深埋長大隧道圍巖破壞原理、特征及支護(hù)措施研究

黃 秦

（中鐵二十一局集團(tuán)第六工程有限公司，北京 100176）

0 引言

當(dāng)前隧道施工的不確定因素較多，且受自身工程特點(diǎn)限制，安全風(fēng)險(xiǎn)極大，因此是工程領(lǐng)域的重難點(diǎn)。在隧道施工時(shí)，存在原巖體內(nèi)應(yīng)力平衡狀態(tài)的破壞現(xiàn)象，在巖體二次找穩(wěn)過程中，會(huì)因巖體的穩(wěn)定性以及強(qiáng)度不足而出現(xiàn)掉塊、變形乃至坍塌破壞等問題。而圍巖是否會(huì)發(fā)生破壞，除考慮巖石自身巖性外，還要考慮巖石內(nèi)的初始應(yīng)力、地形、洞室的形狀、大小、支護(hù)時(shí)間及剛度、洞室埋深、長度、地形和施工方法等因素。因此在深埋長大隧道施工中，需深入調(diào)查研究制定方案，慎重選擇開挖工藝和對(duì)應(yīng)的支護(hù)措施，以減少對(duì)周邊巖體的擾動(dòng)破壞，在確保結(jié)構(gòu)質(zhì)量和作業(yè)人員安全的前提下快速、經(jīng)濟(jì)地推進(jìn)工作。

1 工程概況

（1）地質(zhì)。吳家隧道地處在湖南省桃源縣的中低山區(qū)，是新建黔江至張家界至常德鐵路的重點(diǎn)性工程，隧道的進(jìn)口位于牛車河鄉(xiāng)，出口在彭家寨遼葉溪的右岸，山體起伏且山勢陡峭，地表植被樹木茂盛。該隧道判定為Ⅱ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道，隧道通過地層分布有剪家界斷層F8 及田家界背斜，不良地質(zhì)主要有滑坡、巖溶、基層順層。由于受構(gòu)造、節(jié)理、裂隙及地下水和埋深影響，巖體較破碎，隧道圍巖級(jí)別以Ⅳ級(jí)、Ⅲ級(jí)為主，部分為Ⅴ級(jí)，隧道工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜。隧道通過巖性接觸帶、物探低阻節(jié)理密集帶、斷層破碎帶及背斜軸部、淺埋地段，很可能出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)、坍塌，并可能引發(fā)突然突水、涌水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害。

（2）設(shè)計(jì)。該線為國家Ⅰ級(jí)鐵路，設(shè)計(jì)時(shí)速200 km/h的客貨共線。吳家隧道總長為5968.4 m ，最大/最小埋深分別為309 m/40 m，受地形交通等條件限制，施工難度非常大。

2 隧道圍巖破壞原理及特征

現(xiàn)階段不同類型的地下工程種類以及數(shù)量增多，因地質(zhì)情況和施工方法不同，發(fā)生圍巖的破壞情況也不盡相同。施工前巖體在一定的地應(yīng)力場中處于三軸壓力平衡狀態(tài)，因開挖平衡狀態(tài)遭到破壞，圍巖應(yīng)力就會(huì)重新調(diào)整，自空腔向外依次形成塑性流動(dòng)區(qū)、塑性軟化區(qū)、塑性硬化區(qū)、彈性區(qū)。該4 個(gè)區(qū)域的力學(xué)行為與巖石的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線是對(duì)應(yīng)的，因巖體細(xì)部個(gè)體差異，區(qū)域的劃分是相對(duì)的。開挖后隧壁徑向應(yīng)力逐漸增大，切向應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)周圍巖體徑向應(yīng)力超過巖體的抗壓強(qiáng)度時(shí)，巖體發(fā)生破壞。基于新奧法理論，塑性硬化區(qū)是圍巖成拱承載的主體，初始允許圍巖有一定的變形，但要在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間通過支護(hù)約束變形幅度，重新達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。相對(duì)于硬巖和軟巖地質(zhì)，圍巖破壞分為延性以及脆性。通過分析圍巖的破壞原理，掌握應(yīng)力與支護(hù)的相關(guān)聯(lián)系，從而運(yùn)用跟蹤調(diào)查的方式，明確圍巖的破壞情況。

2.1 重力坍塌（一般性）

在隧道施工中坍塌多發(fā)生在圍巖面，其表現(xiàn)主要在于洞段開挖完畢后，開挖面的巖體存在不穩(wěn)定的現(xiàn)象，使其在自重應(yīng)力下出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，也就是重力塌落。此種問題一旦出現(xiàn)，一般會(huì)以邊拱或拱頂情況出現(xiàn)。如吳家隧道穿越剪家界斷層F8（洪巖障斷層）為逆斷層，產(chǎn)狀N740E/700S，與線路相交于DK264+185 處。該斷層發(fā)育于遠(yuǎn)古街上板溪群，經(jīng)剪家界、楊家溪一帶，斷層破碎帶寬約70 m，延伸約12 000 m，斷層帶主要物質(zhì)為壓碎砂巖。施工時(shí)，由于圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，開挖工藝參數(shù)與支護(hù)時(shí)間、措施控制不力，巖石面不時(shí)發(fā)生掉塊、側(cè)圍突出滑塌，甚至引起坍塌，嚴(yán)重影響了隧道施工安全質(zhì)量。

此類圍巖破壞的原理主要是開挖后臨空面上巖體失去原有平衡，應(yīng)力重新分布，塑性流動(dòng)區(qū)、軟化區(qū)域內(nèi)的巖塊在張力和振動(dòng)力作用下松動(dòng)脫落，產(chǎn)生拱頂崩落或邊墻片幫。若巖塊本身破碎或有結(jié)構(gòu)面夾泥時(shí)，支護(hù)不及時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大塌方，甚至冒頂。

2.2 構(gòu)造應(yīng)力型坍塌

因地質(zhì)運(yùn)動(dòng)巖層形成斷層、褶皺、背斜等構(gòu)造，往往原結(jié)構(gòu)失去支撐，在重力作用下發(fā)生塌滑、塌陷、錯(cuò)動(dòng)等形成新的構(gòu)造，達(dá)到新的平衡，同時(shí)也積聚了巨大能量。現(xiàn)因工程活動(dòng)造成能量釋放，圍巖出現(xiàn)屈服破壞而造成應(yīng)力型坍塌。坍塌問題的出現(xiàn)原因在于高應(yīng)力區(qū)中的結(jié)構(gòu)面的剪切破壞，一旦產(chǎn)生構(gòu)造應(yīng)力破壞，則會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力增大的問題，難以抑制能量的釋放狀態(tài)，使圍巖的破壞力增大，從而引發(fā)構(gòu)造應(yīng)力型破壞問題。同時(shí)構(gòu)造應(yīng)力型破壞存在斷裂問題，其規(guī)模不會(huì)過大，常見的斷裂問題為多條節(jié)理、單條剪性以及其他組合型斷裂。

吳家隧道所經(jīng)區(qū)域在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用力的影響下地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，大地構(gòu)造單元隸屬于揚(yáng)子地臺(tái)，二級(jí)構(gòu)造單元武陵山東端常德地區(qū)屬江南臺(tái)背斜，西部則為鄂黔臺(tái)褶帶。武陵山為一級(jí)次隆起帶。在隧道進(jìn)口段山體自然坡度較陡，巖性為震旦系上統(tǒng)白云巖夾頁巖，巖層產(chǎn)狀N500E/270N，傾向小里程側(cè)，存在順層問題。在作業(yè)時(shí)，巖體初始應(yīng)力狀態(tài)破壞，巨大儲(chǔ)存能量被釋放，巖體在構(gòu)造應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂，引起巖體失穩(wěn)破壞現(xiàn)象。

2.3 應(yīng)力型巖爆

在隧道施工中應(yīng)力型巖爆問題作為工程區(qū)域內(nèi)破壞性較大的一種情況，其多數(shù)會(huì)發(fā)生于深埋、長大隧道中，且發(fā)生在巖塊相對(duì)完整、中厚層、層面暴露少或是結(jié)構(gòu)面良好的區(qū)域。此種破壞的變形時(shí)間較短，是通過彈性能進(jìn)行釋放的，在發(fā)生時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定的響聲，并伴隨著剝離、松脫以及彈射等問題的出現(xiàn)。巖爆現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，既有即時(shí)發(fā)生的，也有滯后幾天甚至幾個(gè)月再次發(fā)生的情況，隨機(jī)性大，嚴(yán)重影響施工安全和結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

吳家隧道長5968.4 m，最大埋深為309 m。在隧道中部山峰區(qū)段多次發(fā)生巖爆現(xiàn)象，或發(fā)生在掌子面裸巖，或發(fā)生在已支護(hù)地段，導(dǎo)致個(gè)別人員受到不同程度的傷害。經(jīng)分析認(rèn)為，此段巖體中存在較大的應(yīng)力，由于工程活動(dòng)導(dǎo)致其原平衡狀態(tài)遭到破壞，巖體中聚集的能量被釋放引起巖石破壞，輕者脫落，重者彈射傷人，甚至引起結(jié)構(gòu)破壞或巖體坍塌。

3 深埋長大隧道工程的支護(hù)措施及建議

3.1 應(yīng)力型非巖爆破壞段

在應(yīng)力型破壞段以及非巖爆破壞區(qū)域的隧道支護(hù)工程中，施工人員應(yīng)嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)方案，根據(jù)設(shè)計(jì)人員制定的圍巖具體承載設(shè)計(jì)思路，明確后續(xù)隧洞注漿加固的方式（圖1），了解圍巖的實(shí)際承載力。

圖1 隧洞（溶洞）注漿加固

（1）運(yùn)用錨桿支護(hù)、混凝土噴層以及高壓固結(jié)（包括二次灌漿加固），控制圍巖的破壞情況，實(shí)現(xiàn)噴錨支護(hù)與承載結(jié)構(gòu)的有效結(jié)合。同時(shí)，由于圍巖變形以及破壞問題的產(chǎn)生與巖體內(nèi)的初始應(yīng)力存在一定的關(guān)聯(lián)，操作人員在處理非巖爆破壞段時(shí)，可根據(jù)圍巖的實(shí)際分布情況，了解巖體結(jié)構(gòu)是否均勻地分布，使大范圍圍巖能夠維持穩(wěn)定狀態(tài)，從而監(jiān)測出圍巖中最為薄弱的部位，將其進(jìn)行加固并避免其受到二次破壞。在本工程實(shí)施過程中運(yùn)用圍巖的高壓固結(jié)灌漿及噴錨支護(hù)的手段，保持圍巖的狀態(tài)，控制該區(qū)域內(nèi)的外水壓力及地應(yīng)力。同時(shí)可利用圍巖加固的方式，增加承載圈的能力，減少圍巖破壞的風(fēng)險(xiǎn)[1]。

（2）施工中要做到減少施工風(fēng)險(xiǎn)，把控施工安全并加強(qiáng)施工預(yù)警，簡而言之，開挖前既要做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前注漿加固、超前管棚，又需要合理執(zhí)行小導(dǎo)管支護(hù)方案。施工過程中做到工法到位、支護(hù)措施到位、快速封閉到位、襯砌跟進(jìn)到位；全過程強(qiáng)化量測監(jiān)控及時(shí)預(yù)警并指導(dǎo)施工。針對(duì)不同地質(zhì)圍巖和設(shè)計(jì)斷面尺寸，地應(yīng)力及施工經(jīng)驗(yàn)選擇臺(tái)階法、中隔壁法、交叉中隔壁法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等開挖方法，每步開挖的空間參數(shù)需要進(jìn)行計(jì)算和現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證并及時(shí)調(diào)整；還要做到“巖變我變”，及時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整施工參數(shù)，為先柔后剛、抗放結(jié)合。施工中支護(hù)措施是以快速支護(hù)限制變形，盡量做到快速封閉成環(huán)、整體受力[2]。

3.2 應(yīng)力型巖爆破壞段

根據(jù)工程施工特點(diǎn)，分析巖爆的應(yīng)力型破壞區(qū)域是否存在以下兩個(gè)方面因素影響：①在隧道開挖期間擾動(dòng)圍巖；②在隧道開挖過程中輪廓線周圍的應(yīng)力量級(jí)分布以及地應(yīng)力分布方面的差異性。所以，在上述兩種類型的圍巖破壞過程中，需加強(qiáng)對(duì)圍巖應(yīng)力方面的重視，減少隧道開挖過程中產(chǎn)生的擾動(dòng)問題，運(yùn)用相對(duì)完善的施工方式，則可以改善當(dāng)前圍巖應(yīng)力條件[3]。

3.2.1 注重施工材料，執(zhí)行特殊處理方案

圍巖的常見支護(hù)方法包括格柵鋼架、錨噴等，即使不同的操作都會(huì)用到噴錨支護(hù)，而由于圍巖破壞段的問題差異，有時(shí)會(huì)運(yùn)用高強(qiáng)度的納米纖維混凝土進(jìn)行操作。

（1）可通過增加混凝土噴層厚度的方式，正確選擇錨桿，適當(dāng)?shù)卦黾渝^桿的長度，拓展其應(yīng)用區(qū)間，定向安裝脹殼式錨桿、預(yù)應(yīng)力錨桿以及水脹式錨桿，完成對(duì)特殊施工材料的運(yùn)用[4]。

（2）在相鄰隧道中可根據(jù)圍巖的規(guī)模以及形式，選取圍巖相似區(qū)域，在短時(shí)間內(nèi)安裝拱架或型鋼，在拱架之間增設(shè)鋼絲網(wǎng)，進(jìn)行柔性支護(hù)操作，在確保強(qiáng)支護(hù)工作實(shí)施完畢后，則可緩解其中存在的釋放圍巖應(yīng)力。運(yùn)用加強(qiáng)基底處理的方式，檢測隧道底部的狀態(tài)，例如，本工程中隧道底部多數(shù)為軟塑狀或是松散的砂黏土、黏土沉積物。所以，在支護(hù)工作實(shí)施過程中操作人員可根據(jù)結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的固結(jié)沉降問題，要對(duì)基底進(jìn)行處理，采用換填、樁基以及加固的方式，實(shí)現(xiàn)基底換填，以提升圍巖的穩(wěn)定性[5]。

（3）采用因地制宜的操作方式，在完成特殊處理后結(jié)合當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)以及工程地質(zhì)狀況，執(zhí)行綜合治理操作。例如，若隧道中出現(xiàn)水被封堵的問題，則可在完成隧道開挖工作后，監(jiān)測隧道中的局部滲水狀況，運(yùn)用封堵截排的方式限量排放，采用噴錨支護(hù)、超前管棚以及徑向注漿等輔助方式，確保隧道頂端的圍巖可以被加固。因此，可運(yùn)用鉆孔樁、換填、注漿、樹根樁以及粉噴樁等操作方式，保證隧道底部的地層可以順利完成加固操作，從而增強(qiáng)隧道底端的強(qiáng)度，解決基底沉降問題。

3.2.2 加固工作面，處理應(yīng)力型坍塌

根據(jù)巖爆區(qū)域的工作面狀態(tài)，運(yùn)用膨脹錨桿實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面應(yīng)力型以及巖爆坍塌問題的控制。具體操作如下：確認(rèn)工作面存在被破壞的問題，向掘進(jìn)的方向提前打錨桿，加固工作面并控制好錨桿的長度（常規(guī)情況錨桿長度是爆破進(jìn)尺深度的2 倍）。由此方式，在爆破操作執(zhí)行完畢后，則可讓部分錨桿進(jìn)入圍巖內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面的加固，加強(qiáng)支護(hù)改變應(yīng)力變化程度和方向。通過采用巖體表面噴射混凝土、打設(shè)系統(tǒng)錨桿、噴錨聯(lián)合支護(hù)、鋼拱架網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)、緊跟襯砌混凝土等工序，抵抗巖體應(yīng)力變化。

3.2.3 控制圍巖應(yīng)力，減少應(yīng)力破壞問題

處理巖爆問題應(yīng)按“以防為主，防治結(jié)合”原則，做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。在開挖前，提前分散釋放應(yīng)力，降低應(yīng)力集中釋放概率。微巖爆區(qū)段采用掌子面灑水降溫、軟化巖層表層促使應(yīng)力釋放；中等巖爆區(qū)段采用開挖輪廓線外加打注水孔、注高壓水降低圍巖溫度，加速圍巖應(yīng)力釋放；高巖爆區(qū)段可采用分部開挖，先做小導(dǎo)洞分部位釋放應(yīng)力并結(jié)合注水，灑水加速釋放應(yīng)力。

在操作過程中鉆孔深度不可超過水壓和上覆土壓之和。在完成上述施工后，則可進(jìn)行地面注漿，合理規(guī)劃出漿液擴(kuò)散區(qū)間并嚴(yán)格把控注漿壓力，避免對(duì)周邊的建筑物造成破壞。而在操作期間應(yīng)注意采用短進(jìn)尺的掘進(jìn)方式，降低爆破頻率并適當(dāng)?shù)販p少藥量，使光爆效果可以被控制。這樣一來，則可避免圍巖表面不會(huì)出現(xiàn)注漿集中的現(xiàn)象，讓其能夠一次成形，從而讓圍巖應(yīng)力能夠得以平衡。

在施工后期，可根據(jù)圍巖的暴露情況以及工作面的狀態(tài)，執(zhí)行高壓噴水操作，使工作人員可以運(yùn)用錨桿以及炮眼向圍巖的深部進(jìn)行注水操作，控制好圍巖的強(qiáng)度，確保其可以進(jìn)行塑性，降低圍巖的脆性，減少應(yīng)力型、巖爆等破壞帶來的影響。

4 結(jié)語

在深埋隧道工程內(nèi)圍巖支護(hù)的難點(diǎn)在于圍巖的破壞模式是不確定的，一旦在施工過程中出現(xiàn)支護(hù)強(qiáng)度不夠或是支護(hù)不及時(shí)的問題，則會(huì)導(dǎo)致圍巖破壞問題出現(xiàn)。因此，在隧道工程中可根據(jù)洞設(shè)計(jì)規(guī)范要求，運(yùn)用正確的支護(hù)方式，采取行之有效的操作手段，降低圍巖的大規(guī)模破壞，從而利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)以及圍巖分析等手段，檢測出施工區(qū)域內(nèi)存在的動(dòng)態(tài)破壞問題，通過現(xiàn)有的支護(hù)措施，將圍巖帶來的影響降到最低，以保證安全施工。