況不良，需要換填或者地基加固處理，來保證基礎(chǔ)的穩(wěn)固性。這種處理方法，其實(shí)類似路基工程的軟基處理。有旋噴樁法、注漿法等，主要依據(jù)地質(zhì)情況來選取合適的施工方法。

3、加強(qiáng)洞頂?shù)奶幚?/p>

現(xiàn)在的隧道修建，講求的是零仰坡進(jìn)洞，目的就是遵循保護(hù)植被的環(huán)保理念。大多數(shù)淺埋隧道的地表都需要預(yù)處理。特別是當(dāng)隧道將要穿越的線路上方為堆積層時，注漿基本是廣泛選擇的加固手段。在封閉地表的的情況下，通過水泥漿液向地表的滲透，來加固圍巖頂部松散體，確保下方的穿越隧道在施工中的安全。

4、洞內(nèi)施工中的支護(hù)

1）超前大管棚，在對于淺埋洞口進(jìn)洞、堆積體、沙土質(zhì)地質(zhì)、斷層破碎帶穿越，以及通過地表既有線路和建造物時，都有廣泛用途。2）超前加固，全斷面注漿或者局部注漿，對于富水?dāng)鄬拥貛?，能起到改善巖性，形成止水帷幕的效果。當(dāng)然，要做到這些，需要專業(yè)設(shè)備、專業(yè)設(shè)計和專業(yè)隊伍來完成。

3）拱腳加固，對于軟弱圍巖，拱腳的基礎(chǔ)承載力往往是不足的，不僅需要保證拱腳落在堅實(shí)的基礎(chǔ)之上，而且要針對拱腳承載力不足的特點(diǎn)，采取必要的補(bǔ)強(qiáng)措施。常采用注漿鎖腳錨桿、注漿鎖腳鋼管、混凝土墊塊、鋼管樁等，其原理就是通過增加拱腳的受力面積，減小作用在拱腳地基上的單位壓強(qiáng)，達(dá)到控制沉降的目的。

4）徑向加固，通常采取的系統(tǒng)錨桿、注漿小導(dǎo)管的形式。其作用原理是利用圍巖松動圈的原理，對松動圈范圍內(nèi)的圍巖進(jìn)行加固，補(bǔ)強(qiáng)圍巖的自承能力，起到抑制變形的作用。

5）剛度補(bǔ)強(qiáng)，對于軟弱圍巖來將，初期支護(hù)體系承受著較大的圍巖壓力，也出現(xiàn)不同的圍巖變形表象。比如，噴射混凝土表層剝落掉塊、鋼架的局部扭曲變形、噴射混凝土于鋼架接觸處的環(huán)形裂縫等等，都是初期支護(hù)體系的剛度不足表現(xiàn)。此時，可以采取增加型鋼型號，縮短拱架間距，增加連接筋等方法予以補(bǔ)強(qiáng)。

6）施工方法的及時調(diào)整，因地質(zhì)變化，有時需要及時的調(diào)整施工方法，比如掌子面的擠出位移較大，需要預(yù)留核心土或者施工掌子面錨桿等。

四、軟巖隧道支護(hù)的幾點(diǎn)建議

1、我國現(xiàn)有的隧道設(shè)計和工程變更，很大程度上依靠經(jīng)驗(yàn)在辦事。這不符合我國工程事業(yè)的發(fā)展，也不利于保證我國工程建設(shè)隊伍在國際環(huán)境中擁有較強(qiáng)的競爭力。筆者建議，開發(fā)形成實(shí)用的隧道施工過程的三維應(yīng)力變形場分析方法和數(shù)字仿真軟件，以形成適合不同圍巖在不良地質(zhì)條件下的安全快速施工方法。隧道施工，我們不僅需要必要的經(jīng)驗(yàn)積累，更需要采取此種方法的理論計算依據(jù)。

2、監(jiān)控量測是判斷圍巖穩(wěn)定性，指導(dǎo)軟弱圍巖施工最重要的信息化手段，應(yīng)高度重視，并大力推廣全站儀利用貼光片反射進(jìn)行測量的手段。筆者在工程實(shí)踐中，采用此種方法，收到了很好的效果。現(xiàn)階段，日本的隧道建設(shè)者，在隧道監(jiān)測方面，也大多采用此種方法。

3、應(yīng)高度重視科研在特殊地質(zhì)條件中的探索。項目建設(shè)者和業(yè)主，應(yīng)專門劃出必要的科研經(jīng)費(fèi)，支持理論研究的發(fā)展和進(jìn)步，以此來推動行業(yè)的進(jìn)步和創(chuàng)新。

4、應(yīng)高度重視隧道進(jìn)洞時的穩(wěn)定性問題。進(jìn)洞前，充分研究地質(zhì)構(gòu)造和巖性，重視護(hù)拱和仰拱及時封閉成環(huán)的作用，確保好開挖前后的力學(xué)平衡問題。

五、結(jié)論

我們在工程實(shí)踐中的地質(zhì)條件是復(fù)雜多變的，前期的地質(zhì)勘探結(jié)論也并不能將完整的地質(zhì)狀況呈現(xiàn)在我們面前，我們國家不缺建設(shè)，缺的是工程建設(shè)者和理論研究者的密切配合，共同努力，急需形成具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)，適應(yīng)各種地質(zhì)環(huán)境的各種先進(jìn)工藝和理論計算體系，才能讓我國的工程建設(shè)者們在世界上擁有更強(qiáng)的競爭力，走的更遠(yuǎn)。

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