軟巖大變形隧道施工技術(shù)探討

田伏龍

（蘭州交大工程咨詢有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730070）

在實際進(jìn)行隧道修建的時候，首先需要對水文地質(zhì)以及工程地質(zhì)的實際情況做到充分了解和掌握。一般來講，所建設(shè)隧道的質(zhì)量以及進(jìn)度情況都和工作人員對地質(zhì)狀況的掌握程度有關(guān)系。如果施工現(xiàn)場地質(zhì)情況較好，就能夠保質(zhì)、按時完工。如果地質(zhì)狀況相對較差，例如，假如遇到了軟弱破碎或者是斷裂帶等地質(zhì)，就可能會對其建設(shè)質(zhì)量和工程造價造成一定的影響，甚至延長工期，嚴(yán)重者還會導(dǎo)致一系列的安全事故，對施工設(shè)備造成一定的損壞，影響人們的生命安全。如果在進(jìn)行隧道修建的時候遇到了大面積的軟巖大變形的情況，很可能就是由于相關(guān)人員在進(jìn)行勘察的時候沒有對水文地質(zhì)以及工程地質(zhì)情況做到全面掌握，在設(shè)計和施工期間對于開挖和支護(hù)方案的選取不夠合理。所以，超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)、開挖和支護(hù)方法的合理選擇等對隧道建設(shè)的工期長短、質(zhì)量以及安全等方面有著一定的影響。文章先就現(xiàn)階段軟巖隧道施工技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析和介紹，接著結(jié)合工程實際情況對相關(guān)施工技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析和探討，希望能夠給相關(guān)人士提供借鑒和參考。

1 軟巖隧道施工技術(shù)研究現(xiàn)狀

之前在進(jìn)行軟巖隧道支護(hù)的過程中，通常都是以單一的支護(hù)為主，最終效果不佳。近些年來，眾多教授和學(xué)者紛紛加大了對隧道支護(hù)的研究力度，逐漸開始將超前支護(hù)、錨噴支護(hù)、注漿加固以及錨網(wǎng)噴支護(hù)等單一的支護(hù)方法相結(jié)合，從而形成了聯(lián)合支護(hù)以及多次支護(hù)的形式，其效果十分理想?，F(xiàn)階段，在軟巖隧道支護(hù)工程中錨索技術(shù)也逐漸成為最為主要的技術(shù)之一，它能夠充分調(diào)動隧道深部的圍巖強(qiáng)度，有效確保軟巖隧道的穩(wěn)定性，這也是當(dāng)下我國軟弱圍巖隧道支護(hù)發(fā)展的趨勢之一。通過多年工程實踐，總結(jié)出了兩種對軟巖隧道變形進(jìn)行控制的理念，分別為剛性支護(hù)控制理念和柔性支護(hù)控制理念。前者主要是通過提升襯砌以及支護(hù)的剛度來提升圍巖的自承能力，進(jìn)而對軟巖隧道的變形情況進(jìn)行控制，該理念在一些地層松軟、圍巖壓力小的隧道淺埋地段或者是洞口段，對地表沉降以及隧道變形情況要求較高的地方更為適用。而后者，則允許隧道有一定的變形情況出現(xiàn)和釋放地應(yīng)力，將初支上的壓力降低，采用可縮式支護(hù)以及多重支護(hù)等柔性支護(hù)方案，對圍巖過度變形和過度松弛的情況進(jìn)行抑制，進(jìn)而從根本上保證隧道的穩(wěn)定性。

2 軟巖大變形隧道病害

2.1 工程概況

蘭渝鐵路兩水隧道（DK357+070～DK362+095）位于甘肅省武都區(qū)白龍江左岸中山區(qū)，隧道全長4945.35m，按雙線設(shè)計，其中3761.35m設(shè)計為V級軟巖，1184m為Ⅳ級圍巖。在隧道洞身中主要的地層為灰?guī)r以及千枚巖，其中最為主要的地層就是千枚巖，顏色主要以灰黑和深灰為主，主要呈片狀，含有炭質(zhì)鱗片交晶結(jié)構(gòu)，整體穩(wěn)定性相對較差。

2.2 變形特征和機(jī)理

（1）變形特征。①具有變形速率高和變形量大的特點。該工程段中的地質(zhì)情況主要以長石石英粉砂巖和炭質(zhì)絹云千枚巖為主，該圍巖變形時間相對較長，遇到水容易出現(xiàn)軟化和膨脹的現(xiàn)象，一旦產(chǎn)生變形，控制起來十分困難，其最大變形量會達(dá)到420mm，變形速率將達(dá)到7～13mm/d，和《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》（TB 10121-2007）中的標(biāo)準(zhǔn)相比要高出很多。②變形情況會持續(xù)很長的時間。對其進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)測，能夠發(fā)現(xiàn)即便是在開挖之后圍巖也不會隨著時間而有所收斂，具有“前期收斂，后期發(fā)散”的特點，變形時間可以長達(dá)數(shù)月之久，有的甚至一直持續(xù)到完成二次襯砌。③呈不均勻分布的狀態(tài)。在完成了初期支護(hù)之后，隧道各個部位之間的變形值會出現(xiàn)較大的差異，和本隧道內(nèi)圍巖破碎以及偏壓等特性相比，隧道斷面的量測數(shù)據(jù)會產(chǎn)生右側(cè)線路偏大的現(xiàn)象。④無法預(yù)測變形量。因為監(jiān)控量測的分析數(shù)據(jù)和掌子面開挖要稍微滯后一些，所以很難預(yù)測軟巖大變形段的變形量，對于初期支護(hù)斷面的尺寸也很難有一個精準(zhǔn)的確定。

（2）大變形機(jī)理分析。①炭質(zhì)絹云千枚巖夾變長石石英粉砂巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度為5MPa，基本承載力為300kPa，屬于軟巖。在進(jìn)行開挖之后由于圍巖本身的流變性、較差的承載能力、來壓快以及較短的自穩(wěn)時間等特點，在隧道開挖之后圍巖變形情況也會持續(xù)；并且由于千枚巖本身具有遇水容易出現(xiàn)軟化現(xiàn)象、層間結(jié)合性相對較差以及完整性較低等特點，以至于在施工過程中容易產(chǎn)生變形的情況。②應(yīng)力作用。由于集中應(yīng)力、隧道埋深以及構(gòu)造應(yīng)力等方面的原因，隧道具有較高的圍巖應(yīng)力，巖體內(nèi)部具有較大的殘余應(yīng)力，以至于對隧道四面造成壓力，除了具有側(cè)壓以及頂壓以外，還具有低壓，出現(xiàn)底鼓變形情況的概率相對較高。③地下水的原因。相關(guān)試驗結(jié)果顯示，千枚巖在遇到地下水的時候容易出現(xiàn)軟化的情況。在實際施工過程中，因為形成了新泄水通道，以至于山體內(nèi)部以及表面的地下水都聚集在隧道的周圍，所以滲透壓力相對較大，使千枚巖遇水泥化、軟化等現(xiàn)象更為明顯，在一定程度上降低了巖體的物力力學(xué)特性，圍巖破壞和變形情況進(jìn)一步加劇。在隧道進(jìn)口區(qū)因為反坡施工排水情況不佳，所以在隧道中出現(xiàn)了底板積水和裂縫滲水的情況，可能會出現(xiàn)速調(diào)受力不均的情況，以至于產(chǎn)生隧道變形的情況。④偏壓作用。因為線路走向的原因，以至于隧道大多位于順層偏壓位置；在分析和總結(jié)了現(xiàn)場以及監(jiān)控量測數(shù)據(jù)后可以發(fā)現(xiàn)，線路左右側(cè)的變形數(shù)據(jù)差異較大，但是左側(cè)要小于右側(cè)。⑤施工方法的原因。隧道為單線，在對其進(jìn)行開挖的過程中主要以正臺階法為主，但是由于內(nèi)部空間相對較小，所以如果采用大型機(jī)械來進(jìn)行施工，困難很大。另外，該隧道施工段的工期較短，承建單位在軟弱圍巖方面的施工經(jīng)驗不足，可供參考的成功案例不足，再加上整個開挖支護(hù)工作所需時間相對較長，鋼拱架單元連接和落底環(huán)節(jié)施工質(zhì)量不高，后續(xù)仰拱、二次襯砌施工距離掌子面較大（即仰拱施工距離掌子面最大為50m，二次襯砌施工距離掌子面最大為110m）等導(dǎo)致了千枚巖圍巖出現(xiàn)了變形的情況，甚至還會對隧道施工的安全性和整體穩(wěn)定性造成了一定的影響。

3 施工技術(shù)

3.1 機(jī)械開挖

開挖軟巖隧道時候一般都是采用機(jī)械。首先，炭質(zhì)千枚巖以及板巖等圍巖強(qiáng)度不高，機(jī)械設(shè)備剛度較硬可以將其破碎或者是鑿除；其次，和爆破開挖相比，采用機(jī)械開挖震動相對較小，能夠減少對圍巖所造成的干擾，避免出現(xiàn)突變或者是大的變形情況。在實際施工過程中主要以銑挖機(jī)、挖掘機(jī)以及破碎錘等為主。因為所要開挖的斷面空間相對較小，破碎錘以及挖掘機(jī)會受到大臂伸展以及轉(zhuǎn)彎半徑等方面的影響，難以觸及輪廊線的外側(cè)和拱腳處，通常會導(dǎo)致欠挖或者是超挖的情況，對變形控制和拱架安裝等工作十分不利。但是由于銑挖機(jī)前端的多齒合金鉆頭可以360°進(jìn)行轉(zhuǎn)動，可以更加便于對圍巖界面進(jìn)行鑿除，同時還為出渣工作提供了一定的便利，工作效率也有了一定的提升；并且銑挖機(jī)在剝落渣體的時候一般所采用的都是鉆頭，和破碎錘和挖掘機(jī)不一樣，所以對圍巖所造成的影響較小，變形控制也要更為容易一些。所以說，在工作效率提升以及變形控制方便，銑挖機(jī)具有一定的優(yōu)勢，在對軟巖隧道進(jìn)行開挖的過程中可以優(yōu)先采用。

3.2 縱向連接

在軟巖大變形隧道施工過程中，其整體變形情況相對較為嚴(yán)重而且也要更為復(fù)雜一些，例如拱頂下沉，主要是向下變形，凈空收斂的話主要是以輪廓線內(nèi)側(cè)變形為主，而縱向位移的話主要是以向掌子面臨空方向變形等。因為上述這些變形情況相對較為復(fù)雜，所以為了從根本上確保受力結(jié)構(gòu)的整體性，必須將拱架連接在一起，否則在拱架連接的薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)破壞的概率就相對較高。而在用藥了H型鋼之后，雖然在前期的時候拱架沒有出現(xiàn)扭曲變形的情況，但依然產(chǎn)生了拱架間砼開裂掉塊以及拱架前后傾覆等情況。通過研究發(fā)現(xiàn)主要是由于拱架的縱向連接缺乏受力，拱架整體性能相對較差而導(dǎo)致的，所以可以采用雙根鋼筋來代替之前單根的連接方式，同時在縱向連接鋼架時，為了有效提升其受力情況，可以采用強(qiáng)度更高的I16型鋼來進(jìn)行。大量實踐經(jīng)驗指出，該做法能夠有效提升其抵御變形的能力，而且分析量測數(shù)據(jù)能夠發(fā)現(xiàn)，如果累計變形達(dá)到20cm或者是更高的情況下，在縱向連接時利用型鋼的話，初支體系的整體性能會有所提升。

3.3 拱腳支墊及螺栓連接

在具體進(jìn)行施工的過程中，一般情況下會因為收斂變形或者是拱腳下沉而造成不能夠順接中（下）臺階拱架，所以，在具體工作中除了要將鎖腳工作做好以外，還要從根本上確保拱架底部的平整以及足夠的密實性。再者，因為軟巖本身的破碎強(qiáng)度低，所以為了有效確保拱腳能夠均勻受力，在對拱架進(jìn)行支架操作的時候必須采用專用的預(yù)制塊，進(jìn)而避免有拱架懸空的現(xiàn)象發(fā)生。一般來說，墊板的連接部位的水平收斂應(yīng)力相對較為集中，在此處的時候拱架所收到的剪切力相對較大，所以在連接時需要采用螺栓。在此過程中尤其需要注意的就是必須根據(jù)鋼架的型號來選擇適合的螺栓。

3.4 對鋼筋進(jìn)行二襯

根據(jù)新奧法施工標(biāo)準(zhǔn)，二襯隧道的主要作用就是用來修飾外觀和儲備應(yīng)力，普通Ⅴ級圍巖二襯雖被作為承載結(jié)構(gòu)承受一定的（50%～70%）圍巖松散荷載，但是依然不能夠?qū)⑵渥鳛槿康某休d結(jié)構(gòu)，只可將其作為安全儲備。在軟巖大變形的作用下，因為受軟巖變形的持續(xù)性影響，初支柔性結(jié)構(gòu)和承載標(biāo)準(zhǔn)不符，二襯結(jié)構(gòu)承載了大部分的松動圈圍巖的壓力，所以為了有效確保最終的施工效果，必須將二襯結(jié)構(gòu)的承載水平提升上來，一定要確保二襯鋼筋的強(qiáng)度，在施工操作中，可以將原來20cm的間距調(diào)整為12.5cm。大量實踐表明，該做法效果良好。

4 結(jié)束語

總而言之，現(xiàn)階段我國在鐵路建設(shè)方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，已經(jīng)能夠有效解決軟巖大變形的情況。具體而言，在施工過程中應(yīng)根據(jù)實際情況選擇適合的支護(hù)參數(shù)和施工方法，進(jìn)而對圍巖變形情況進(jìn)行有效控制，從根本上確保隧道施工的質(zhì)量和安全。