淺析軟弱圍巖隧道施工質(zhì)量問題及應(yīng)對措施

李克晶

摘要：為了保障公路的平穩(wěn)性，越來越多的穿山公路選擇了隧道施工的方式來進(jìn)行設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，而受到我國地質(zhì)條件的限制，大部分山體隧道存在圍巖地質(zhì)條件偏軟等現(xiàn)象。在這樣的背景下，如果不在施工工藝及其質(zhì)量保障方面提出并執(zhí)行一整套計劃及對策，容易對施工過程或者后續(xù)的公路使用造成嚴(yán)重的安全隱患。本文針對軟弱圍巖隧道的施工條件對其具體的施工技術(shù)及其質(zhì)量保障進(jìn)行分析，希望通過本文的探討能夠?yàn)榻窈蟮南嚓P(guān)科研與施工提供一些有益的幫助。

關(guān)鍵詞：軟弱圍巖隧道；施工質(zhì)量；存在問題；對策

一、引言

隧道的開通是現(xiàn)代交通尤其是城市間高速交通的重要保障，同時在降低社會運(yùn)輸成本、降低運(yùn)輸時間、提高運(yùn)力方面有著突出的功效。而我國大部分地區(qū)，尤其是丘陵山區(qū)的山體隧道往往存在圍巖軟弱等地質(zhì)特征；在這種背景下，圍巖自身無法支撐隧道墻體的穩(wěn)定性，容易出現(xiàn)變形、塌方等事故，嚴(yán)重的影響了施工安全以及后續(xù)隧道的使用安全。本文以軟弱圍巖地質(zhì)特征為基礎(chǔ)討論該種地質(zhì)條件下的隧道施工容易出現(xiàn)的施工質(zhì)量問題，并結(jié)合問題產(chǎn)生的根本原因?qū)尚械膶Σ哌M(jìn)行分析。

二、軟弱圍巖地質(zhì)特征

軟弱圍巖主要是按照隧道圍巖的地質(zhì)特征來進(jìn)行命名的，其巖石構(gòu)造主要為硬度較低、松散度較高的巖石類型組合而成，其地質(zhì)特種主要分為如下幾個方面：

第一，巖體強(qiáng)度低。軟弱圍巖的巖石強(qiáng)度一般情況下不超過30MPa，并多由松散的軟巖或軟質(zhì)巖組成。在施工的過程中往往通過單軸飽和抗壓方法來進(jìn)行測定。此種松散的軟巖結(jié)構(gòu)無法對其上部的山體應(yīng)力形成良好的支撐，同時也無法形成隧道頂部的粘合作用。甚至在部分特定地質(zhì)條件下，受到人為擾動的軟弱圍巖會與水體結(jié)合成具有流動性的類流體，進(jìn)一步加劇了隧道施工過程中的安全隱患。

第二，巖體破碎。在地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域，將巖體條紋結(jié)構(gòu)破壞率超過30%的巖石稱之為碎巖。而軟弱圍巖中存在大量的碎巖。就碎巖形成的原因?qū)W術(shù)界有多種說法，其中頻繁的地質(zhì)運(yùn)動是主要的解釋原因。當(dāng)圍巖中存在大量碎巖的情況下，碎巖間距是圍巖運(yùn)動性產(chǎn)生的根本原因。此外，由于碎巖間的應(yīng)力體系被阻斷，進(jìn)而會形成大規(guī)模的脫落情況，嚴(yán)重的會造成一定程度的塌方。

第三，賦存環(huán)境差。由于碎巖以及巖體強(qiáng)度等因素的影響，軟弱圍巖的含水量往往超出其他巖體。有研究表明碎巖比例每增加1%則含水量增加1.8%；軟弱圍巖的總體含水量往往在32-45%之間。此種含水量在受到人為擾動時，會存在一定的聚集現(xiàn)象，進(jìn)而在隧道內(nèi)部產(chǎn)生塌方，涌水等安全事故。

三、軟弱圍巖隧道施工質(zhì)量存在的問題

由于軟弱圍巖的特征條件不滿足隧道直接施工的要求，因此我們需要對其施工過程中可能存在的問題進(jìn)行分析。從安全施工與質(zhì)量保障的角度來說，施工過程中存在的問題主要分為變形、塌方與滲水等三個方面：

變形方面：在隧道施工的過程中，周圍軟弱圍巖受到人為擾動較大，其在外力干預(yù)下會產(chǎn)生一定的形變。其過程主要分為彈性形變、蠕變等兩個重要過程。在此階段中以隧道挖掘后時間為變化橫軸。從施工的角度來看待形變，其在施工過程中為負(fù)形變（以垂直向下為正方向），形變量一般在30-50mm之間，此階段的形變變化為彈性形變。而在隧道掘進(jìn)后的3d內(nèi)，彈性形變逐步恢復(fù)，并形成向下的形變增量。其變化量往往在500-150mm之間，增長比例與掘進(jìn)期間相比在150%左右，當(dāng)隧道施工完成后，隨著時間的推移，此種彈性形變逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿鋭有巫儯诖诉^程中形變速度放緩，但形變方向更為復(fù)雜。除了上述的垂直方向形變之外，還會存在部分水平蠕動，此階段對隧道施工安全性的影響最大。

塌方方面：由于彈性形變以及蠕動形變的存在，使得軟弱圍巖間應(yīng)力作用更小，進(jìn)而產(chǎn)生小范圍脫離顯現(xiàn)。此種現(xiàn)象在施工層面被定義為塌方，而塌方現(xiàn)象的存在不僅影響隧道的施工進(jìn)度，更容易造成安全事故。有研究表明當(dāng)軟弱圍巖隧道施工過程中，脫離當(dāng)量超過1000kg的脫落與塌方頻率為0.54次/m，這是施工安全保障的重要環(huán)節(jié)。

滲水方面：軟弱圍巖巖石間距較大，同時，此種地質(zhì)條件的形成也往往是由于距離山體表面較近。在這樣的背景下，不僅碎巖間含水量超過一般地質(zhì)條件，且地表的下滲水對圍巖滲水的影響也是十分顯著的。因此，滲水也是此種施工條件下的主要問題之一。此種問題具有一定的隱蔽性，當(dāng)?shù)乇恚ㄉ襟w表面）含水量較低時，圍巖含水量在正常范圍之內(nèi)（10%-15%）；而當(dāng)?shù)乇泶嬖趶搅鲿r，則圍巖含水量急劇增加，部分區(qū)域能夠達(dá)到70%以上。此種顯現(xiàn)不加以處理的話會嚴(yán)重的影響隧道的使用安全與使用壽命。

四、軟弱圍巖隧道施工對策分析

為了解決上述三方面問題，并切實(shí)的提高軟弱圍巖隧道施工的質(zhì)量，我們需要從如下幾個方面入手對施工方法進(jìn)行優(yōu)化：

4.1 掘進(jìn)方式優(yōu)化

當(dāng)面對軟弱圍巖條件時，要適當(dāng)?shù)恼{(diào)整施工的掘進(jìn)方式，來確保施工的安全性。在具體的對策方面可以分為掘進(jìn)方式的改變以及封閉方式的改變兩個層面。

首先，采用兩臺法與預(yù)留法相結(jié)合的掘進(jìn)方式，并降低單次的挖掘量，以環(huán)形單次掘進(jìn)的方式代替重復(fù)爆破挖掘的方式，進(jìn)一步降低人為擾動的頻次與強(qiáng)度。其次，對開挖步距進(jìn)行控制，降低步距幅度50%左右，并在環(huán)頂挖掘完畢后進(jìn)行及時的封閉。根據(jù)上文的研究我們發(fā)現(xiàn)，彈性形變是造成后續(xù)巖石脫離的主要因素，而此過程往往發(fā)生在挖掘后的3d之內(nèi)，在施工過程中封閉施工時間保障在3d內(nèi)完成能夠有效的降低由于彈性形變而產(chǎn)生的安全隱患。最后，環(huán)形挖掘過程中的弧頂角度是軟弱圍巖穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，在實(shí)際的施工過程中需要根據(jù)地質(zhì)測量結(jié)果對弧頂進(jìn)行具體的規(guī)劃。以單軸承壓能力測試為主要依據(jù)，以30MPa為分界點(diǎn)，當(dāng)硬度降低1MPa時，環(huán)頂弧度增加0.3°。

4.2 支護(hù)方式優(yōu)化

在支護(hù)方面的優(yōu)化主要以提前支護(hù)與深度支護(hù)兩個方面。所謂的提前支護(hù)是指在支護(hù)施工過程中應(yīng)該與掘進(jìn)中的封閉相結(jié)合，采用同時施工，同時完工的方式來進(jìn)行。此種施工安排能夠有效的增加支護(hù)的力度，同時從軟弱圍巖動態(tài)變形的角度來考慮，掘進(jìn)后的1-3d之內(nèi)是變形貢獻(xiàn)最大的時期，在該時期內(nèi)進(jìn)行的支護(hù)施工最為有效。在具體的支護(hù)施工方面可以選擇超前支護(hù)與注漿相結(jié)合的方式來進(jìn)行。在支護(hù)深度方面則主要是指實(shí)際施工過程應(yīng)該加強(qiáng)支護(hù)的剛度，除了上述的要求之外，還需要對支護(hù)類型進(jìn)行優(yōu)化。采用S4b符合襯砌的方式是一種有效手段。有研究表明此種支護(hù)方式與傳統(tǒng)支護(hù)相比，提供的支撐比例能夠提高約45%左右。另外，在支護(hù)過程中也需要考慮防滲問題。建議使用防滲與引流相結(jié)合的方式來進(jìn)行。引流通道的修建尺寸需要在3cm以內(nèi)，而間隔則不應(yīng)該超過3m。

4.3 施工管理優(yōu)化

為了達(dá)到較好的施工效果與質(zhì)量，在完成了上述的施工方案優(yōu)化的基礎(chǔ)上，應(yīng)該對具體的施工管理進(jìn)行細(xì)化。具體做法可以從如下兩點(diǎn)來進(jìn)行：第一，引入現(xiàn)場檢測與評價機(jī)制，對施工后的隧道圍巖動態(tài)進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)控，并用應(yīng)力模型與動態(tài)分布來表征施工質(zhì)量。對于存在施工問題與隱患的工段進(jìn)行加固處理；第二，對現(xiàn)場的施工予以嚴(yán)格監(jiān)理，如注漿的配比、原料的檢驗(yàn)等。做到上述幾點(diǎn)才能夠有效的保障軟弱圍巖隧道施工的安全性與質(zhì)量。

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