隧道軟弱圍巖大變形的分析與處治

鄭寰宇 梁露 黃春龍

摘要：文章闡述了圍巖大變形的概念，介紹了圍巖的變形機(jī)制和變形規(guī)律，分析了圍巖大變形的成因，并針對軟弱圍巖掌子面前方變形、掌子面擠出變形和掌子面后方變形情況，總結(jié)提出了與之相對應(yīng)的處治措施，為今后隧道穿越軟弱圍巖施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞：軟弱圍巖;大變形;處治

This article describes the concept of large deformation of surrounding rock，introduces the deformation mechanism and deformation law of surrounding rock，analyzes the causes of large deformation of surrounding rock，and then，regarding the deformation in front of the work face of weak surrounding rock，the extrusion deformation of work face，and the deformation behind the work face，it summarizes and proposes the corresponding treatment measures，thus providing the reference for the construction of tunnel passing through the weak surrounding rock.

Weak surrounding rock;Large deformation;Treatment

0 引言

隨著近幾年國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通建設(shè)不斷向山區(qū)延伸，隧道大規(guī)模修建，隧道穿越軟弱圍巖的情況越來越多。由于軟弱圍巖地質(zhì)的復(fù)雜性及不良性，隧道在軟弱圍巖施工時，常常會出現(xiàn)因隧道圍巖變形量大、變形速率快導(dǎo)致隧道初期支護(hù)變形侵限，甚至發(fā)生坍塌的情況。一旦發(fā)生此類情況，將嚴(yán)重拖延隧道施工工期，且其處治難度大、處理風(fēng)險高、處理費(fèi)用高昂。在隧道建設(shè)中，如何處治軟弱圍巖大變形值得我們研究和探討。本文通過分析圍巖的變形機(jī)制、變形規(guī)律和大變形成因，總結(jié)提出了對應(yīng)軟弱圍巖隧道掌子面前方、掌子面擠出及掌子面后方等變形的一系列處治措施。

1 大變形定義

圍巖變形是指隧道周邊巖體變形，大變形是相對正常變形而言的，指超過了圍巖的正常變形而致使支護(hù)破壞或者侵限的變形。在隧道開挖后，由于受力狀態(tài)的變化，圍巖都會產(chǎn)生一定的變化，在公路隧道設(shè)計(jì)中，均根據(jù)各類圍巖和新奧法復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，制定了相應(yīng)的初期支護(hù)預(yù)留變形量以解決隧道施工中圍巖的正常變形。但有時隧道圍巖的變形量超過了常規(guī)的初期支護(hù)預(yù)留變形量，造成初期支護(hù)變形、損壞、侵限，甚至是坍塌，這一類的變形稱為大變形。

2 變形機(jī)制

隧道圍巖變形機(jī)制主要由材料變形與結(jié)構(gòu)變形兩個方面組成。其中材料變形包括彈性變形、塑性變形、黏性變形等;而結(jié)構(gòu)變形包括結(jié)構(gòu)面的張開或閉合與滑動變形、層狀圍巖的彎曲變形、塊狀圍巖的滾動變形、土砂圍巖的擠密或松弛變形、軟弱夾層的擠出變形等。其中，塑性變形、黏性變形及結(jié)構(gòu)變形是軟弱圍巖的主要變形。

3 變形規(guī)律

隧道開挖后，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力的調(diào)整，而應(yīng)力的調(diào)整引起圍巖同時出現(xiàn)了掌子面前方、掌子面擠出和掌子面后方等三種位移。掌子面前方先行位移的位移值及位移范圍與圍巖條件相關(guān)，圍巖越差，位移值和位移范圍越大。一般條件下，產(chǎn)生位移的范圍為1.0～1.5倍隧道跨徑，位移值占總位移的20%～30%，軟弱圍巖甚至能達(dá)到50%以上;掌子面在隧道開挖過程中，也會出現(xiàn)掌子面擠出變形;掌子面后方的位移在初始階段位移速度和位移量值都比較大，一般在距掌子面1～2倍隧道跨度處位移基本收斂，軟弱圍巖中該收斂距離會更長。

4 大變形成因

隧道施工過程中，軟弱圍巖產(chǎn)生大變形的原因主要有：圍巖的特性、地應(yīng)力條件、地下水影響、施工和設(shè)計(jì)因素等幾個方面。軟弱圍巖開挖后，由于其強(qiáng)度低，具有一定膨脹性或不利的構(gòu)造條件，容易松弛而發(fā)生塑性變形，這是大變形的基本條件。隧道開挖后，初始應(yīng)力狀態(tài)調(diào)整，受高地應(yīng)力作用，軟弱圍巖屈服、破壞是大變形的重要原因。地下水的軟化、崩解作用使巖石強(qiáng)度、巖體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面間摩擦系數(shù)大大降低，加劇了軟弱圍巖的塑性變形。在設(shè)計(jì)和施工方面，斷面形狀受力不合理、爆破擾動、初期支護(hù)強(qiáng)度不足、初期支護(hù)封閉時間滯后等情況也將會導(dǎo)致出現(xiàn)大變形。

5 大變形處治

隧道軟弱圍巖大變形的處治關(guān)鍵是控制掌子面前方變形、掌子面擠出變形和掌子面后方變形的發(fā)展，通過科學(xué)的開挖方法和合理的支護(hù)措施均能有效地控制大變形。

（1）掌子面前方的變形控制主要采用超前支護(hù)的措施。常用的超前支護(hù)有超前錨桿、超前小導(dǎo)管、管棚、水平旋噴注漿等。

（2）掌子面擠出變形控制普遍采用預(yù)留核心土、掌子面噴錨支護(hù)以及掌子面前方注漿加固圍巖等措施。

（3）掌子面后方變形控制主要采用由錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土、鋼拱架等組合而成的初期支護(hù)和合適的開挖方法做到少擾動、早封閉。在特殊的情況下，還可以使用長錨桿、預(yù)應(yīng)力錨桿（或錨索）、雙層初期支護(hù)等措施加強(qiáng)初期支護(hù)。針對軟弱圍巖隧道基腳下沉、基底鼓起的情況，可考慮通過加強(qiáng)鎖腳錨桿（或錨管）、增設(shè)臨時橫撐或仰拱、擴(kuò)大拱腳、底部注漿或旋噴樁、樹根樁、鋼管樁等方法來處理。

6 工程實(shí)例

廣西賀州至巴馬高速公路（都安至巴馬段）弄莫隧道右線YK362+515～YK362+531段穿越軟弱圍巖，設(shè)計(jì)圍巖級別為Ⅴ級，埋深約160 m。原設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)為間距40 cm的42 mm小導(dǎo)管超前支護(hù)，由Ⅰ18 mm工字鋼（間距75 cm）、 C25噴射混凝土厚度24 cm、8 mm鋼筋網(wǎng)間距20×20 cm、長度350 cm的25 mm中空注漿錨桿間距120 cm（環(huán)向）×75 cm（縱向）組成的初期支護(hù)， 45 cm厚的C30防水混凝土二襯襯砌。在上臺階施工中出現(xiàn)圍巖大變形（拱頂下沉和周邊位移達(dá)到11 cm/d），將已施工完成的上臺階初期支護(hù)擠壓開裂破壞。大變形出現(xiàn)后，對掌子面進(jìn)行反壓回填，在該段打設(shè)37根間距50 cm的108 mm大管棚（每根大管棚長度為18.5 m）進(jìn)行超前支護(hù)，初期支護(hù)拱架調(diào)整為Ⅰ20 b工字鋼（間距50 cm），并采用108 mm鋼管深入基巖作為鎖腳錨桿，使圍巖大變形得到了有效控制，成功穿越了此段軟弱圍巖。

在修建新關(guān)角隧道穿越斷裂構(gòu)造、層狀構(gòu)造等軟弱地層時，也發(fā)生了圍巖大變形的情況。遭遇大變形后，根據(jù)變形的嚴(yán)重程度采用了相適應(yīng)的處治措施。當(dāng)圍巖發(fā)生變形，變形值超過一定數(shù)值后，先采用了42 mm小導(dǎo)管徑向注漿對圍巖進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固;當(dāng)小導(dǎo)管徑向注漿后圍巖變形仍沒有收斂，但初期支護(hù)還未開裂破壞或侵限時，在初期支護(hù)工字鋼拱架拱圈起拱線處加設(shè)159 mm熱軋無縫鋼管頂住工字鋼拱架做橫撐加固;當(dāng)圍巖的變形發(fā)展至初期支護(hù)開裂破壞或侵入二次襯砌結(jié)構(gòu)時，對開裂破壞或侵入二次襯砌結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)采取逐榀拆除更換處理。為了確保安全，適當(dāng)?shù)丶訌?qiáng)重新施工的初期支護(hù)，并留有足夠的預(yù)留變形量以防止初期支護(hù)再次變形侵限。在特殊地段甚至還采取了雙層初期支護(hù)：第一層初期支護(hù)剛度較大，設(shè)置Ⅰ20 a工字鋼拱架（@50 cm），噴射28 cm厚的混凝土;當(dāng)?shù)谝粚映跗谥ёo(hù)變形達(dá)到10 cm時，迅速架立Ⅰ16工字鋼拱架（@50 cm），噴射20 cm厚的混凝土作為第二層初期支護(hù)，第二層初期支護(hù)的工字鋼拱架設(shè)置在第一層初期支護(hù)工字鋼拱架同一橫斷面上，以共同抵抗圍巖的變形擠壓。

7 結(jié)語

隧道軟弱圍巖開挖后，圍巖變形量大、變形持續(xù)時間長，掌子面前方變形范圍大，開挖初期掌子面后方變形速率快。根據(jù)新奧法的原理，軟弱圍巖的變形控制宜采取剛?cè)峤Y(jié)合的控制方式，預(yù)留適當(dāng)?shù)淖冃瘟吭试S圍巖發(fā)生一定的變形，加強(qiáng)超前支護(hù)和初期支護(hù)，把圍巖變形控制在允許范圍內(nèi)，讓超前支護(hù)控制圍巖荷載的釋放，讓初期支護(hù)承擔(dān)圍巖釋放的全部荷載，讓二次襯砌作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全儲備控制圍巖殘余變形。為避免軟弱圍巖隧道大變形的發(fā)生，在隧道修建過程中，應(yīng)特別重視減小圍巖塑性變形，及時進(jìn)行支護(hù)以減小圍巖應(yīng)力釋放，加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)早期剛度以抵抗圍巖塑性變形。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙 勇.隧道軟弱圍巖變形機(jī)制與控制技術(shù)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2012.

[2]張旭珍.關(guān)角隧道大變形處理技術(shù)[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報，2001，24（1）：17-20.