淺談隧道軟弱圍巖大變形的特征與處治措施

摘 要：通過(guò)對(duì)軟弱圍巖大變形控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀、形成機(jī)理、軟弱圍巖變形的特征進(jìn)行研究，提出了在隧道軟弱圍巖大變形控制中應(yīng)遵循“合理變形，剛?cè)嵯酀?jì)”的總體設(shè)計(jì)原則及實(shí)行“超前預(yù)加固，超短臺(tái)階開(kāi)挖，多重支護(hù)，加強(qiáng)二次襯砌，勤測(cè)量”的施工控制技術(shù)，對(duì)軟弱圍巖隧道的設(shè)計(jì)、施工具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：軟弱圍巖；大變形；長(zhǎng)錨桿

近年來(lái)，中國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迅速發(fā)展，地下空間的開(kāi)發(fā)利用正在向新的深度和廣度發(fā)展，許多具有長(zhǎng)、大、深、群特點(diǎn)的隧道工程紛紛上馬。隧道工程在穿越高地應(yīng)力區(qū)及軟弱圍巖體時(shí)，常產(chǎn)生軟弱圍巖大變形等地質(zhì)災(zāi)害，給工程建設(shè)造成了極大的困難。因此，探討軟弱圍巖大變形的特征與處治措施，對(duì)隧道工程的順利建設(shè)有重要意義。

1 圍巖大變形控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀

在隧道工程建設(shè)過(guò)程中，軟弱圍巖大變形對(duì)其產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。國(guó)內(nèi)外關(guān)于軟弱圍巖隧道施工技術(shù)的研究十分盛行，這些研究主要集中在：（1）變形原因、機(jī)制、變形特征、變形預(yù)測(cè)；支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及受力情況，支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用；大變形控制、防治措施，支護(hù)結(jié)構(gòu)，形式、施工工序等。（2）從大變形隧道的各個(gè)方面進(jìn)行研究。主要研究方面在高地應(yīng)力下大變形的施工控制、大變形的預(yù)測(cè)方法、產(chǎn)生變形的原因、特征、分級(jí)等。本文將從設(shè)計(jì)和施工兩方面對(duì)軟弱圍巖大變形進(jìn)行詳細(xì)、系統(tǒng)地闡述，分析國(guó)內(nèi)外對(duì)軟弱圍巖變形的對(duì)策，對(duì)軟弱圍巖隧道的設(shè)計(jì)、施工具有指導(dǎo)意義和參考意義。

1.1 變形的定義

目前大變形未有一個(gè)明確清晰的定義。理論上，研究者們注重或者側(cè)重某一類(lèi)型的大變形研究，系統(tǒng)研究很少。因而在工程實(shí)踐中，圍巖大變形至今未列入設(shè)計(jì)規(guī)范，導(dǎo)致勘察、設(shè)計(jì)、施工各方的認(rèn)識(shí)不一致。給施工處理造成了很大的難度。現(xiàn)階段各工程單位根據(jù)隧道施工規(guī)范要求及新奧法規(guī)定，單線(xiàn)隧道正常位移u<13cm，雙線(xiàn)隧道u<25cm，最大允許變形量為洞徑的3%。在隧道施工中，如果初期支護(hù)發(fā)生了大于25cm（單線(xiàn)隧道）和50cm（雙線(xiàn)隧道）的位移，則判定為大變形。

隧道圍巖大變形可以定義為：隧道及地下工程圍巖的一種具有累進(jìn)性和明顯時(shí)間效應(yīng)的塑性變形破壞，它既區(qū)別于巖爆運(yùn)動(dòng)脆性破壞，又區(qū)別于圍巖松動(dòng)圈中受限于一定結(jié)構(gòu)面控制的坍塌、滑動(dòng)等破壞。

1.2 大變形的形成類(lèi)型

按照圍巖變形的形成機(jī)制將圍巖大變形分為兩類(lèi)：一類(lèi)是開(kāi)挖形成的應(yīng)力重分布超過(guò)圍巖強(qiáng)度而發(fā)生的塑性變形，如果介質(zhì)變形緩慢，就屬于擠壓變形，擠壓變形主要發(fā)生在高地應(yīng)力區(qū)的斷層破碎帶或構(gòu)造帶；另一類(lèi)是巖石中某些礦物與水發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生的膨脹變形，膨脹變形主要發(fā)生在膨潤(rùn)土、板巖、千枚巖地段。主要是由于其本身性軟，遇水易軟化，具有一定的膨脹性。

何滿(mǎn)朝教授按照圍巖自身的特征性礦物、變形的破壞特征、力學(xué)作用等特點(diǎn)，將軟弱圍巖變形破壞機(jī)制分為與深部軟巖本身分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，與力源有關(guān)，與洞室結(jié)構(gòu)同巖體結(jié)構(gòu)面的組合特性有關(guān)的三個(gè)方面，將深部軟巖（深度大于500m）按變形力學(xué)機(jī)制歸為三類(lèi)，即物化膨脹類(lèi)、應(yīng)力擴(kuò)容類(lèi)和結(jié)構(gòu)變形類(lèi)。

陳宗基教授從圍巖的收斂變形機(jī)理將圍巖的大變形機(jī)制分為塑性楔體、流動(dòng)變形、圍巖膨脹、擴(kuò)容橈曲五類(lèi)。據(jù)國(guó)內(nèi)外隧道施工經(jīng)驗(yàn)，圍巖及初期支護(hù)產(chǎn)生的變形種類(lèi)主要有：膨脹變形、擠壓變形、松弛變形和高地應(yīng)力引起的軟弱圍巖變形。

2 軟弱圍巖大變形的特征

通過(guò)對(duì)烏鞘嶺隧道、印度海代爾引水隧道、奧地利阿爾貝格隧道、辛普倫隧道、家竹箐隧道等國(guó)內(nèi)外典型的大變形隧道實(shí)例歸納，得出大變形的基本特征：（1）發(fā)生大變形段，隧道埋深相對(duì)較深，圍巖的物質(zhì)條件為強(qiáng)度低的軟巖類(lèi)，在結(jié)構(gòu)上巖體具原生結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，這類(lèi)圍巖也包含了軟巖中具有膨脹性的巖石。（2）圍巖環(huán)境條件為不同程度地存在高地應(yīng)力問(wèn)題，由于圍巖強(qiáng)度低，形成了很高的應(yīng)力強(qiáng)度比。（3）地下水的存在，對(duì)軟巖的軟化作用在圍巖大變形中發(fā)揮很重要的作用，圍巖變形破壞的模式主要為塑性流動(dòng)、彎曲變形。（4）圍巖變形量較大，持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)，可以在開(kāi)挖或在隧道運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后發(fā)生。往往表現(xiàn)為初期支護(hù)破裂、鋼拱架扭曲，侵入隧道限界，二次混凝土襯砌的破裂和剝離、混凝土底板的折斷翹等。

3 軟弱圍巖大變形的處治技術(shù)措施

從上面講述的軟弱圍巖的形成機(jī)理與特征來(lái)看，軟弱圍巖大變形是一種危害程度大、整治費(fèi)用高的工程地質(zhì)災(zāi)害。所以我們應(yīng)該從設(shè)計(jì)和施工兩個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行控制與處治。

3.1 設(shè)計(jì)總體原則和理念

設(shè)計(jì)應(yīng)采用“優(yōu)化洞型，選擇合理斷面；措施得當(dāng)，控制變形；先柔后剛，以柔克剛；預(yù)留變形，謹(jǐn)防侵入凈空；封閉成環(huán)，防止局部變形過(guò)大”的總體設(shè)計(jì)原則，將“先柔后剛，以柔克剛”的設(shè)計(jì)理念貫穿于隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中去。即開(kāi)挖后先設(shè)置柔性支護(hù)，以便于圍巖釋放地應(yīng)力，從而發(fā)揮圍巖的自承作用，使圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)共同承受?chē)鷰r的荷載和變形，同時(shí)增加二襯強(qiáng)度，使二襯也可承受部分圍巖壓力。

3.1.1 優(yōu)化洞型，選擇合理斷面。在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，應(yīng)優(yōu)先采用馬蹄形曲墻仰拱襯砌斷面，后選擇橢圓形襯砌斷面，在可能發(fā)生大變形的高地應(yīng)力區(qū)，則優(yōu)先采用橢圓形襯砌斷面。

3.1.2 措施得當(dāng)，控制變形。高地應(yīng)力、地下水發(fā)育和軟弱圍巖是軟巖大變形的內(nèi)在因素。高地應(yīng)力和地下水發(fā)育的情況是無(wú)法改變的，但可以通過(guò)加固圍巖和允許適當(dāng)?shù)木植孔冃蔚却胧﹣?lái)控制軟巖的大變形。通過(guò)國(guó)內(nèi)外相關(guān)工程的類(lèi)比，長(zhǎng)錨桿是主動(dòng)控制軟巖大變形的重要手段。設(shè)計(jì)應(yīng)按照“錨桿打入圍巖松動(dòng)圈外穩(wěn)定層不少于2m”的原則確定錨桿的長(zhǎng)度，以形成合力的圍巖加固圈。同時(shí)雙層支護(hù)也是控制軟巖大變形的有效手段之一，設(shè)計(jì)按照“第一層錨桿承受絕大部分圍巖壓力和變形，第二層支護(hù)使圍巖趨于穩(wěn)定”的思想確定噴錨和型鋼參數(shù)，使二襯施作前圍巖初期支護(hù)體系處于穩(wěn)定狀態(tài)。此外，可采用可縮鋼架和噴鋼纖維混凝土等措施釋放局部變形，以達(dá)到控制整體變形的目的。

3.1.3 剛?cè)嵯酀?jì)。是指先施作柔性初期支護(hù)體系，再施作剛性二襯結(jié)構(gòu)，允許二襯承受適當(dāng)?shù)膰鷰r荷載或主要以錨噴網(wǎng)鋼筋砼、長(zhǎng)錨桿和型鋼鋼架等組合的柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖共同作用，承受?chē)鷰r釋放的絕大部分應(yīng)力和變形。

3.1.4 預(yù)留合理的變形量。在高地應(yīng)力和地下水發(fā)育的條件下，軟巖發(fā)生不同程度的大變形，確定開(kāi)挖輪廓線(xiàn)外必定要預(yù)留合理的變形量，以預(yù)防初期支護(hù)變形后侵入二襯凈空。同時(shí)，適當(dāng)?shù)念A(yù)留變形量可釋放地應(yīng)力，有效減少二襯承受的圍巖荷載。

3.1.5 封閉成環(huán)，防止局部變形過(guò)大。臨時(shí)仰拱應(yīng)緊跟掌子面，仰拱若不能和拱墻一起施作，也應(yīng)在拱墻施作后及時(shí)施作，不應(yīng)滯后過(guò)多。這樣可及時(shí)封閉成環(huán)，有效增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛度和受荷能力，防止局部變形過(guò)大。可使用圓順的環(huán)形或橢圓形結(jié)構(gòu)，有效優(yōu)化結(jié)構(gòu)的荷載分布，增加結(jié)構(gòu)的安全性。

3.2 施工原則與注意事項(xiàng)

隧道工程軟弱圍巖施工應(yīng)遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短開(kāi)挖、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、快襯砌、勤量測(cè)”的施工原則，及時(shí)對(duì)開(kāi)挖后的軟巖在應(yīng)力釋放一定程度后進(jìn)行支護(hù)。支護(hù)應(yīng)遵循“先放后抗、先柔后剛”的支護(hù)原則，才能既保證隧道結(jié)構(gòu)的安全，又確保圍巖不侵入凈空。在施工過(guò)程中應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

3.2.1 減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)。施工時(shí)應(yīng)盡量減少誘發(fā)圍巖變形的不利因素，控制圍巖變形的發(fā)展。具體可從兩方面進(jìn)行控制：一是嚴(yán)格控制爆破參數(shù)，采用減弱振動(dòng)控制爆破技術(shù)，可有效地減少爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)；二是嚴(yán)格控制循環(huán)進(jìn)尺，采用預(yù)支護(hù)或徑向注漿等輔助工法，對(duì)軟弱圍巖進(jìn)行超前預(yù)支護(hù)，加固破碎圍巖，約束圍巖的變形。

3.2.2 多重支護(hù)。先利用長(zhǎng)錨桿控制軟巖的大變形，再采用錨噴網(wǎng)柔性支護(hù)和工字鋼支撐（當(dāng)圍巖級(jí)別較差時(shí)，可進(jìn)行雙層錨噴和雙層支護(hù)）。在限制圍巖變形的同時(shí)允許釋放部分位移，以充分發(fā)揮圍巖自身的承載力。

3.2.3 超短臺(tái)階法開(kāi)挖。即上臺(tái)階不超過(guò)5m，下臺(tái)階距離仰拱不大于15m，上臺(tái)階距襯砌不超過(guò)50m，及時(shí)支護(hù)，可有效減緩圍巖變形速率，盡早封閉成環(huán)，可控制軟巖大變形。

3.2.4 加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)。對(duì)工序干擾、爆破等施工應(yīng)加強(qiáng)量測(cè)，防止突變產(chǎn)生塌方，同時(shí)通過(guò)量測(cè)情況指導(dǎo)施工。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）現(xiàn)行的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范對(duì)工程中遇到的軟巖大變形問(wèn)題指導(dǎo)意義有限，軟弱圍巖大變形是施工中遇到的特殊地質(zhì)問(wèn)題，不應(yīng)采用現(xiàn)行的圍巖級(jí)別進(jìn)行劃分，應(yīng)針對(duì)高地應(yīng)力、地下水發(fā)育的特點(diǎn)，基于擠壓流變效應(yīng)對(duì)大變形進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)分級(jí)和施工控制。（2）在軟弱圍巖隧道設(shè)計(jì)中，我們應(yīng)該堅(jiān)持“合理變形，剛?cè)嵯酀?jì)”的設(shè)計(jì)原則。（3）施工軟弱圍巖隧道應(yīng)實(shí)行“超前加固、超短臺(tái)階開(kāi)挖，多重支護(hù)、加強(qiáng)二次襯砌”的施工控制理念。（4）長(zhǎng)錨桿加固一般來(lái)說(shuō)錨固段越長(zhǎng)越好，但隧道施工中實(shí)際操作困難，不便于垂直巖面打進(jìn)，傾斜施作的效果、時(shí)效性值得研究。

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作者簡(jiǎn)介：李小林（1982- ），男，漢，湖南衡陽(yáng)人，工程師，主要從事巖土、鐵路等方面的設(shè)計(jì)和管理工作。