軟弱圍巖隧道大變形施工控制技術(shù)分析

張康寧

摘 要：隨著近些年來我國交通行業(yè)的快速發(fā)展，隧道工程數(shù)量和規(guī)模都在快速增加，在隧道施工過程中不可避免的會遭遇到軟弱圍巖的情況，這種隧道的整體強(qiáng)度相對較低，非常容易發(fā)生大變形的問題，所以加強(qiáng)其施工技術(shù)水平，有效進(jìn)行施工控制是非常重要的。本文主要分析軟弱圍巖隧道大變形施工控制技術(shù)內(nèi)容，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)人士有所幫助。

關(guān)鍵詞：軟弱圍巖;隧道;施工控制

中圖分類號：U455.49 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）06-0095-02

0 引言

近些年來我國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅速，地下空間的開發(fā)利用正在向著深度和廣度的方向發(fā)展，很多具有大、長、深、廣特點(diǎn)的隧道工程的建設(shè)步伐都在加速。只要隧道工程在施工過程中遇到軟弱圍巖體時，極其容易遭遇到軟弱圍巖大變形等一系列的地質(zhì)災(zāi)害，對于整個工程的建設(shè)都造成了較大困擾。所以需要充分分析研究軟弱圍巖隧道施工的控制技術(shù)，這對于有效控制軟弱圍巖隧道大變形施工穩(wěn)定性、確保整個隧道工程的順利施工具有非?，F(xiàn)實(shí)的價值和意義。

1 軟弱圍巖隧道大變形工程（案例）概述

1.1 軟弱圍巖大變形的定義

從目前情況看，圍巖的大變形還沒有統(tǒng)一的定義。一方面某些學(xué)者以圍巖的變形是否超出初期支護(hù)的預(yù)留變形量來判定是否為大變形，就是指隧道在施工過程中若是初期支護(hù)出現(xiàn)了25cm（單線隧道）以及50cm（雙線隧道）以上的位移就可以認(rèn)為出現(xiàn)了大變形。另一方面某些學(xué)者認(rèn)為并不能從變形量的絕對值定義大變形，變形值只是大變形現(xiàn)象的外在表現(xiàn)，根本問題是受到剪應(yīng)力作用造成的巖體錯動以及斷裂分離破壞，巖體將向地下空洞方向產(chǎn)生壓擠推變形來定義大變形。

1.2 案例基本情況

某隧道工程位于我國東部偏西地區(qū)，最大埋深近1100m，隧道寬6.54m，高8.93m，全長近10000m。整個隧道都是通過具有仰拱的曲墻復(fù)合式襯砌以及噴錨進(jìn)行支護(hù)，并且都鋪設(shè)有彈性的整體道床（不包括進(jìn)出口位置）。此隧道的地層更多為石英云母片巖夾碳質(zhì)片巖，巖質(zhì)較為軟弱，巖層之間的結(jié)合性相對較差，比較容易發(fā)生剝落。破碎的圍巖大多是炭質(zhì)片巖（以IV、V級居多），這些巖質(zhì)均勻性較差，一旦遭遇水的侵蝕非常容易發(fā)生扭曲以及揉皺等情況。經(jīng)過探查可知，此隧道的圍巖大變形破壞出現(xiàn)在了炭質(zhì)片巖區(qū)域。

2 隧道軟弱圍巖大變形的基本特征分析

隧道軟弱圍巖發(fā)生大變形時不但具有一般性的分布規(guī)律，同時也具有自身的相應(yīng)特征，主要包括：

（1）掌子面前方的變形范圍相對較大。常規(guī)的硬質(zhì)圍巖掌子面前方的變形相對較小，但對于軟弱圍巖來說隨著掌子面變形會逐漸造成圍巖變形向著更深的部位擴(kuò)展。對于案例中的情況來說，IV級炭質(zhì)片巖施工過程中水平收斂總量達(dá)到了300-400mm，而拱頂下沉總值達(dá)到了150-200mm。同時V級炭質(zhì)片巖某些區(qū)域具有大量的地下水，造成變形量較大，某些位置的水平收斂變形量達(dá)到了1260mm;

（2）掌子面前方圍巖變形比例較大。常規(guī)的硬質(zhì)圍巖變形比例一般在20%之內(nèi)，但是軟弱圍巖變形比例超出30%，所以若對其控制不及時容易造成部分拱頂坍塌;

（3）變形的持續(xù)時間相對較長。軟弱圍巖的變形持續(xù)時間較長，開挖之后形成臨空面變形可能會達(dá)到幾個月時間，甚至某些區(qū)域施工二次襯砌之后還會出現(xiàn)變形;

（4）變形不夠均勻?qū)ΨQ。軟弱圍巖的隧道變形常常存在著左右不對稱的問題，初期支護(hù)工序完成后，會存在不同區(qū)段左右變形量不同的現(xiàn)象。在本案例中，水平收斂速度和累計變形量都超過了拱頂下沉（水平收斂變形在500mm，拱頂下沉在105mm），但是后期的拱頂下沉較為明顯（500-600mm），同時速度也較快（20-30mm/d）;

（5）蠕變以及突變性質(zhì)。完成初期支護(hù)的封閉之后，雖然變形在初始階段較為平緩，但是后續(xù)的相關(guān)施工工序會對圍巖的變形造成加速擾動，例如爆破產(chǎn)生的振動、仰拱開挖過程巖體的較大變化都會引發(fā)初期支護(hù)的失穩(wěn)而出現(xiàn)坍塌;

（6）重復(fù)性特點(diǎn)。對于軟弱圍巖隧道變形區(qū)域來說，為了控制變形情況需要拆換已經(jīng)變形的拱架，但是更換之后還會發(fā)生較大變形;

（7）圍巖一旦遇水就會軟化，增加變形量。炭質(zhì)片巖一旦遇水會發(fā)生軟化而表現(xiàn)為泥漿狀，強(qiáng)度比較低，特別是存在地下水的區(qū)域變形更大。

3 圍巖隧道大變形原因分析

炭質(zhì)片巖自身具備沿片理面蠕滑、軟質(zhì)巖流動性較強(qiáng)、構(gòu)造易破碎等特點(diǎn)，性質(zhì)較為特殊，這就意味著炭質(zhì)片巖的強(qiáng)度較低、易受振動等外界因素的影響，在地質(zhì)構(gòu)造的影響作用下，就會使得地層產(chǎn)生較強(qiáng)程度的扭曲揉皺，產(chǎn)生密集節(jié)理和順層摩擦鏡面，從而對巖體的整體性造成一定的破壞。另外，炭質(zhì)片巖分布范圍不勻，其流動性較強(qiáng)，再加上隧道工程的埋深較大、圍巖順層偏壓、部分圍巖節(jié)理裂隙切割破碎等，這些因素都會導(dǎo)致大變形問題的發(fā)生。

4 軟弱圍巖隧道大變形施工控制技術(shù)分析

4.1 基本控制措施

根據(jù)軟弱圍巖隧道實(shí)際的變形情況，可以通過以下措施進(jìn)行控制：首先，隧道大變形施工應(yīng)當(dāng)遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、快襯砌、勤量測”的基本原則;其次，根據(jù)“快速封閉成環(huán)、襯砌緊跟”這一基本方式來控制軟弱圍巖隧道大變形，這是軟弱圍巖隧道大變形施工控制的重點(diǎn);再次，對于III級以及IV級圍巖炭質(zhì)片巖區(qū)域來說，可以采取超短三臺階法對圍巖進(jìn)行控制，必須將二次襯砌與掌子面之間的距離控制在35m范圍內(nèi);最后，對于V級圍巖炭質(zhì)片巖區(qū)域來說，可以采取三臺階法+臨時仰拱法來控制大變形情況;第五，要根據(jù)圍巖的實(shí)際變化情況來對施工方法進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

4.2 具體施工控制

4.2.1 施工基本參數(shù)

根據(jù)此隧道炭質(zhì)片巖的基本特征，需要對其按照V級圍巖的情況進(jìn)行加強(qiáng)。具體施工時可以采用三臺階法進(jìn)行，在此過程中要對小導(dǎo)管超前支護(hù)進(jìn)行加密（20cm）。要保證小導(dǎo)管的尾部和鋼拱架焊接的牢固性，并且注漿要飽滿。初期支護(hù)為I25工字鋼，噴射砼30cm。在鋼架連接位置要設(shè)置至少4根鎖腳錨桿（Φ25，L=3.5m），同時要根據(jù)具體情況考慮是否有必要設(shè)置臨時仰拱。系統(tǒng)錨桿、鋼筋網(wǎng)以及二次襯砌等要根據(jù)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行施工。對于超挖位置可以通過二次襯砌同級砼進(jìn)行回填，并且在仰拱成環(huán)之后要按照具體變形量情況進(jìn)行二次襯砌。

4.2.2 具體施工控制措施

第一，加大預(yù)留的變形量（特別是水平收斂變形量），降低大變形的影響。正常情況下軟弱圍巖隧道的預(yù)留變形量在30cm左右。但是案例中的炭質(zhì)片巖隧道的變形比較嚴(yán)重，在沒有進(jìn)行二次襯砌時出現(xiàn)了較大的侵限情況，所以要加大預(yù)留的變形量。對于地質(zhì)均勻的區(qū)域來說，可以將兩側(cè)預(yù)留變形量控制在50cm左右，拱頂則要按照具體情況預(yù)留30-50cm;對于地質(zhì)不均勻的區(qū)域來說，可以一側(cè)預(yù)留70cm，另一側(cè)預(yù)留30cm。

第二，增加鋼拱架的強(qiáng)度，嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺。為了合理控制變形量，可以根據(jù)具體情況替換初期支護(hù)的鋼拱架的材料，用I25型鋼來替換初始階段的I20型鋼，能夠有效加強(qiáng)鋼拱架強(qiáng)度，減少變形量。要對V級圍巖的爆破打眼深度以及裝藥量進(jìn)行嚴(yán)格控制（打眼深度控制在1.2m左右，裝藥量控制在0.25kg），通過松動爆破的方式來緩解對于圍巖的擾動，同時控制每循環(huán)開挖進(jìn)尺在1m，并且要及時進(jìn)行砼的噴射，使得掌子面快速封閉。

第三，加強(qiáng)相應(yīng)的排水措施。由于炭質(zhì)片巖的巖體抗剪強(qiáng)度相對較低，以粉末狀的形態(tài)呈現(xiàn)，一旦遇水就會嚴(yán)重影響到圍巖的粘接力。受到巖體內(nèi)云母等滑動結(jié)理面的影響會降低圍巖的自持力，造成初期支護(hù)的圍巖壓力較大，所以需要通過有效的排水措施來避免圍巖粘接力的影響。可以在洞內(nèi)的上臺階初期支護(hù)的背后埋設(shè)鋼管引排，形成小型的集水坑，要在拱腳位置通過噴射砼回彈料形成排水溝進(jìn)行排水。

第四，對于拱腳進(jìn)行有效處理。原有拱部并沒有采取必要的鎖腳措施，可以對其進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)置必要的鎖腳小導(dǎo)管。但是對于炭質(zhì)片巖來說，受到材質(zhì)性能的影響，在成孔過程中非常容易坍塌，所以小導(dǎo)管搭設(shè)時非常困難。在具體操作時可以采用Φ25的自進(jìn)式中空錨桿來代替Φ42的小導(dǎo)管，這樣不但可以按照設(shè)計長度進(jìn)行施工，同時施作循環(huán)的時間能夠縮短。另外，隧道拱腳在出現(xiàn)部分的坍塌時，若是直接對虛碴進(jìn)行清理是非常容易發(fā)生二次失穩(wěn)的，所以需要及時通過沙袋堆碼來穩(wěn)定拱腳，之后進(jìn)行掛網(wǎng)噴錨，支護(hù)之后注漿固結(jié)來防止圍巖進(jìn)一步松動。對于隧道的某些滲水區(qū)域來說，設(shè)置集水坑之后占據(jù)了臨時仰拱的空間，這時可以在拱腳邊墻位置設(shè)置臨時性支墩，并且在支墩的底部位置設(shè)置Φ8的鋼筋來加大摩擦力。

第五，裝設(shè)臨時仰拱。臨時仰拱可以通過I25型鋼砼來進(jìn)行（間隔50cm），要和初期支護(hù)的型鋼進(jìn)行有效連接。另外，要在型鋼下部設(shè)置Φ8的鋼筋網(wǎng)，要有效控制網(wǎng)格的間距（20cm×20cm），同時要和型鋼進(jìn)行點(diǎn)焊連接，縱向可以采取相距50cm設(shè)置Φ22的螺絲鋼進(jìn)行連接。為了能夠減少循環(huán)時間，需要在臨時仰拱型鋼底部位置設(shè)置墊，并且完成灌注之后要在上面鋪設(shè)虛碴（一般在20-30cm厚）或者設(shè)置棧橋等設(shè)施，防止其受到較重載荷的影響而對結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞。

第六，實(shí)時監(jiān)控量測。在一般情況下，應(yīng)當(dāng)在圍巖及其初期支護(hù)變形處于穩(wěn)定狀態(tài)之后方可實(shí)施二次襯砌，但在本案例中，隧道炭質(zhì)片巖的變形情況比較特殊，所測數(shù)據(jù)的收斂形態(tài)幾乎為直線形，其變形量極大（日變形量大概在11-24mm這一范圍內(nèi)），有一些圍巖區(qū)域甚至還會在收斂一段時間后產(chǎn)生二次變形的情況。對硬巖而言，初期支護(hù)一旦出現(xiàn)變形，隨之而來的就是塌方問題，但炭質(zhì)片巖初期支護(hù)出現(xiàn)變形或扭曲問題后，可以采取相應(yīng)的加固措施來進(jìn)行補(bǔ)救，比如注漿等，雖然不能完全控制變形，但在一定程度上可以有效規(guī)避塌方問題。因此，普通的數(shù)據(jù)分析無法對炭質(zhì)片巖的隧道施工提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)指導(dǎo)，需要進(jìn)一步提高監(jiān)控量測水平。尤其是在爆破施工和干擾工序施工等關(guān)鍵施工環(huán)節(jié)，要加強(qiáng)計量監(jiān)測，以防出現(xiàn)因突變而造成的塌方問題。另外，必須根據(jù)量測的實(shí)際情況來對二次襯砌施工前的變形總量進(jìn)行控制，保證其與預(yù)留變形量相符。

5 結(jié)語

本文主要分析了隧道軟弱圍巖大變形的基本特征以及發(fā)生大變形的原因，在此基礎(chǔ)上分析了軟弱圍巖隧道大變形施工控制技術(shù)。通過本文的介紹能夠?qū)浫鯂鷰r隧道施工控制提供一定參考和幫助。

參考文獻(xiàn)

[1] 李中山.鐵路軟弱圍巖大變形隧道施工控制技術(shù)研究[J].工程技術(shù)研究，2018（12）：15-17.

[2] 張海勇.鐵路軟弱圍巖大變形隧道施工控制技術(shù)[J].交通世界，2018（11）：18-19.

[3] 高艷花.軟弱圍巖隧道大變形系統(tǒng)控制技術(shù)研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2018（07）：88-91.

[4] 漆國富.軟弱圍巖隧道大變形施工控制技術(shù)[J].公路與汽車，2010（01）：18-19.