軟弱圍巖隧道變形規(guī)律與施工要點分析

摘要：某鐵路隧道工程所處地層為粉砂質(zhì)泥砂巖和碳質(zhì)灰?guī)r，受斷層和古巖溶的影響，巖面會出現(xiàn)比較大的起伏。文章以實際工程為例，對軟弱圍巖隧道變形的基本規(guī)律進行了分析，根據(jù)施工現(xiàn)場得到的監(jiān)測信息，對支護參數(shù)和施工方案進行調(diào)整，保證隧道施工的順利開展，降低了施工成本。

關(guān)鍵詞：軟弱圍巖；隧道變形規(guī)律；施工要點；鐵路隧道工程；支護參數(shù)；施工方案 文獻標識碼：A

中圖分類號：U455 文章編號：1009-2374（2016）27-0115-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.27.054

1 案例介紹

某鐵路隧道工程所處地層為粉砂質(zhì)泥砂巖和碳質(zhì)灰?guī)r，兩套地層整體上呈角度不整合接觸。受斷層和古巖溶的影響，巖面會出現(xiàn)比較大的起伏，在255～288m標高兩套地層交錯位置巖溶溝發(fā)育，缺乏統(tǒng)一的交界面，溶溝中需要填充軟塑狀黏性土，圍巖中含水率比較高，地層比較軟弱。

2 軟弱圍巖隧道變形機理的有效分析

2.1 從巖體蠕變發(fā)展階段進行分析

2.1.1 初始蠕變階段，在此階段蠕變的實際速率會隨著時間的變化而出現(xiàn)下降，巖體以緩慢的速度向開挖空間移動，直到蠕變后期巖體蠕變會慢慢保持穩(wěn)定

狀態(tài)。

2.1.2 等速蠕變階段，巖體蠕變趨于穩(wěn)定后即達到等速蠕變過程，在此階段蠕變總量會持續(xù)增加，而且?guī)r體也會產(chǎn)生不同程度的裂縫現(xiàn)象。

2.1.3 加速蠕變階段，當巖體出現(xiàn)穩(wěn)定的擴展后即到達加速蠕變階段，這時巖體蠕變速率處于最大化狀態(tài)，而且?guī)r體內(nèi)的裂縫現(xiàn)象也會加劇，使圍巖的整體結(jié)構(gòu)被破壞。

2.2 從長期強度觀點層面進行分析

由于流變特性的影響使得軟弱圍巖的強度隨著時間的變化而出現(xiàn)下降趨勢。據(jù)相關(guān)報告顯示，圍巖強度與時間的關(guān)系曲線見圖1所示，從圖1中可明顯地看出隨著時間的變化圍巖強度在持續(xù)下降，當達到某一臨界時間時圍巖強度趨于穩(wěn)定狀態(tài)，從中也說明了圍巖的長期強度值是影響巷道圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。

巖體自身強度會隨著時間的變化而受到損害，再加之巖土體在蠕變過程中自身也會發(fā)生不同程度的變形現(xiàn)象，所以巖土體的蠕變損失主要取決于兩方面的因素：

2.2.1 變形損傷是指巖土體出現(xiàn)持續(xù)地變形而對自身結(jié)構(gòu)所造成的傷害。

2.2.2 時間損失效應(yīng)是指隨著時間的推移，巖土體出現(xiàn)的損傷程度。

2.3 從巖體能量釋放角度分析

按照巖石流變性特征，圍巖流變回彈能量與時間的變化關(guān)系如圖2所示。隧道開挖初期圍巖的回彈量最大，以后隨著時間的變化，回彈能量也呈現(xiàn)出下滑趨勢，當達到某一臨界時間后回彈能量趨于穩(wěn)定狀態(tài)，即為wf。

圍巖蠕變造成巖土層內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，隨著裂縫的不斷擴大造成圍巖強度降低。

3 軟弱圍巖變形控制工藝措施

3.1 超短臺階

借助超短臺階可減小初期支護閉合所需的時間，盡可能地減少支護結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象的發(fā)生。

3.2 核心土

按照施工掌子面的實際狀況對核心土的大小進行適當調(diào)整，而且已做出明確規(guī)定核心土的面積應(yīng)大于掌子面面積的一半之多。待掌子面穩(wěn)定到位后即可對兩側(cè)邊墻進行開挖。

3.3 超前支護

通常情況下超前支護有兩種方式：（1）超前小導(dǎo)管；（2）超前管棚。設(shè)置超前支護的目的在于對前方圍巖起到一定的保護作用，從而有利于后續(xù)施工的順利實施。

3.4 鎖腳

對于地基較為松軟的區(qū)域，重視鎖腳施工可大大增強地基的穩(wěn)定性。

3.5 墊塊、槽鋼

墊塊、槽鋼的功能與擴大基礎(chǔ)基本相同，它一方面可提高拱腳自身的承載力；另一方面也能盡量避免巖土層出現(xiàn)變形現(xiàn)象。

3.6 臨時仰拱（橫撐）

在施工中對極易變形的區(qū)域在處理中可采取閉合的方式進行有效施工，以增強結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，降低變形等不良現(xiàn)象的發(fā)生。

3.7 上下臺階均衡推進

在施工中作為管理人員應(yīng)做好協(xié)調(diào)與規(guī)劃工作，增強施工的成效性，為順利竣工做出一定的指導(dǎo)。

4 充分運用監(jiān)控量測方式，保障施工安全運行

4.1 測點的有效埋設(shè)

為了方便后期施工人員進行綜合比對分析，所選擇的測量點應(yīng)處于同點設(shè)置如圖3所示：

4.1.1 隧道洞內(nèi)水平收斂測點。與各洞室地表測點的布置方式相類似隧道上下臺階洞內(nèi)水平收斂測點也可采取相同的方式進行布設(shè)，測點加工時應(yīng)確保測點與儀器緊密接觸，并且要采取統(tǒng)一的編號，以便于后期檢查。為了避免人為因素所帶來的損害，施工人員可將測點設(shè)置在開挖面周圍一定距離內(nèi)，在進行下一階段開挖前需進行全面記錄，求出有效的數(shù)值進行分析。

4.1.2 拱頂下沉測點。拱頂下沉測點的位置與上臺階凈空收斂測點處在同一水平面上，在埋設(shè)時應(yīng)確保測點錨栓與圍巖支護處于穩(wěn)定狀態(tài)。測點應(yīng)與開挖面保持一定的距離，并做好細致、全面的記錄，待第二階段開挖完成后求其平均值。

4.1.3 應(yīng)力應(yīng)變量測。應(yīng)力應(yīng)變量測主要包含兩方面內(nèi)容：（1）圍巖與初期支護間壓力測試，在進行該方面測試時所選擇的斷面應(yīng)具有一定的典型性，而且在埋設(shè)時壓力盒應(yīng)與圍巖貼合緊密，并采取統(tǒng)一的編號模式，記錄下初始讀數(shù)；（2）支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力測試。

4.2 量測頻率與監(jiān)測頻率

按照施工相關(guān)要求，各類測點均應(yīng)設(shè)置在距離開挖面一定距離內(nèi)，而且要將兩次開挖數(shù)值進行準確記錄。監(jiān)測頻率也要做出嚴格的界定，比如前半個月為一次，以此類推。隨后根據(jù)監(jiān)測頻率的變化對施工過程進行必要的調(diào)整，以確保各個階段能順利實施。

4.3 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)整理及分析

Yk99+325水平收斂值及拱頂下沉值監(jiān)測斷面在2010年6月26日已埋設(shè)完成，所獲取的曲線見圖4所示。從圖4中可明顯地看出水平收斂與拱頂下沉均呈現(xiàn)出明顯的變化，當仰拱閉合后，變化幅度變小，待半個月以后基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。Yk99+325斷面拱頂下沉總沉降值為33cm，與設(shè)計要求不相吻合，因此根據(jù)相關(guān)要求對設(shè)計參數(shù)進行了必要的調(diào)整，對預(yù)留變形量進行增大處理，以避免隧道初期支護中不良現(xiàn)象的發(fā)生。

圍巖土壓力狀況直接關(guān)系著隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與否，通過圍巖土壓力狀況可以直觀地反映出開挖與支護中圍巖應(yīng)力場的實際分布情況。所獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖5所示。從圖5中可看出在前7天圍巖壓力呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢，而隨著時間的推移，圍巖壓力出現(xiàn)緩慢的增長，左拱腰部位是壓力值最大的區(qū)域，大約為0.5MPa。

工字鋼應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果表明：在前十天時工字鋼應(yīng)力出現(xiàn)顯著的變化，隨后工字鋼應(yīng)力變化幅度變緩，對拱頂、左右拱腰進行受力分析得知最危險的受力點部位是左拱腰部位。

5 結(jié)語

綜上所述，圍巖變形主要是因為圍巖流變屬性造成的，圍巖壓力、圍巖變形、二襯和初支之間產(chǎn)生的接觸壓力會不斷處于變化的狀態(tài)下，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力也產(chǎn)生變化，所以設(shè)計軟弱圍巖隧道支護結(jié)構(gòu)時，需要對圍巖流變作用進行考慮。本工程通過采取合理的隧道變形控制措施，保證了隧道施工的順利開展，降低了施工成本，提高了施工效率，具有一定的借鑒參考價值。

參考文獻

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[3] 關(guān)寶樹.隧道工程施工要點集[M].北京：人民交通 出版社，2003.

作者簡介：樊萬里（1983-），男，陜西咸陽人，中鐵二十局集團第四工程有限公司助理工程師，研究方向：工程測繪技術(shù)。

（責(zé)任編輯：小 燕）