探討某深埋隧道工程圍巖破壞特征及支護措施

李貽先

（貴州路橋集團有限公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

巖石地下工程施工中，圍巖破壞對結構穩(wěn)定性產生巨大影響，導致圍巖破壞的主要誘因為其強度受損或穩(wěn)定性不佳[1]。巖石初始應力狀態(tài)、洞型大小、圍巖巖性等指標都會影響圍巖的變形性[2-3]。故此，隧道項目施工前，必須加強現(xiàn)場勘測，掌控區(qū)域地質特征，根據圍巖變形破壞特征采取適當?shù)闹ёo措施提高結構穩(wěn)定性，確保項目施工安全、快速、穩(wěn)定地進行。

1 工程概況

某隧道項目，開挖洞徑13 m，洞長2 500 m，隧洞巖體一般埋深1 300～2 100 m，該工程具有埋深大、洞線長、洞徑大等特點，項目工期要求緊。該項目所穿越的地質層包括層狀大理巖層、云母片巖層、局部薄層砂巖層，地質特征如下：1）地層巖石堅硬；2）主要的巖體結構包括層狀結構、塊狀結構和碎裂結構等。在高地應力和硬脆性巖體影響下，該項目工程難度大，施工環(huán)節(jié)易引發(fā)一系列工程問題。

2 變形破壞特征

現(xiàn)階段，地下工程項目繁多，施工工藝層出不窮，各種施工方法和施工工藝對地質周圍圍巖破壞程度不一，導致圍巖特征有所不同[4]。圍巖破壞方式與其他巖石類大體相同但綜合性更強，多為不同類型破壞過程相互影響的結果。根據破壞機制的不同，可將圍巖破壞方式分為脆性破壞和延性破壞兩種，圍巖特征與破壞類型有內在關聯(lián)，垂直面以破裂后沿層面剪切破裂為主，層狀圍巖則以層面剪切破裂后剪斷破裂為主，由此可見，圍巖結構特征不同，其破裂類型有所差異。跟蹤調查結果顯示，工程區(qū)域的圍巖破壞以脆性破壞為主，此外還包括一般性坍塌、應力坍塌、層片狀圍巖結構劣化、巖爆等，不同破壞方式的機制存在差異，卻又彼此關聯(lián)。

2.1 一般性坍塌

一般性坍塌主要出現(xiàn)在圍巖結構內洞室，開挖過程中兩條洞室結構面和開挖面之間形成不穩(wěn)定性石塊，受自身重力作用出現(xiàn)坍塌，這種結構多出現(xiàn)在拱頂位置，如圖1 所示。

圖1 破壞機制

2.2 構造應力型坍塌

構造應力型坍塌的破壞方式包括某一結構面剪力破壞和巖體一般性破壞兩種類型，多由于巖體屈服破壞和能量釋放引起[5]。圍巖結構出現(xiàn)構造應力坍塌后，能量釋放引發(fā)更大的破壞，隨著開裂規(guī)模的不斷增加，導致圍巖斷裂。最常見的斷裂類型包括多條節(jié)理剪切帶、單條剪性斷裂等方式，見圖2 所示。

圖2 破壞機制

2.3 層片狀圍巖的結構弱化

層片狀圍巖是隧道圍巖結構的主要組成部分，該部分巖層易出現(xiàn)結構弱化，在項目開挖的過程中，在荷載作用影響下容易導致破裂，加之巖體結構面張開、爆破繞動以及水化耦合作用的共同影響，巖體的完整結構被破壞，最終形成了分散的層狀巖片，詳見圖3 所示。

圖3 層片狀圍巖弱化機理

層狀巖體不同層面的結構強度存在差異，結構脆弱的區(qū)域容易出現(xiàn)變形破壞，由此可見，層狀巖體結構強度不同是導致隧道變形和結構破壞的直接誘因。不同層面的巖體結構強度各異，巖層變形后彎折，進而在荷載作用下出現(xiàn)層面分離和斷裂，如果彎折程度超過單層巖石變形撓度值，則會導致巖層斷裂脫落[6]。

2.4 應力型坍塌、巖爆

應力型坍塌在巖區(qū)施工中最為常見，多發(fā)生于巖體完整性良好的區(qū)域，破壞前的變形時間短，且主要集中在中厚層巖石中。巖爆則是結構內彈性能突發(fā)釋放的過程，往往會伴有不同程度的聲響，并導致巖石剝離、彈射，應力型坍塌和巖爆均出現(xiàn)在工作面較小距離的巖層中，且其破壞力具備滯后性，詳見圖4 所示。

圖4 破壞機制

3 支護方案設計原理

隧道圍巖破壞機制不同，其產生的破壞力和破壞效果有所差異，應根據不同破壞機制，對巖體結構和相關區(qū)域進行支護，控制隧道圍巖的變形，提高結構穩(wěn)定性，避免隧道坍塌等事故[7]。主要措施如下所示：

3.1 關鍵區(qū)域定向錨固

傳統(tǒng)隧道支護方法無法為圍巖提供相對穩(wěn)定、均勻的承載力，且圍巖周圍變形存在非均勻性的特點，故此可以結合關鍵區(qū)域受力特征主動穿層加固，提高目標關鍵區(qū)域的結構穩(wěn)定性，改善其巖性強度。

（1）圍繞圍巖與隧道交界面建立離散數(shù)值模型，并確認圍巖受力情況和變形性。隧道洞軸和圍巖層面之間存在的排列組合方式眾多，需對最常見的類型進行建模，并獲取相關數(shù)據，模擬真實受力情況。

（2）依據計算結果對隧道斷面主要區(qū)域的變形進行分析，獲取不同層巖層變形的區(qū)域分布狀況，明確施工環(huán)節(jié)最容易出現(xiàn)變形破壞的部分。對獲取的易破損區(qū)域進行定向傳層錨固，作用于剛度和強度最弱的區(qū)域，避免圍巖結構面在荷載的作用下被脫離。

（3）結合斷面松動圈，確定定向錨固的方向和具體范圍，對圍巖內部關鍵位置的位移值進行分析，確定結構穩(wěn)定性最強的區(qū)域，確定圍巖壓力空間分布特征，并明確單位面積錨固力的大小[8]。

3.2 初期支護鋼拱架定向增強

現(xiàn)場勘測確定可能出現(xiàn)集中形變的圍巖區(qū)域，集中加固后采用初期支護鋼拱架進行目標區(qū)域的支護，避免持續(xù)擠壓作用下圍巖結構扭曲，穩(wěn)定性降低引發(fā)巖石脫落。增加鋼拱架一般寬度是提高側向剛度的主要措施，從而為局部區(qū)域提供相對可靠的支撐，但是對翼緣寬度的盲目擴展則會降低局部穩(wěn)定性，不利于隧道支護項目施工的順利進行。故此，可在鋼拱架的頂部和側向位置焊接H 型鋼截面或增添加筋板，來達到提高支護強度防止側向變形的目的。

4 支護措施建議

巖區(qū)隧道施工應結合圍巖變形破壞力、危害程度、受損區(qū)域等指標選擇合適的支護措施，對常規(guī)圍巖段、巖爆段、應力破壞段，實施差異化的支護措施，以提高區(qū)域結構強度和穩(wěn)定性。圍巖常規(guī)段支護措施包括系統(tǒng)錨桿、噴射混凝土、鋼筋網片布置等，巖爆或應力破壞段，則需加強支護，提高結構強度。

4.1 非巖爆和應力型破壞段

非巖爆、應力型破壞段隧洞支護應遵循設計規(guī)范，執(zhí)行圍巖作為主要承載來源的基本方針，通過二次高壓固結灌漿、錨桿支護、混凝土噴層等不同措施，進行圍巖加固，提高其結構穩(wěn)定性和承載力水平，確保圍巖和錨支護結構達標。

結合該工程實際和隧道破損情況，選定噴錨支護和高壓固結灌漿施工的聯(lián)合支護方案，提高圍巖結構的長期穩(wěn)定性。通過對隧洞內襯結構的支護或二次高壓固結灌漿處理，改善結構穩(wěn)定性，提高其承載力水平，使隧道圍巖抗?jié)B透性、耐久性得以改善。

4.2 巖爆和應力型破壞段

以該工程特點為基礎，巖爆和應力型破壞段須對兩個因素加以控制，即開挖過程中圍巖受擾動程度以及開挖輪廓周圍的應力分布格局。施工區(qū)域存在上述兩種類型圍巖破壞，須采取有效措施降低開挖擾動程度和圍巖應力值，改善區(qū)域承載力和穩(wěn)定性[9]。結合圍巖施工方法和應力改善條件可從以下幾點入手：

（1）工作面處理：主要采用錨桿系統(tǒng)支護，巖爆段工作面的處置方式主要用以控制應力型垮塌或巖爆繼續(xù)深入。詳細操作要點如下：1）工作面施加膨脹錨桿，改善圍巖張力水平，隨著錨孔數(shù)量的增多，圍巖應力被抵消，避免應力值過大，導致結構受損；2）工作面被破壞后，根據挖進方向設置前錨桿，錨桿長度一般大于進尺兩倍，并在循環(huán)爆破后保留在巖體內部，對工作面加固，提高圍巖結構穩(wěn)定性。

（2）特殊施工材料應用與處置。噴錨支護和格柵鋼架為圍巖加固的常見措施，相比于常用支護措施，噴錨支護采用高納米材料與混凝土按照特定比例制備而成，混凝土噴漿厚度增加，可為圍巖提供更好的支撐效果，改善其穩(wěn)定性。錨桿選擇時不僅要提高長度精準值，還要安裝預應力錨桿、水脹式錨桿、脹殼式錨桿以滿足不同場景下應用需求[10]。與此同時，結合隧道相鄰結構的特征和破壞規(guī)模，相似地質段內安裝拱架或型鋼，以改善結構承載力，并在拱架之間安裝鋼絲網，提供柔性支撐進一步改善支護效果，安裝過程中需對鋼絲網緩慢釋放并固定。

（3）圍巖應力解除與降低。1）現(xiàn)場分析隧道圍巖應力指標，危害性大者需在施工環(huán)節(jié)加以控制，采取積極措施降低應力；2）結合施工經驗嚴格控制施工工藝參數(shù)，鉆爆法施工執(zhí)行“短進尺、短掘進”原則，并對光面爆效果準確控制，降低應力集中現(xiàn)象，施工階段盡可能一次性完成，避免應力平衡狀態(tài)被打破；3）施工完畢后，向暴露的工作面或圍巖面進行高壓噴漿，或利用錨桿孔、高壓水槍向巖體內注水改善其強度，降低脆性，避免巖爆，保障圍巖結構穩(wěn)定。

5 結論

圍巖破壞模式眾多，破壞類型不確定，是圍巖支護的難點所在，如果圍巖破壞模式不確定，則會導致施工過程中支護強度不達標、支護不及時等施工病害出現(xiàn)。普通隧道洞身內部可根據標準規(guī)范，采取相對成熟的支護措施。應力破壞和巖爆區(qū)域，需結合實地勘測情況，選擇合理的支護結構，不可盲目選擇而導致圍巖結構被大量破壞，最終影響隧道質量。

隧道施工中須結合實際情況選擇相對靈活的支護方式，避免現(xiàn)場圍巖結構的大量破壞。經過支護后，變形監(jiān)測數(shù)據結果顯示，圍巖變形量有所降低，證實應力調整措施和支護手段起到了一定效果，圍巖被破壞程度降低，表明相關措施的支護效果可觀。后續(xù)施工環(huán)節(jié)還應針對圍巖結構和應力狀態(tài)，實時分析其破壞狀態(tài)，評估現(xiàn)有支護措施的效果，以提高圍巖的結構穩(wěn)定性，將其可能產生的危害程度降低到最小，確保施工安全。