軟巖大變形隧道施工技術(shù)

馮仲彬，羅德銀

(中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

1 軟巖大變形隧道施工發(fā)展歷程

早在九五計劃期間，我國就已經(jīng)開始面臨軟巖大變形隧道的工程修建，且在建設(shè)能源基地期間也先后出現(xiàn)了軟巖大變形而影響工程建設(shè)的問題。軟巖大變形促使我國在道路修建方面遭遇困難，也影響國家能源基地建設(shè)工作，阻礙國家礦產(chǎn)事業(yè)發(fā)展。隨著經(jīng)濟水平的不斷提升和科學技術(shù)的不斷進步，我國已經(jīng)有了很多成功修建軟巖大變形工程的實踐案例，這些案例當中所采用的各種控制變形技術(shù)成功解決了軟巖變形的問題，為后續(xù)其他工程的開展提供了諸多經(jīng)驗借鑒。從理論角度考慮，軟巖大變形的施工理論一直是世界建筑領(lǐng)域所討論的難點話題。而事實上，在淺埋軟弱圍巖隧道工程施工期間，很難避免出現(xiàn)大變形的問題，只有合理評估支護參數(shù)，并完成支護結(jié)構(gòu)設(shè)計，才能夠改善軟巖變形的狀態(tài)，對軟巖大變形進行控制。

2 軟巖大變形隧道工程概況

某隧道項目位于貴州省內(nèi)，是軟巖地質(zhì)嚴重影響區(qū)域，在對該隧道進行施工期間遭遇嚴重的軟巖大變形問題。本次研究將就該工程項目進行數(shù)據(jù)觀測，最終選擇合適的軟巖變形控制技術(shù)。據(jù)悉，該工程項目所施工的隧道長度為14 528 m，最大埋深超過1 000 m，而隧道的進口階段是三層系統(tǒng)板巖的薄層板狀構(gòu)造，每層厚度小于5 cm，層次之間的結(jié)合力比較差，巖層質(zhì)地松軟，且地下水含量豐富，巖層的走向和隧道挖掘的方向基本持平。依據(jù)《工程巖體分級標準》，了解到該隧道工程洞身部位最大水平主應(yīng)力為21.28 MPa，該數(shù)值和板巖單軸抗壓強度的30 MPa相比，處于較高的應(yīng)力狀態(tài)。

本項目在隧道采用以弧形導坑預留核心土的方式進行開挖，為避免巖層坍塌情況，在工程開挖之前就做好支護鋼架的設(shè)計，以Ⅰ20b的鋼架進行支護。從支護結(jié)構(gòu)完成以后的圍巖變化情況來看，此刻圍巖變形明顯，且變形的速度還在加快，拱頂位置已經(jīng)出現(xiàn)沉降，沉降位移達到45 cm，而收斂最大值則達到了85 cm。此時的圍巖變形對初期支護工程產(chǎn)生影響，混凝土出現(xiàn)嚴重開裂及剝落問題，原本所支護的鋼拱架已經(jīng)斷裂，隧道工程經(jīng)受重大經(jīng)濟損失，施工安全性也受到干擾。

3 隧道工程變形特點

本項目隧道工程中軟巖層發(fā)生變形的幅度很大且變形的速度也非?？?，尤其是在隧道開發(fā)以后，巖石結(jié)構(gòu)變化非常明顯?？偨Y(jié)該隧道工程的變形情況，發(fā)現(xiàn)其具備下述變形特點：

首先，本項目隧道工程的變形速度比較快，尤其是在隧道開挖以后，巖石變形比較強烈，拱頂?shù)某两捣缺容^大，水位移動變化效率也明顯增加，對隧道工程積壓非常明顯。

其次，隧道工程中巖石變形呈現(xiàn)出了不均勻的情況，變形不對稱且開挖部分的局部遭受侵染。依據(jù)工程檢測數(shù)據(jù)顯示，整個隧道都呈現(xiàn)出的左右側(cè)變形不均勻的情況。且在完成初期支護工作以后，對隧道的不同段落進行測量，發(fā)現(xiàn)巖石變形不對稱現(xiàn)象差異明顯。

最后，巖石變形持續(xù)的周期比較長且越是到后期，巖石變形的幅度就越大，對隧道工程施工的影響越大。根據(jù)工程監(jiān)測中心所收集的數(shù)據(jù)顯示，隧道的拱頂位置沉降以及水平移動情況都處于長時間勻速增長的狀態(tài)。如果繼續(xù)進行隧道施工，那么在完成拱頂施工以后，也會因為拱頂沉降和變形問題而對拱頂施工質(zhì)量產(chǎn)生影響，如果變形幅度過大，還有可能直接造成拱頂塌方。

4 隧道工程變形原因分析

4.1 地質(zhì)因素

本項目隧道工程所在地點是貴州省，當?shù)亟涤炅勘容^充沛且地下水位豐富，在巖石碰到水以后會出現(xiàn)膨脹情況，且產(chǎn)生比較大的膨脹力。而隧道所在區(qū)域安慰內(nèi)的巖石主要以碳質(zhì)板巖為主，該種巖石在遇到水以后會發(fā)生化學反應(yīng)，進而快速崩解，一旦將該種巖石暴露到水中，其體積會不斷增大，且產(chǎn)生對應(yīng)的膨脹力，這種壓力會作用到初期支護結(jié)構(gòu)當中。不僅是水會對巖石產(chǎn)生影響，隧道所處的位置也會對巖石的產(chǎn)生其他不利產(chǎn)生影響。本項目隧道工程所處地點為高原地帶，其高地應(yīng)力本身就比較明顯，且?guī)r石質(zhì)地松軟很容易出現(xiàn)變形，在發(fā)生吸水問題以后，繼續(xù)開挖隧道很容易產(chǎn)生松動圈。而設(shè)計的支護結(jié)構(gòu)無法抵御巖石變形所造成的壓力和巖石吸水后所產(chǎn)生的膨脹力，如此支護工程也會隨之遭受破壞。除上述情況以外，圍巖的性質(zhì)也會受到時空效應(yīng)的影響，原本施工期間巖石就會受到開挖行為的影響出現(xiàn)蠕變位移的情況，且該種變化會隨著時間的變化而逐漸增加，在力學性質(zhì)作用下，巖石的強度會在時間的流逝中逐漸降低，而隧道工程中的支護體系除了要支護巖石的自重，還需要承受時間變化而產(chǎn)生的變形壓力。

4.2 設(shè)計因素

隧道工程的周邊巖石都屬于軟巖地質(zhì)，其是受到自然環(huán)境影響所形成的天然地質(zhì)環(huán)境。在開展隧道工程的情況下，很容易因為工程施工行為對巖石產(chǎn)生塑性變形影響，有些工程行為對巖石所產(chǎn)生的影響甚至是超過了設(shè)計預期的影響。在該種情況下初期支護體系自然無法承擔巖石變形的壓力，而巖石變形的速度也會因此而無法控制。為此，只有注重控制工程施工行為對巖石產(chǎn)生的影響，并且調(diào)整支護體系的剛性，才能夠有效控制軟巖變形。

4.3 施工因素

施工期間如果支護體系本身封閉不夠及時或者是對巖石外露封閉不夠及時都會對巖石的特性產(chǎn)生影響。首先，在開挖隧道期間會不可避免的促使巖石被暴露出來，而該地區(qū)地下水位非常高，一旦巖石和水進行接觸，很有可能會出現(xiàn)膨脹變形的情況。且開挖隧道后巖面不及時封閉，巖面會出現(xiàn)風化或者是崩解的情況，從而造成超挖的問題，促使松動圈的范圍不斷擴大。此時的巖石在強度上無法滿足隧道工程施工要求，且支護體系也難以支撐巖石變形所產(chǎn)生的壓力。

5 隧道工程變形控制技術(shù)

針對上述原因，對本項目道工程進行反復勘測，了解施工現(xiàn)場的實際情況，依據(jù)隧道周邊巖石結(jié)構(gòu)情況，選擇采取下述施工技術(shù)來控制軟巖變形問題。經(jīng)過多方控制與調(diào)整，最終隧道工程得以順利進行，原本比較困難的作業(yè)在時間上有所縮短，巖石變形的幅度也逐漸減小，支護變形的問題得以解決。

5.1 控制施工損毀情況

本次施工需要秉承著不破壞圍巖的施工理念，施工期間盡量減少對周邊巖石的破壞，避免對巖石變形產(chǎn)生不利干擾，控制巖石變形程度。首先，通過輔助施工的方法在開挖隧道之前就做好超前支護，針對軟弱巖石進行加固處理。其次，在巖石爆破環(huán)節(jié)控制好爆破力度，減少對周邊巖石的擾動。最后，針對破碎狀態(tài)的巖石盡量利用鐵锨進行挖掘，不要促使其受到爆破的影響。

5.2 管理開挖行為

在開挖環(huán)節(jié)需要注重對短進尺的管理，確保初步支護能夠形成閉環(huán)，減少單循環(huán)開挖的長度，避免因為單循環(huán)開發(fā)過程而對拱架承受壓力產(chǎn)生影響。開挖行為的管理還要注重對單循環(huán)作業(yè)時間的控制，減少軟巖變形的時間，在快速形成巖面閉環(huán)時，每當出現(xiàn)巖石碎渣，就立即通過噴射混凝土進行封閉，減少巖石在空氣當中暴露的時間，避免巖石出現(xiàn)崩解的情況。在了解到軟巖變形因素的情況下，需要在每個臺階挖掘完成以后都通過臨時支護的方式來加強支護力量，形成完善的支護體系。

5.3 注重臨時支護

在臨時支護施工期間需要考慮到支護的注漿情況，采取徑向注漿的方式，不斷對松動圈進行加固。在每個支護循環(huán)完成以后，立刻向拱頂?shù)奈恢眠M行注漿，設(shè)置好注漿參數(shù)，確定好注漿支護的間距，避免因為承載力不足而無法呈現(xiàn)出注漿支護的作用。

6 結(jié)束語

本次探究軟巖大變形隧道工程，結(jié)合工程實際情況，從辯證的角度看待軟巖大變形問題，了解到在修建該類別工程項目時需要結(jié)合工程所在地的地方經(jīng)濟情況、政府政策情況、自然環(huán)境情況、地理地質(zhì)情況以及施工技術(shù)水平等多種因素，制定完善的施工方案。在了解軟巖隧道工程變形的特點及變形原因情況下，選擇合適的變形控制技術(shù)，能夠有效改善軟巖隧道變形對隧道工程所造成的破壞力，進而追趕中國高鐵的發(fā)展角度，成為高鐵發(fā)展的有力基礎(chǔ)支撐。