雙三隧洞環(huán)境軟巖變形特性分析與施工預(yù)處理措施

崔健，李莉

（1.新疆天合環(huán)境技術(shù)咨詢有限公司，新疆烏魯木齊830063；2.新疆新水建設(shè)工程咨詢有限責(zé)任公司，新疆烏魯木齊830000）

1 工程概況

雙三軟巖隧洞全長26km，埋深90～130m，設(shè)計(jì)洞徑5.4m，縱坡1/5000。隧洞主要采用盾構(gòu)法掘進(jìn)施工（或鉆爆法施工）。

2 區(qū)域地質(zhì)

2.1 地形地貌

雙三軟巖隧洞位于準(zhǔn)噶爾盆地東部邊緣北塔山山前沖洪積平原區(qū)，總地勢(shì)由北高南低，東高西低，地形較平坦，海拔高程750～770m，相對(duì)高差5～20m，為干燥戈壁荒漠地貌。

2.2 地層巖性

雙三軟巖隧洞段通過的地層巖性主要為軟質(zhì)巖和松散層兩大類：

（1）侏羅系（J）礫巖、砂巖夾泥巖（樁號(hào)66+836～71+349m），其中：樁號(hào)66+836～68+062m段隧洞穿過的地層巖性為中侏羅統(tǒng)（J2）鈣質(zhì)膠結(jié)砂巖、礫巖，該段為Ⅳ類圍巖，長度1.23km；樁號(hào)68+062～71+349m段隧洞穿過的地層巖性為上侏羅統(tǒng)（J3）泥質(zhì)砂巖、泥炭質(zhì)粉砂巖夾鈣質(zhì)砂巖，該段為Ⅴ類圍巖，長度3.29km。

（2）白堊系（K）泥巖、砂巖（樁號(hào)71+349～79+209m），長度7.86km，為Ⅴ類圍巖。

（3）第三系(N)泥巖夾砂巖（樁號(hào)79+209～89+273m），長度10.064km，該段為Ⅴ類圍巖。

（4）第四系（Q3）含土角礫（樁號(hào)89+273～90+468m），長度1.195km，為Ⅴ類圍巖。

（5）第四系（Q3）含土角礫（樁號(hào)102+946～105+263），長度2.319km，為Ⅴ類圍巖。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

雙三軟巖隧洞段在區(qū)域構(gòu)造上受準(zhǔn)噶爾優(yōu)地槽褶皺帶的控制，斷裂構(gòu)造線的走向以290°～320°為主。沿線自西向東主要發(fā)育1條區(qū)域性大斷裂：紙房斷裂（f92），走向NW、傾角72°、破碎帶寬度30m，最寬100m，其次還發(fā)育有2條規(guī)模不等的次級(jí)斷層。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，雙三軟巖隧洞段通過的3條斷層破碎帶累計(jì)長度0.25km。

2.4 水文地質(zhì)條件

雙三軟巖隧洞段沿線無河流通過，區(qū)內(nèi)地表水貧乏，地下水主要接受北塔山冰雪融水補(bǔ)給，其次為大氣降水補(bǔ)給，北塔山鹽池是地下水排泄區(qū)。孔隙潛水主要分布于北塔山鹽池盆地的覆蓋層內(nèi)，水位埋深一般1～3m。下部基巖裂隙水一般高于洞頂40～70m，沒有統(tǒng)一的地下水位。由于當(dāng)?shù)卣舭l(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，地下水礦化度都高，并形成鹵水。

3 主要環(huán)境工程地質(zhì)問題

3.1 軟巖變形問題

雙三軟巖隧洞段中，泥巖具有一定的膨脹性，遇水軟化，砂巖遇水崩解，圍巖變形較大，自穩(wěn)能力差，尤其是在開挖過程中，當(dāng)遇到斷層、含水砂層時(shí)，施工風(fēng)險(xiǎn)較大。若初期支護(hù)與永久支護(hù)間隔過長，則會(huì)存在軟巖大變形問題，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生破壞。應(yīng)做好合理隧洞斷面預(yù)留變形量設(shè)計(jì)，防止變形侵占設(shè)計(jì)襯砌斷面。

3.2 外水壓力問題

雙三軟巖隧洞段附近有鹽湖聚集，且泥巖遇水軟化，砂巖遇水崩解，含土碎石透水性強(qiáng)。不同地層圍巖特性、滲透性不同，加之地下水位的差異，以及隧洞埋深的不同，則對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)的綜合外水作用也會(huì)有所差異，襯砌施工后外水滲流場(chǎng)對(duì)巖石及襯砌結(jié)構(gòu)將有較大的影響。因此，研究外水壓力對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和永久安全運(yùn)行有著重要的意義。

3.3 突涌水問題

雙三軟巖及含土碎石洞段，均處于地下水位以下，埋深大，含水率高，透水性強(qiáng)，開挖過程中可能會(huì)出現(xiàn)突涌水、突泥、流變現(xiàn)象，洞室穩(wěn)定性難以控制。隧洞突涌水是區(qū)域水文地質(zhì)條件與隧洞施工擾動(dòng)綜合作用的結(jié)果。隧洞開挖形成了自由排水面，原有地下水運(yùn)移系統(tǒng)的平衡狀態(tài)遭到破壞，不但導(dǎo)致滲流加速，也加劇了地下水對(duì)圍巖的改造作用。在滲流與圍巖的耦合作用下，易形成貫通的水流通道，誘發(fā)隧洞滲透型突水。因此，對(duì)隧洞突水機(jī)理分析，避免或減少施工過程中可能發(fā)生的突涌水災(zāi)害事故具有極大的指導(dǎo)作用。

4 軟巖變形特性試驗(yàn)及數(shù)值試驗(yàn)

4.1 軟巖軟化特性試驗(yàn)

為掌握各類軟巖在不同含水條件下的力學(xué)性質(zhì)和軟化特性：可采用單軸壓縮試驗(yàn)法測(cè)定軟巖抗壓強(qiáng)度，劈裂法測(cè)定軟巖抗拉強(qiáng)度，直剪法測(cè)定軟巖抗剪強(qiáng)度；還可采用德國DOLI公司EDC全數(shù)字伺服測(cè)控器、自平衡壓力儀、軸向和徑向變形引伸計(jì)等技術(shù)，并配合聲波檢測(cè)系統(tǒng)，可進(jìn)行復(fù)雜應(yīng)力條件下的單、三軸壓縮試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)、流變?cè)囼?yàn)和實(shí)時(shí)聲波檢測(cè)。通過統(tǒng)計(jì)擬合，可獲得不同巖性、不同含水率下軟巖力學(xué)性質(zhì)的軟化規(guī)律。

試樣采用圓柱形(?50mm×100mm)，根據(jù)巖性和位置選取6個(gè)斷面，每個(gè)斷面分5組試樣進(jìn)行不同巖性、不同含水率下的軟化特性試驗(yàn)（初始含水率下限、平均含水率下限、平均含水率、平均含水率上限、飽和含水率），每組11個(gè)試樣進(jìn)行（單軸壓縮、直剪試驗(yàn)、劈裂抗拉）試驗(yàn)。

含水率采用烘干法測(cè)量，天然含水率試樣應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)非爆破采集，且在采集和運(yùn)輸儲(chǔ)存制樣過程中，應(yīng)保持天然含水狀態(tài)。試樣飽水采用自然吸水飽和，即先將試樣放入水槽，注水至試樣高度的1/4處，以后每隔2h分別注水至試樣高度的1/2和3/4處，6h后全部浸沒試樣，試樣全部浸入在水中吸水一定時(shí)間后進(jìn)行試驗(yàn)。

4.2 軟巖耦合流變特性試驗(yàn)

軟巖耦合流變特性試驗(yàn)，可采用軟巖流變?cè)囼?yàn)儀或經(jīng)過改裝的三軸或單軸直剪儀上進(jìn)行蠕變或松弛試驗(yàn)，分析軟巖流變過程中的應(yīng)力—應(yīng)變、應(yīng)力—時(shí)間、應(yīng)變—時(shí)間全過程變化曲線，掌握軟巖的變形、強(qiáng)度以及破壞特征。軟巖破壞前后微觀結(jié)構(gòu)分析，擬采用CT掃描儀或SEM電鏡掃描進(jìn)行，了解破壞前后結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。

試樣采用圓柱形(?50mm×100mm)，根據(jù)巖性和位置選取6個(gè)斷面，每個(gè)斷面分2組（初始含水率下限、飽和含水率）進(jìn)行試驗(yàn)，每組6個(gè)試樣進(jìn)行單試樣圍壓（圍壓分別為0、1、2、4、8、16MPa）、軸向偏應(yīng)力分級(jí)加載的三軸軟巖流變特性試驗(yàn)。

確定加載應(yīng)力水平，待變形穩(wěn)定后進(jìn)行下級(jí)加載，保持恒定應(yīng)力為48h或72h，加載速率為0.37MPa/min。施加偏應(yīng)力階段，首先預(yù)加載試驗(yàn)機(jī)壓頭與試樣上端面接觸；其次施加分級(jí)偏應(yīng)力并保持恒定，測(cè)試應(yīng)變隨時(shí)間的改變；重復(fù)操作，直至試驗(yàn)產(chǎn)生流變破壞。由此歸納、總結(jié)出巖石流變力學(xué)特性。

4.3 軟巖隧洞變形機(jī)理與控制對(duì)策

根據(jù)上述巖性和位置選取6個(gè)斷面，進(jìn)行軟巖隧洞數(shù)值試驗(yàn)研究。首先對(duì)于軟巖隧洞的變形機(jī)理進(jìn)行研究，主要研究軟巖應(yīng)力釋放、變形、支護(hù)時(shí)機(jī)，分別對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響和相互關(guān)系。其次對(duì)盾構(gòu)法和鉆爆法適應(yīng)性和風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。最后分別對(duì)2種開挖方式下的支護(hù)體系提出建議。

對(duì)于盾構(gòu)法，各洞段段開挖洞徑、支護(hù)參數(shù)、支護(hù)時(shí)機(jī)、預(yù)留變形量、圍巖變形時(shí)效、塑性區(qū)開展、圍巖加固措施、管片技術(shù)參數(shù)（管片厚度、配筋、壁后注入材料、灌漿的時(shí)機(jī)）等提出建議。

對(duì)于鉆爆法，各洞段開挖洞徑、支護(hù)參數(shù)、支護(hù)時(shí)機(jī)、預(yù)留變形量、圍巖變形時(shí)效、塑性區(qū)開展、圍巖加固措施、襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)等提出建議。

4.4 軟巖隧洞滲流分析

滲流計(jì)算主要研究不同地層、不同巖性、不同滲透特性、不同水文條件下的滲流場(chǎng)，從而提出合理的外水折減系數(shù)及外水壓力，并對(duì)富水區(qū)輔助施工措施進(jìn)行建議。

滲流計(jì)算擬采用FLAC3D有限差分程序計(jì)算，具有強(qiáng)大的力學(xué)、滲流計(jì)算功能，內(nèi)置豐富的彈、塑性材料本構(gòu)模型，有靜力、動(dòng)力、蠕變、滲流、溫度5種計(jì)算模式，且各模式間可以相互耦合，以模擬各種復(fù)雜的工程力學(xué)問題。通過滲流分析，對(duì)隧洞不同水頭壓力下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)支護(hù)體系提出建議。

5 軟巖隧洞施工預(yù)處理措施

軟巖隧洞工程的建設(shè)關(guān)鍵是在于控制周邊圍巖的滲透水量、減小開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)、控制隧洞周邊圍巖及開挖工作面圍巖的變形、初期支護(hù)和及時(shí)封閉等。為此，可采用以下的工程措施：超前預(yù)報(bào)—超前支護(hù)—注漿防滲—開挖掘進(jìn)—聯(lián)合支護(hù)—監(jiān)控量測(cè)。

5.1 超前預(yù)報(bào)

通過超前預(yù)報(bào)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，預(yù)報(bào)掌子面前方不良地質(zhì)體的位置、產(chǎn)狀及其圍巖結(jié)構(gòu)的完整性與含水的可能性，為正確選擇開挖斷面、支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)和優(yōu)化施工方案提供依據(jù)，并為預(yù)防隧洞突涌水、突泥等可能形成的災(zāi)害性事故及時(shí)提供信息，使施工單位提前做好施工準(zhǔn)備，保證施工安全。因此，開挖前詳細(xì)了解和掌握地質(zhì)情況，對(duì)于隧洞建設(shè)有著十分重要的作用。

（1）水平鉆孔。在隧洞內(nèi)采用水平鉆進(jìn)，利用鉆孔巖芯、孔內(nèi)電視、聲波波速來探明掌子面前方50～120m范圍內(nèi)的圍巖條件、地下水富水性等，從而可掌握開挖面前方的地質(zhì)情況。鉆孔數(shù)量、角度及深度可視具體情況來確定。

（2）TST超前預(yù)報(bào)技術(shù)。通過可視化地震反射成像技術(shù)，可較準(zhǔn)確預(yù)報(bào)隧洞掌子面前方100～150m范圍內(nèi)的斷裂破碎帶、影響帶以及巖體工程類別變化等地質(zhì)對(duì)象的位置、規(guī)模和性質(zhì)。該方法充分運(yùn)用地震反射波、散射波的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，具有方向?yàn)V波功能、巖體波速掃描、地質(zhì)構(gòu)造方向掃描、速度偏移成像、吸收系數(shù)成像、走時(shí)反演成像等多種功能，從巖體的力學(xué)性質(zhì)、巖體完整性等多方面對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行綜合預(yù)報(bào)。

（3）三維激發(fā)極化超前探水技術(shù)。三維激發(fā)極化超前探水技術(shù)，是通過向掌子面前方供入電流來建立激發(fā)電場(chǎng)，含水體中的正負(fù)離子會(huì)發(fā)生反向擴(kuò)散遷移及恢復(fù)的過程而產(chǎn)生二次極化電場(chǎng)。激發(fā)電場(chǎng)關(guān)閉后，通過測(cè)量極化電場(chǎng)衰減時(shí)間和視電阻率來判斷探測(cè)區(qū)域電阻率的分布情況和含水體位置等信息。據(jù)此判斷掌子面前方一定范圍內(nèi)有無含水構(gòu)造。

5.2 超前支護(hù)

超前支護(hù)是保證隧洞工程開挖工作面穩(wěn)定而采取的超前于掌子面開挖的輔助措施。采用超前支護(hù)可有效地保障施工質(zhì)量和安全。

（1）超前錨桿或超前小鋼管，一般長3～5m，用于錨固前方圍巖，搭配鋼架施用。

（2）超前管棚，用于錨固前方圍巖，適用于特殊困難地段，搭配鋼架使用。管棚所用鋼管一般選用直徑70～180mm，壁厚4～8mm無縫鋼管，管節(jié)長度視具體情況而定。短管棚超前支護(hù)，采用長度小于10m小鋼管；長管棚超前支護(hù)，采用長度10～45m且較粗鋼管。

（3）超前注漿，是利用漿液把圍巖周圍的各種軟弱面充實(shí)、重新膠結(jié)起來，改善圍巖的物理力學(xué)性能，從而提高圍巖的整體穩(wěn)定性、抗?jié)B性和強(qiáng)度的有效方法。

超前小導(dǎo)管注漿，沿開挖外輪廓線向前以一定角度打入管壁帶有小孔的導(dǎo)管，且以一定壓力向管內(nèi)壓注起膠結(jié)作用的漿液，待其硬化后圍巖得到預(yù)加固。

超前深孔注漿，目的是加固地層、封堵水源，適用于特殊困難地段。其機(jī)理是依靠漿液壓力，將破碎圍巖或粘土層壓裂成縫用漿液充填、固結(jié)，通過壓密作用達(dá)到加固和堵水作用。

5.3 帷幕注漿

帷幕注漿是用液壓或氣壓將能凝固的漿液按設(shè)計(jì)的濃度通過特設(shè)的注漿鉆孔，壓送到規(guī)定的巖土層中，填補(bǔ)巖土體中的裂縫或孔隙，改善注漿圍巖的物理力學(xué)性能，從而提高圍巖的整體性、抗?jié)B性和強(qiáng)度，按其功能不同可分為防滲注漿和加固注漿。

對(duì)于富水段，應(yīng)采用超前探孔查明地下水涌水量、壓力大小、化學(xué)性質(zhì)及水溫等，在此基礎(chǔ)上決定注漿設(shè)計(jì)參數(shù)（注漿液的選用、注漿范圍、注漿壓力、配合比、膠凝時(shí)間、注漿量、注漿孔布置、注漿順序和注漿方式等）。

5.4 盾構(gòu)掘進(jìn)

雙三軟巖隧洞若采用盾構(gòu)法施工，則斷面為圓形，圓形管片支護(hù)后過流洞徑4.5m。該軟巖洞段埋深在90～130m之間，巖性為侏羅系礫巖、砂巖及泥巖；白堊系泥巖夾砂巖；第三系泥巖夾砂巖；第四系含土碎石，圍巖類別為Ⅳ-Ⅴ類。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中易發(fā)生塑性變形、突涌水、突泥、流變現(xiàn)象，洞室穩(wěn)定性難以控制。因此，應(yīng)選擇合理的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)械，是保證洞室圍巖的穩(wěn)定和支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全關(guān)鍵因素。

盾構(gòu)隧洞施工法：是指一邊控制開挖面及圍巖不發(fā)生坍塌失穩(wěn)，一邊進(jìn)行隧洞掘進(jìn)、出渣，并在機(jī)內(nèi)拼裝管片形成襯砌、實(shí)施壁后注漿，不擾動(dòng)圍巖而修筑隧洞的方法。由于盾構(gòu)一般使用于以土為圍巖的隧洞工程施工中，與巖石圍巖不同，土體不具有自穩(wěn)能力，所以保持開挖面穩(wěn)定的系統(tǒng)(盾)就非常重要。按平衡開挖面可分為：土壓平衡式、泥水平衡式等。雙三軟巖隧洞段侏羅系、白堊系泥及第三系地層適合于土壓平衡式盾構(gòu)；第四系含土碎石洞段適合于水壓平衡式盾構(gòu)。

5.5 鉆爆開挖

雙三軟巖隧洞若采用鉆爆法開挖，則斷面為馬蹄形，開挖洞徑5.4m，鋼筋混凝土襯砌過流洞徑4.2m。

（1）全斷面開挖法：是按照設(shè)計(jì)輪廓一次爆破成形，然后修建襯砌的施工方法。開挖斷面與作業(yè)空間大、干擾?。挥袟l件充分使用機(jī)械，減少人力，工序少，對(duì)圍巖擾動(dòng)少，有利于圍巖穩(wěn)定。該種方法主要適合于硬質(zhì)巖地層，對(duì)于雙三軟巖地層，圍巖易發(fā)生變形，因此需邊開挖邊襯砌，及時(shí)封閉仰拱。

（2）臺(tái)階開挖法：又有正臺(tái)階法和反臺(tái)階法之分。正臺(tái)階法系在穩(wěn)定性較差的巖層中施工時(shí)，將整個(gè)隧洞斷面分為幾層，由上向下分部開挖，每層開挖面的前后距離較小，而形成幾個(gè)正臺(tái)階；反臺(tái)階法則用于穩(wěn)定性較好的巖層中施工。

（3）環(huán)形開挖留核心土法。環(huán)形開挖進(jìn)尺宜為0.5～1.0m，核心土面積應(yīng)不小于整個(gè)斷面面積的50%。開挖后應(yīng)及時(shí)支護(hù)、掛網(wǎng)、噴錨施工，并增設(shè)鎖角錨桿。

（4）雙側(cè)壁導(dǎo)坑法一般將斷面分成4塊，左、右側(cè)壁導(dǎo)坑、上部核心土和下臺(tái)階。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工安全，但速度慢，成本較高。該方法主要適用于粘性土層、砂礫石層地層。

（5）交叉中隔壁法(CRD法)是將大斷面隧洞分成4個(gè)相對(duì)獨(dú)立的小洞室分部施工。CRD工法遵循“小分部、短臺(tái)階、短循環(huán)、快封閉、勤量測(cè)、強(qiáng)支護(hù)”的施工原則，自上而下，分塊成環(huán)，隨挖隨撐，及時(shí)做好初期支護(hù)。

5.6 爆破控制

隧洞開挖采用鉆爆法開挖,為保證開挖輪廓成型質(zhì)量,巖面平整,減少圍巖擾動(dòng),增強(qiáng)圍巖的自身穩(wěn)定能力,保護(hù)圍巖不被破壞,減小安全隱患，宜采用光面爆破。

光面爆破是通過調(diào)整周邊眼的各爆破參數(shù),使爆炸先沿各孔的中心邊線形成貫通破裂縫,然后內(nèi)圍巖體裂解,并向臨空面方向拋擲。這種爆破在圍巖中產(chǎn)生的裂縫較少,使爆破后的巖石表面能按設(shè)計(jì)輪廓線成型,表面較平順,超欠挖很少。光面爆破的成功主要取決于爆破參數(shù)的確定（周邊眼間距、光面層厚度、炮眼密集系數(shù)、炮眼深度、裝藥量、炮孔數(shù)量）。

光面爆破對(duì)圍巖擾動(dòng)小,圍巖壁面平整，又盡可能保存了圍巖自身原有的承載和穩(wěn)定能力,有利于襯砌結(jié)構(gòu)的受力狀況，為初期支護(hù)和二次襯砌縮短工期，節(jié)省投資。

5.7 監(jiān)控量測(cè)

雙三軟巖隧洞，泥巖具有一定的膨脹性，圍巖變形較大，自穩(wěn)能力差，尤其是在開挖過程中，當(dāng)遇到斷層、含水砂層時(shí)，施工安全風(fēng)險(xiǎn)較大。若初期支護(hù)與永久支護(hù)間隔過長，則會(huì)存在軟巖大變形問題，所以要做好變形監(jiān)控量測(cè)工作。隧洞內(nèi)監(jiān)控量測(cè)，主要是量測(cè)凈空收斂、拱頂下沉和圍巖變形以及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力等，通過變形速率和變形大小及支護(hù)受力來判斷隧洞是否處于安全狀態(tài)。主要采用下列方法：

收斂?jī)x：是利用機(jī)械傳遞位移的方法，將2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)間的相對(duì)位移轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)顯位移計(jì)的2次讀數(shù)差。

多點(diǎn)位移計(jì)：是由位移計(jì)組、位移傳遞桿及其保護(hù)管、減摩環(huán)、安裝支座、錨固頭等組成。適用于長期埋設(shè)在隧洞等結(jié)構(gòu)物內(nèi)，測(cè)量結(jié)構(gòu)物深層多部位的位移、沉降、應(yīng)變、滑移等。

鋼筋計(jì)：適用于長期埋設(shè)在水工結(jié)構(gòu)物或其它混凝土結(jié)構(gòu)物內(nèi)，測(cè)量結(jié)構(gòu)物內(nèi)部的鋼筋應(yīng)力。加裝配套附件可組成錨桿測(cè)力計(jì)、基巖應(yīng)力計(jì)等測(cè)量應(yīng)力的儀器。