高地應(yīng)力軟巖隧道變形控制設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究

文/楊世強(qiáng)

1 高地應(yīng)力軟巖級別劃分

工程巖體屬于軟巖工程的重點(diǎn)研究對象，其分類標(biāo)準(zhǔn)會依據(jù)情況不同存在差異。若將其繼續(xù)劃分，則和深度間的關(guān)系相對密切，按照應(yīng)力可以將和方向相關(guān)的構(gòu)造應(yīng)力軟巖進(jìn)行以下的等級劃分，見表1。

表1 高應(yīng)力軟巖等級劃分

高應(yīng)力軟巖很容易出現(xiàn)大變形，不只具有較大形變量還具有較長的持續(xù)時間。由此可見，高應(yīng)力軟巖隧道并非運(yùn)用常規(guī)的支護(hù)方法通過小導(dǎo)管支護(hù)進(jìn)行圍巖變化的控制，而是使用有針對性的措施實(shí)現(xiàn)對圍巖變形的有效控制。破碎圍巖由于自身的抗壓強(qiáng)度不理想，因此很難滿足承受拉應(yīng)力的要求，這樣圍巖會發(fā)生失穩(wěn)破壞的問題。

2 大變形對隧道工程建設(shè)帶來的影響

如果隧道涉及穿越高地應(yīng)力，容易發(fā)生變形地質(zhì)災(zāi)害。此類災(zāi)害如果發(fā)生便會直接影響隧道工程的整體建設(shè)。因此，在進(jìn)行隧道施工時應(yīng)高度重視隧道大變形。當(dāng)前，隧道工程建設(shè)會面對極高的風(fēng)險，無論是成本還是整治費(fèi)用均相對較高。在高地應(yīng)力條件下，建設(shè)軟巖隧道一旦出現(xiàn)大變形，極易影響或是威脅到工程建設(shè)、工程質(zhì)量、工程效益以及工程安全。

3 隧道工程概況

該隧道建設(shè)工程屬于單洞雙線隧道，整體長度在5km 左右，最大的隧道埋深值為346m，建設(shè)區(qū)域的地質(zhì)條件十分復(fù)雜而且?guī)r質(zhì)十分松軟。據(jù)相關(guān)檢測表明，其屬于水平地應(yīng)力并具有多變分布的特征。圍巖應(yīng)力僅為0.7，相對較小，代表性的高地應(yīng)力。除此之外，洞身在支護(hù)初期時的開裂痕跡較長，在一定程度上提高了坍塌事故的發(fā)生概率，影響施工安全及工程質(zhì)量。

3.1 隧道變形特點(diǎn)

第一，相對嚴(yán)重的前期變形。此隧道工程的圍巖不具備優(yōu)良的穩(wěn)定性與完整性，開挖后不僅前期出現(xiàn)嚴(yán)重變形而且速率驚人，能夠達(dá)到40mm，并且在前期20d 內(nèi)直線上升，平均變形速率是20mm/d，20d 后逐漸降低變形速率，但依然在發(fā)生變形。

第二，較長的持續(xù)時間。隧道的軟巖不僅強(qiáng)度較低而且流變性優(yōu)良，進(jìn)行開挖施工之后，變形有較長的持續(xù)時間，從而直接干擾施工。結(jié)束初期變形后不僅狀態(tài)并不穩(wěn)定，甚至變形速度提高，基本沒有收斂。二次襯砌隧道仍舊存在變形，因?yàn)槲茨苡枰灾匾曀砸r砌出現(xiàn)破裂。

第三，較大的變形量。在進(jìn)行系統(tǒng)開挖后，這條隧道呈現(xiàn)出塑性變形，具體表現(xiàn)為拱頂下沉。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，常規(guī)段產(chǎn)生的變形量已經(jīng)大于100mm，其中最大下沉量的拱頂能夠達(dá)到761mm，采取雙層支護(hù)之后依然難以控制變形，常規(guī)支護(hù)的效果相對有限。

3.2 變形破壞特點(diǎn)

第一，掌子面遭受破壞。在進(jìn)行開挖施工之前發(fā)生外鼓變形，同時擠出變形的現(xiàn)象較為顯著，局部附近鋼架發(fā)生剪斷與扭曲，破壞程度十分嚴(yán)重。

第二，破壞相對復(fù)雜。有關(guān)初始的隧道應(yīng)力，其呈現(xiàn)形式受限于方向，圍巖也體現(xiàn)各向異形。對于初期支護(hù)而言，一方面受力很不均勻，另一方面破壞形式非常復(fù)雜。其中拱頂下沉屬于初期的破壞種類，例如在噴漿支護(hù)段發(fā)生程度不同的扭曲，而且局部鋼架出現(xiàn)嚴(yán)重變形，其中最嚴(yán)重的是斜井段，即便進(jìn)行多次拱頂拆換也不能達(dá)到理想的變形控制效果。

第三，二次襯砌遭受破壞。形式不僅復(fù)雜還在許多方向產(chǎn)生裂縫，一些襯砌表面出現(xiàn)剝落等。

第四，較大的破壞范圍。洞周塑性區(qū)的破壞范圍相對較大，破壞深度約6m。若是不及時支護(hù)或者支護(hù)不當(dāng)，會顯著增加破壞范圍。同時，常規(guī)錨桿難以抵達(dá)原巖深度，因此支護(hù)效果十分有限，這也是導(dǎo)致支護(hù)失效破壞的關(guān)鍵原因之一。

4 變形控制設(shè)計(jì)及相關(guān)施工技術(shù)要點(diǎn)

4.1 施工方法不斷優(yōu)化

通過分析軟巖隧道特征能夠發(fā)現(xiàn)隧道的工序、周期等有關(guān)因素的關(guān)聯(lián)性較大，因此在控制隧道大變形時，通過優(yōu)化施工方法及其研究方向，需要科學(xué)控制開挖工期，以此盡可能少地影響隧道大變形。完成開挖后要有效保護(hù)原巖且以最快的速度封閉巖面，之所以要快封閉則是為保護(hù)支護(hù)的每個結(jié)構(gòu)，從而將最佳效果充分發(fā)揮。從總體上來看，控制大變形的關(guān)鍵在于“快”。采取針對性的技術(shù)后，從實(shí)時監(jiān)測隧道能夠看出：在變形控制的整個過程中最為重要的是前期控制，如果支護(hù)結(jié)構(gòu)可以在短時間成環(huán)，便可改善現(xiàn)有的受力條件，同時在壓力抵抗中充分發(fā)揮其作用，在一定程度上減緩低圍巖發(fā)生變形的速率。微臺階法是當(dāng)前常見且有效的開挖工法，如果能靈活運(yùn)用可以縮減封閉時間，提高成環(huán)速度，這樣也符合控制技術(shù)朝著“快”方向發(fā)展的實(shí)際需求[1]。

相關(guān)實(shí)踐證明，這種方法在開挖中擁有廣泛的適用范圍，合理運(yùn)用在一定程度上可以縮減封閉時間。具體施工中，其中核心土的高度約2.5m，長度約3m。上、中、下部臺階長分別是3～5m、5m、6～7m，并且下部臺階和仰拱之間的距離保持在15m。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，需要嚴(yán)格控制隧道前期出現(xiàn)的變形，中部臺階和下部臺階在接腿時不能讓長度超過9d，封閉仰拱時間不能超過15d，而且在某些情況下需要設(shè)置橫撐結(jié)構(gòu)。

4.2 增加預(yù)留變形量

將預(yù)留量適度提高能夠避免支護(hù)侵限，保證充足預(yù)留量初期支護(hù)，實(shí)現(xiàn)地應(yīng)力的釋放，避免對二次襯砌產(chǎn)生直接的荷載，進(jìn)而為隧道安全提供保障。通常情況下，如果未能有效控制預(yù)留量，厚度不僅不夠且會影響隧道的后續(xù)安全運(yùn)營。在進(jìn)行本隧道工程施工時，需要依據(jù)變形特征以及圍巖分布，將局部地段預(yù)留量增加到80m，這樣一來地應(yīng)力能夠有效釋放，同時二次襯砌承受的壓力會大幅度降低，以此從根本上保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

4.3 適時開展二次襯砌

針對剛性結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工能抵抗由于變形產(chǎn)生的壓力，確保圍巖與隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，這是控制隧道變形的一個經(jīng)濟(jì)有效的施工技術(shù)。高低應(yīng)力影響下的軟巖流動性相對較大，而且呈現(xiàn)出較大的變形程度，這樣便難以維持其穩(wěn)定性。軟巖的穩(wěn)定性如果想要達(dá)到預(yù)期效果，就會花費(fèi)較長時間，如果是較低的強(qiáng)度應(yīng)力要通過2～3年才可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定。讓圍巖穩(wěn)定，一方面花費(fèi)時間較長，另一方面會由于位移現(xiàn)象而發(fā)生嚴(yán)重破壞，由此陷入惡性循環(huán)。通過保證二次襯砌施工的實(shí)時性，性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)可以有效抵抗變形造成的壓力，進(jìn)而保證隧道的整體穩(wěn)定性(圖1）。在實(shí)際施工中控制變形，二次襯砌適時進(jìn)行能獲得理想的效果，但是從當(dāng)前情況來看，控制二次襯砌的施工時間仍有一些不足，應(yīng)加大后續(xù)研究力度[2]。

圖1 二次襯砌施工示意圖

4.4 增加支護(hù)剛度

根據(jù)該隧道工程的實(shí)際情況，需要依據(jù)“增大初期支護(hù)強(qiáng)度”的原則進(jìn)行施工且不能更換。因?yàn)樗淼雷冃蔚挠绊懛秶^大，應(yīng)采取噴漿與大規(guī)模鋼架綜合支護(hù)體系。 具體施工時，由于在軸向上的水平擠壓應(yīng)力已經(jīng)高出橫向，需在縱向銜接鋼架的同時，結(jié)合破壞特征將連接鋼架（縱向）增設(shè)在拱部鋼架中間，從而為結(jié)構(gòu)剛度提供保障?？傊?，預(yù)留變形量屬于防止變形發(fā)生后侵害初期支護(hù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。因?yàn)閱尉€隧道具有優(yōu)良的水平構(gòu)造應(yīng)力，可以通過將邊墻曲率增加對邊墻收斂起到有效控制。長短錨桿與二次支護(hù)一起進(jìn)行支護(hù)能夠?qū)⒊跗诘闹ёo(hù)剛度提高。適時進(jìn)行二次襯砌，能在一定程度上予以初期變形較強(qiáng)的支撐力，防止初期延續(xù)變形針對襯砌空間造成影響。適時進(jìn)行二次襯砌一方面可以對初期變形有效控制，另一方面可以防止混凝土由于過大受荷發(fā)生開裂。

5 結(jié)語

因?yàn)樵诟叩貞?yīng)力條件下發(fā)生的軟巖隧道變形具備長時間、程度大等特征，因此要對控制變形、隧道支護(hù)等一系列施工技術(shù)提出較高要求?；诖?，在具體施工中需了解隧道變形的主要特征，依據(jù)工程有關(guān)要求使用針對性的變形控制技術(shù)。