軟巖隧道施工中高地應(yīng)力處治技術(shù)

何玉鑫

（濟(jì)南齊魯建設(shè)項(xiàng)目管理有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南250000）

0 引言

隨著交通建設(shè)的快速發(fā)展，公路隧道建設(shè)大量增加。在隧道建設(shè)過(guò)程中，不良地質(zhì)情況日益增多，如斷層、高地應(yīng)力、巖溶及高突涌水等。受不良地質(zhì)條件影響，增大了隧道施工難度，由此引發(fā)的安全風(fēng)險(xiǎn)也在不斷增大，對(duì)工程的整體工期造成較大的影響。不良地質(zhì)對(duì)隧道施工主要造成以下難點(diǎn)：

一是控制全線(xiàn)工期，控制全線(xiàn)工期的往往是一座或兩座復(fù)雜的重難點(diǎn)隧道，主要原因是遇到特殊的復(fù)雜地質(zhì)條件，技術(shù)儲(chǔ)備不足；

二是安全事故多，公路建設(shè)的安全事故主要集中在隧道，主要安全事故為塌方、突泥突水等；

三是特殊地質(zhì)條件施工難度大，我國(guó)幅員遼闊，地質(zhì)復(fù)雜，如高壓富水?dāng)鄬印拸埩严?、硬質(zhì)破碎巖等特殊地質(zhì)條件，此類(lèi)隧道施工現(xiàn)場(chǎng)存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，施工難度也進(jìn)一步增大。

1 工程概況

隧道位于山東省，為雙線(xiàn)單洞隧道，隧道總長(zhǎng)為1340m，隧道的埋深約為200～300m。其中第四系全新統(tǒng)坡積砂質(zhì)粉土、碎石土，二疊系下統(tǒng)灰?guī)r夾砂巖、泥盆系中統(tǒng)灰?guī)r、石炭系中上統(tǒng)灰?guī)r、志留系中上統(tǒng)硅質(zhì)巖夾板巖、泥盆系上統(tǒng)灰?guī)r夾板巖為隧道洞身主要通過(guò)的地層。該隧道的特點(diǎn)如下：

其一，該隧道存在軟弱圍巖，并且隧道應(yīng)力集中系數(shù)（圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比）為2.65，存在高地應(yīng)力。

其二，隧道通過(guò)區(qū)位于泰山山脈褶皺系，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，巖層產(chǎn)狀較亂，地層好壞交替，地質(zhì)環(huán)境隨時(shí)出現(xiàn)變動(dòng)。

其三，地下水豐富，隧道內(nèi)反坡抽排水工程是該工程項(xiàng)目技術(shù)與安全的重要問(wèn)題之一。

其四，圍巖在受力產(chǎn)生較大變形情況下對(duì)高地應(yīng)力軟巖進(jìn)行施工，全隧道共計(jì)發(fā)生初支侵限拆換拱200m，仰拱隆起段落260m。

其五，在隧道圍巖所受的壓力中，形變壓力所占的比例最大，是主要的壓力形式。其所承受的最大壓力為0.546MPa，整個(gè)隧道所承受的平均壓力為0.245MPa，隧道二次襯砌所產(chǎn)生接觸平均壓力為0.203MPa，其中隧道圍巖內(nèi)最大接觸壓力為0.476MPa。經(jīng)過(guò)模擬分析在隧道圍巖所承受的壓力中接觸壓力占據(jù)78.65%，施工難度大[1]。

2 軟弱圍巖和高地應(yīng)力的特點(diǎn)

2.1 軟弱圍巖

軟弱圍巖是一種遇水極易軟化且力學(xué)性能較低的巖石，因此在高地應(yīng)力作用下極易發(fā)生較大的形變。其主要表現(xiàn)在隧道施工過(guò)程中，隧道所承受的應(yīng)力分布發(fā)生改變，并產(chǎn)生松動(dòng)圈。如果在施工過(guò)程中不對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，則極易產(chǎn)生塌方等安全事故。

2.2 高地應(yīng)力

地應(yīng)力也稱(chēng)巖體的初始應(yīng)力，它是指巖體在天然狀態(tài)下所存在的內(nèi)在應(yīng)力，其由兩部分組成：

其一，巖體自身的重力所引起的應(yīng)力；

其二，由鄰近地塊/巖體傳遞來(lái)的構(gòu)造應(yīng)力。因此巖體所受的應(yīng)力較為復(fù)雜。地應(yīng)力分級(jí)按3 級(jí)考慮：強(qiáng)度應(yīng)力比≤3 為高地應(yīng)力，3＜強(qiáng)度應(yīng)力比≤7 為中地應(yīng)力，強(qiáng)度應(yīng)力比＞7 為低地應(yīng)力。高地應(yīng)力是由于應(yīng)力集中所產(chǎn)生的巖塊破壞現(xiàn)象，應(yīng)力集中系數(shù)（圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比）通常在2～3 之間?？紤]洞壁實(shí)際處于二向應(yīng)力狀態(tài)，強(qiáng)度會(huì)有所提高，取3 較為合適。由于軟弱圍巖本身的性質(zhì)，當(dāng)其所承受復(fù)雜應(yīng)力或者高地應(yīng)力作用時(shí)，極易出現(xiàn)較大的變形，而發(fā)生塌方等隧道安全事故。高地應(yīng)力軟巖隧道大變形具有三個(gè)特征：變形量大；變形速率快；變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)[2]。

3 高地應(yīng)力軟巖施工的處治技術(shù)

3.1 長(zhǎng)錨桿加固圍巖

通過(guò)提高施加在軟弱圍巖上的加固力度，形成較厚的圍巖加固圈，減少?lài)鷫簩?duì)支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)的作用力，控制圍巖松弛變形范圍。

3.2 加強(qiáng)初期支護(hù)

高地應(yīng)力軟巖隧道與一般隧道相比較，初期支護(hù)應(yīng)具有更高的強(qiáng)度，使圍巖處于較高支護(hù)力作用下的變形過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)圍巖發(fā)生可控的變形，塑性圈處于可控的發(fā)展過(guò)程中，起到卸壓和深處轉(zhuǎn)移二次應(yīng)力的作用。

3.3 隧底加固

基腳下沉基底鼓起等現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生于大變形隧道之中，為了避免此現(xiàn)象，可通過(guò)底部注漿等手段加固基底的方法，或者通過(guò)改變拱曲率，加強(qiáng)錨桿，增加仰拱強(qiáng)度進(jìn)而能夠保障支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定[3]。

3.4 柔性支護(hù)，合理預(yù)留變形量

采用波紋鋼帶及可伸縮鋼架等柔性支護(hù)，可較大幅度地釋放地應(yīng)力，減少作用在二次襯砌上的地應(yīng)力，有利于隧道結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，為了避免由于變形后的初期支護(hù)侵入二次模筑混凝土襯砌凈空，在隧道挖掘前務(wù)必預(yù)留適當(dāng)?shù)淖冃瘟縖4]。

3.5 拱腳穩(wěn)定性控制

通過(guò)大量案例可知：保證拱腳的穩(wěn)定性，對(duì)于維護(hù)初期支護(hù)體系的穩(wěn)定性起著較大的作用。使用鎖腳錨桿（管）或擴(kuò)大拱腳等，并以4 根4～6m 長(zhǎng)為主，視地質(zhì)情況選用鎖腳錨管并進(jìn)行注漿。

3.6 調(diào)整施工方法

在施工中，及時(shí)閉合支護(hù)是穩(wěn)定圍巖、減小其發(fā)生變形的較好的方法。因此，在高地應(yīng)力軟巖隧道施工過(guò)程中，應(yīng)選取較為簡(jiǎn)單的施工方法，避免因施工方法過(guò)于復(fù)雜導(dǎo)致支護(hù)閉合不及時(shí)。由于臺(tái)階法具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性、靈活性，且施工簡(jiǎn)單，因此是大變形隧道挖掘的主要施工方法。

3.7 增設(shè)緩沖層

在初支兩側(cè)拱腰及邊墻處設(shè)置緩沖層，材料采用高密度泡沫板，使圍巖應(yīng)力釋放變形時(shí)，先讓緩沖層均勻受力，避免應(yīng)力直接作用在初期支護(hù)結(jié)構(gòu)上，起到延緩初期支護(hù)受力時(shí)間的作用，減少初支收斂變形和對(duì)初支的直接破壞。

3.8 設(shè)置循環(huán)應(yīng)力釋放窗口

在高地應(yīng)力隧道變形最大的邊墻段循環(huán)間隔設(shè)置應(yīng)力釋放窗口（本循環(huán)設(shè)置，下一循環(huán)不設(shè)置，再下一循環(huán)設(shè)置，如此往復(fù)），應(yīng)力釋放窗口處初期支護(hù)成環(huán)前不噴混凝土，初期支護(hù)成環(huán)后，再用噴射混凝土封閉。

3.9 掌子面變形及穩(wěn)定性控制

隧道中擠壓型變形主要發(fā)生在掌子面中，掌子面的變形引起隧道圍巖變形，因此抑制掌子面的變形十分重要。經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)：超前支護(hù)法可以有效地抑制掌子面形變，進(jìn)而可以減小圍巖的形變，達(dá)到控制隧道穩(wěn)定的目的。

3.10 軟巖大變形施工處理技術(shù)

其一，三臺(tái)階法開(kāi)挖方式：上臺(tái)階長(zhǎng)度控制在6m以?xún)?nèi)，上臺(tái)階高4.5m，必須預(yù)留核心土，核心土長(zhǎng)度以3～4m 為宜。

其二，及時(shí)封閉掌子面：先初噴混凝土封面、鋼架，復(fù)噴噴混凝土后，再在核心土后施作系統(tǒng)錨桿和鎖腳錨桿。

其三，建立整體支護(hù)系統(tǒng)：超前支護(hù)、系統(tǒng)錨桿、拱腳穩(wěn)定、噴層與鋼架密實(shí)性、鋼架間環(huán)向及縱向連接。

其四，單層支護(hù)+補(bǔ)強(qiáng)措施：?jiǎn)螌又ёo(hù)采用大剛度支護(hù)體系，初期支護(hù)采用H175、J20、J25 等鋼架錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)并加強(qiáng)鋼架的縱向連接；控制初支強(qiáng)度及剛度，變形不穩(wěn)定時(shí)適時(shí)施作支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)。

其五，二襯施作時(shí)機(jī)研究：軟巖雙線(xiàn)隧道二次襯砌采用2mm/d 作為二襯施作時(shí)機(jī)。

4 結(jié)論

本文以隧道為例，介紹高地應(yīng)力軟巖施工的處治技術(shù)，得到以下結(jié)論：

一是高地應(yīng)力軟巖施工處治技術(shù)可通過(guò)9 種方式控制：長(zhǎng)錨桿加固圍巖、加強(qiáng)初期支護(hù)、隧底加固、柔性支護(hù)、拱腳穩(wěn)定性控制、支護(hù)及時(shí)閉合、增設(shè)緩沖層、設(shè)置循環(huán)應(yīng)力釋放窗口及采取超前支護(hù)。

二是軟巖大變形施工處理技術(shù)有：三臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)，上臺(tái)階長(zhǎng)度控制在6m 以?xún)?nèi)，上臺(tái)階高4.5m，必須預(yù)留核心土，核心土長(zhǎng)度以3～4m 為宜；要及時(shí)封閉掌子面；建立整體支護(hù)系統(tǒng)，并采取單層支護(hù)+補(bǔ)強(qiáng)措施；軟巖雙線(xiàn)隧道二次襯砌采用2m/d 作為二襯施作時(shí)機(jī)較為合理。

三是該隧道通過(guò)以上處治技術(shù)，竣工驗(yàn)收合格。表明以上方法可有效確保軟巖隧道的施工質(zhì)量。