軟弱破碎圍巖隧道施工技術探討

馬興林

（中鐵二十二局集團第五工程有限公司，重慶 400000）

1 工程概述

新建鐵路玉溪至磨憨線橄欖壩3號隧道位于西雙版納州景洪市橄欖壩境內(nèi)，全長1970m。隧道測區(qū)最大地表水為瀾滄江，瀾滄江于線路右側(cè)相傍而行，最近相距約320m；其次為溝水、塘水、地表水，均由大氣降水補給。地下水類型主要為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水、巖溶水。第四系孔隙潛水不甚發(fā)育，水量較小，僅隧道進出口沖溝內(nèi)土層中含量豐富；下伏基巖巖體破碎，基巖裂隙水較發(fā)育；巖溶水主要分布于P1q+m地層中，水量較大。地下水主要由大氣降水及地表水補給。經(jīng)綜合分析，雨季最大涌水量Qmax=19000m3/d，現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 工程現(xiàn)場照片

2 軟弱破碎圍巖隧道工程的施工難點

2.1 軟弱破碎圍巖的特征

軟弱圍巖通常情況下分為地質(zhì)軟巖以及工程軟巖，地質(zhì)軟巖指的是強度低、空隙大、膠結(jié)程度差，受結(jié)構(gòu)面切割及風化作用影響較大的巖層，或是含有大量膨脹性黏土礦物的松軟巖層；工程軟巖指的是在工程中對巖體產(chǎn)生影響，導致巖體顯現(xiàn)出與地質(zhì)軟巖相同的特征的巖層。

軟弱破碎圍巖的突出特征為軟、弱、松、散，工程軟巖揭示了軟巖的相對性實質(zhì)，即當工程力固定時，強度高于工程力水平的巖體表現(xiàn)為硬巖的力學性質(zhì)，相反則表現(xiàn)出軟巖性質(zhì)。

2.2 軟弱破碎圍巖施工的難點

（1）受隧道開挖地區(qū)向斜影響，軟弱破碎圍巖基本為緩斜或幾乎水平的成巖，圍巖性質(zhì)變化較為頻繁，細層理及交錯層理維持較高發(fā)育水平，層面內(nèi)膠結(jié)度極低，節(jié)理發(fā)育，巖體極不穩(wěn)定。隧道開挖跨度較大，實際施工中容易造成隧道崩塌。（2）隧道施工往往會在頂部形成大平板，不易成拱。雖然建設隧道應用的石材質(zhì)地較為堅硬，不可完成變形，但石層間的結(jié)合物較少且質(zhì)地軟弱，通過交錯層理切割，容易產(chǎn)生頂部大范圍平板掉落[1]。（3）軟弱破碎圍巖隧道工程路段內(nèi)易出現(xiàn)大范圍斷裂構(gòu)造。在斷裂位置及受影響區(qū)段，斷層內(nèi)的角礫、泥土及破碎帶合在一起構(gòu)成了斷層，斷層及周圍區(qū)域的地層都非常軟弱，同時施工路段地下水含量豐富，地下水作用導致地層極不穩(wěn)定，有較大可能造成工程塌方。（4）部分施工段存有大量泥巖，泥巖微膨脹的性質(zhì)導致圍巖層更加軟弱，在開展軟弱破碎圍巖隧道施工時，地應力的提升會加快，圍巖層的穩(wěn)定性將降低。在施工路段地下水的作用下，圍巖層穩(wěn)定性會進一步降低，給施工安全帶來隱患。

3 軟弱破碎圍巖隧道工程施工技術的應用

3.1 軟弱破碎圍巖加固及支護技術

在隧道開挖過程中，圍巖穩(wěn)定性驟降，且自身沒有加固能力，因此要在隧道工程開始前，做好圍巖加固工作，以改善圍巖力學特征，提升穩(wěn)定性。參考預加固對周圍巖層加固的原理，圍巖的加固措施可分為地層改良及支護法。地層改良能夠提升隧道開挖處地層的力學特征，包括靜壓注漿、排水固結(jié)等方法；支護法就是在隧道開挖前在隧道開挖線路上提前做好支護工作，在隧道拱處搭建起支護保護網(wǎng)，在保證安全的前提下開展施工。通常情況下，圍巖隧道內(nèi)測的結(jié)構(gòu)承壓較大，同時圍巖裂縫不斷擴大發(fā)育，圍巖強度較低，結(jié)構(gòu)易發(fā)生變形。當圍巖層內(nèi)夾雜黏土等軟物質(zhì)時，圍巖受力大小又與變形速率相關，所以有明顯的時間依賴性，處于平衡狀態(tài)的軟弱破碎巖體在開挖后平衡被打破，在應力作用下，圍巖產(chǎn)生形變[2]。

注漿加固是改善圍巖內(nèi)部膠結(jié)性質(zhì)，提升圍巖一體性及承壓能力的重要手段，可以減少支護的加設，同時與支護配合，提高支護效益。原理是將填充液充入圍巖巖層的裂縫處，使破碎、軟弱的巖石黏結(jié)到一起，提升巖層整體強度和穩(wěn)定性。將注漿工藝與支護相結(jié)合，改善圍巖應力分布，同時減少形變，改善整體受力情況，確保施工安全。依據(jù)《鐵路隧道設計規(guī)范》（TB 10003—2016），支護用混凝土軸心抗拉強度標準如表1所示。

目前，軟弱隧道圍巖支護多采用大管棚支護技術，該技術已有將近20年的使用歷史，雖缺乏創(chuàng)新和先進性，但應用成熟廣泛。其支護原理：一是梁效應，即在挖掘前進行預埋，在鋼管支撐下形成梁式結(jié)構(gòu)，預防隧道工程坍塌；二是加強效應，即在插入鋼管后注入泥漿，使圍巖硬度提升。具體應用方法：應用管棚鉆孔裝置在隧道開挖的外部輪廓上打入大直徑鋼管，同時將鋼管進行橫向連接，成為一個整體。

表1 混凝土軸心抗拉強度標準值 單位：N/mm2

3.2 隧道洞口處開挖、施工技術及選擇

隧道洞口處的開挖方法由施工條件、圍巖類型、埋置深度、斷面情況、破面情況及環(huán)境條件等決定，同時還要考慮安全、效益等要素實現(xiàn)最終選擇。選擇施工方法時要以施工安全為前提，全面考慮施工區(qū)域的地質(zhì)條件、濕度條件、斷面大小、挖掘設備參數(shù)等要素，當隧道施工對周邊環(huán)境產(chǎn)生較為嚴重的影響時，還要考慮周邊環(huán)境的可修復性，盡量減少對周邊環(huán)境的破壞。隧道口處施工方法多樣，結(jié)合隧道挖掘區(qū)域的地質(zhì)、水文情況，認定臺階法及分部開挖兩種方法最為合適。

施工時以安全為首要原則，優(yōu)先布置好安全措施，在此基礎上再進行洞口開挖。開挖技術優(yōu)先選用少部分開挖形式，以減少施工工序，為系統(tǒng)化的機械施工奠定良好基礎，優(yōu)化施工環(huán)境，保障施工安全。在隧道口地質(zhì)變化較大的情況下，應以應對圍巖地質(zhì)不穩(wěn)定性為重點選擇施工方法，盡量避免因變更施工策略或頻繁變更施工方法使工序混亂，影響工期、工程安全和工程效益。引入新技術、新設備時，應保證技術成熟穩(wěn)定，在確保安全的基礎上積極創(chuàng)新，提升綜合施工水平，提高施工效益。隧道口工程開挖后要盡快施作錨桿、噴射混凝土、鋪設鋼筋及支撐物，保證工程安全。應用復合襯砌，要加強初期支護使用的錨桿、混凝土的等級，預防圍巖嚴重變質(zhì)。根據(jù)地質(zhì)情況，配合小導管注漿技術、錨桿加固技術等開展施工。精準選擇開挖及支護工藝對施工質(zhì)量、效率起到?jīng)Q定作用，能夠提升施工安全性，減少工程投入，降低圍巖層變質(zhì)概率和程度，有效預防投入使用后地質(zhì)災害的發(fā)生，減少運營投入。與此同時，將施工方法設計的各要素進行比較并記錄，如表2所示。根據(jù)結(jié)果可以看出，圍巖穩(wěn)定性良好的單線隧道口可以應用短臺階法，在不考慮滲流問題時，臺階法最大沉降位移值為18.2mm，考慮滲流情況，沉降值最大為10.7mm，并考慮滲流圍巖變形集中于隧道拱頂位置，最大沉降位移也在此處。應用短臺階法可以節(jié)省支護投入，但要避免應用全斷面開挖，以避免影響圍巖穩(wěn)定性，增大坍塌概率。軟弱破碎圍巖施工可應用超短臺階法，如果不考慮工期，可應用留核心土工藝。如果地質(zhì)條件極差，則應首選留核心土法，斷面較大時，應采用中隔壁法[3]。

表2 施工方法對比

3.3 支護后的圍巖穩(wěn)定性測量技術

傳統(tǒng)的圍巖穩(wěn)定性測量技術因模型建設工程量大、一致性差，很難適用于隧道圍巖質(zhì)量模擬。雖然應用數(shù)值仿真分析判斷塑性區(qū)、裂縫區(qū)、破損區(qū)的方法或結(jié)合應力場、變形場的測量技術已逐漸進入推廣使用階段，但與施工數(shù)據(jù)監(jiān)測相比，其便利性、準確性、直觀性都較差，因此圍巖變形數(shù)據(jù)監(jiān)測才是主流的測量技術。主要的監(jiān)測方法有兩種，一種是通過經(jīng)驗總結(jié)進行判斷，另一種則是根據(jù)相關的規(guī)范、章程、建議等文本記載進行比對。兩種方法應用廣泛，但都存在缺陷。如果使用經(jīng)驗判斷法測量洞穴坍塌原因，發(fā)現(xiàn)圍巖變形到一定程度會引發(fā)坍塌，根據(jù)普適理論得出失穩(wěn)變形、跨度、高度、承壓強度之間的關系式，此方法忽視了埋深以及圍巖變形模量兩個重要因素。而規(guī)范化的方法普適性較強，但可變性交叉，使用條件苛刻，大多數(shù)場景不適用。無論選擇哪種測量方法，都要注意變形模量、強度、埋深等要素，根據(jù)穩(wěn)定性的基本要求，基于隧道彈塑性推斷出臨界沉降公式如下。

式中：r為巖層容重，也是洞徑；H為高度；G為勃聚力；Φ為內(nèi)摩擦角。

4 總結(jié)

綜上，要加快山區(qū)鐵路建設，必須從建設安全著手，做好軟弱破碎圍巖隧道支護、注漿等環(huán)節(jié)的技術選擇，以此保證安全、縮短工期、提升質(zhì)量，保證隧道施工效益，才能更好地推動我國山區(qū)鐵路建設。