隧道軟弱圍巖的變形機(jī)理與施工對策

一、圍巖變形機(jī)理:

(一)軟弱圍巖

所謂的軟弱圍巖有兩種含意，一是構(gòu)成隧道圍巖的礦物成分的硬度較低，常見于隧道進(jìn)出口、淺埋段、強(qiáng)風(fēng)化或全風(fēng)化巖土等硬度較低的礦物巖石隧道中;二是構(gòu)成隧道圍巖的礦物強(qiáng)度不勻，常見于夾層、破碎帶、斷層帶中或節(jié)理發(fā)育的巖層中。

(二)初始地應(yīng)力

由于隧道開挖破壞了原有地層結(jié)構(gòu)，打破了巖體原來的平衡狀態(tài)，產(chǎn)生應(yīng)力重分布。所謂的初始地應(yīng)力是指隧道開挖前，將要被挖除部分的巖體中存在的應(yīng)力。這種應(yīng)力一般由兩種力系構(gòu)成，一是自重應(yīng)力，一是構(gòu)造應(yīng)力。

(三)軟弱圍巖的變形理論

巖體的形變壓力(巖體變形產(chǎn)生的擠壓力)和松散壓力(巖塊墜落、滑移、坍塌所產(chǎn)生的重力)統(tǒng)稱為國圍壓力。按作用方向不同，圍巖壓力可分為垂直壓力和水平壓力。在硬巖層中圍巖水平壓力較小，可以忽略不計;但在松軟巖層中，圍巖的水平壓力較大。影響圍巖壓力的因素有巖土的重力、巖體的構(gòu)造、地下水的分布、洞室的形狀和尺寸以及初始地應(yīng)力。

1、圍巖壓力

圍巖壓力的確定方法:一是現(xiàn)場量測法，結(jié)果比較接近實際，但很難實施;二是理論估算法，因影響圍巖壓力的因素較多，準(zhǔn)確度低。三是工程類比法(即圍巖分類法)，按圍巖分類規(guī)則由經(jīng)驗公式估算圍巖壓力。目前最為常用的方法就是工程類比法。

巖石堅固系數(shù)分類法(普羅托吉雅柯諾夫法):

圍巖垂直壓力σz=γhl

圍巖水平壓力:洞室拱頂σH=γhltan2(π/4-ψ/2)

洞室拱底σH=γ(hl+h)tan2(π/4-ψ/2)

γ:圍巖容重;hl:普氏壓力拱的矢高;h:隧道毛洞的高度;ψ:土的內(nèi)摩擦角，且有hl=al/f，其中al=a+h tan(π/4-ψ/2); f為巖石堅固性系數(shù);a為隧道半寬。普氏理論適用于較松散、破碎地層，即適用于軟弱圍巖。

2、土壓力

在土層中施工隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的土壓力可以用靜止土壓力公式:朗金(R ankine)土壓力計算公式、庫倫(Couloun)土壓力計算公式進(jìn)行計算。

利用非線性有限元法解決粘塑性蠕變問題;離散元法解決破碎掉塊情況下的巖石穩(wěn)定問題。當(dāng)軟弱圍巖如有地下水，則極不利圍巖的穩(wěn)定，在力學(xué)上出現(xiàn)流固耦合問題，它涉及到流體的許多性質(zhì)。

二、工程對策:

(一)輔助施工措施

對軟弱圍巖區(qū)應(yīng)首先采取切實有效的超前支護(hù)措施，如長管棚、超前小導(dǎo)管、超前錨桿、圍幕注漿、地表注漿固結(jié)等措施之后才能進(jìn)行洞身開挖施工。

1、長管棚

長管棚是一種長距離超前支護(hù)方法，由于超前距離長、支護(hù)剛度大，非常適用于掌子面自穩(wěn)能力差的松散土層或上部有動荷載的土層段。通過管內(nèi)壓漿使加固區(qū)形成環(huán)狀硬殼，與鋼管形成整體，能承受上部及前方土柱的巨大壓力，對防止軟弱圍巖初期松馳、土壓增大及土體塌落有良好效果。

2、超前小導(dǎo)管

其做用類似長管棚，雖然沒有長管棚的支護(hù)強(qiáng)度高，但更靈活，更便于實施，是超前支護(hù)施工中最常用工程措施。同鋼支撐相結(jié)合使用，效果更佳。最適合于裂隙發(fā)育的強(qiáng)卸荷圍巖、破碎帶等地段。

3、超前錨桿

超前錨桿對掌子面上方圍巖起錨固作用，是加固掌子面圍巖的一種工程措施。適用于裂隙較發(fā)育的硬巖隧道。

4、圍幕注漿

主要適用于地下水發(fā)育地段，可能會引起突水涌泥或地下水特別大時，可能造成地表水流失時。

5、地表注漿

淺埋地段，為預(yù)防地表沉陷、塌方通天而采取的一種工程措施。根據(jù)地質(zhì)情況，砂性土、粘性土隧道采用劈裂注漿工藝施工，對碎石土，或破碎帶采用滲透注漿工藝施工。

(二)施工措施:

1、短開挖弱爆破

短進(jìn)尺，指一次開挖的距離要短，以減少圍巖變形臨空面。在爆破時，要用淺眼、密眼，應(yīng)用控制爆破技術(shù)，努力保護(hù)圍巖，降低爆破擾動層厚度，充分利用圍巖的自然成拱原理自穩(wěn)。

2、分部開挖

分部開挖法是將隧道全斷面分成幾個部分開挖的施工方法。常用的方法有雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、中隔壁法、三臺階七部法等。

分部開挖因減少了每個開挖斷面的一次開挖跨度，能夠顯著增強(qiáng)坑道圍巖的相對穩(wěn)定性，且易于及時支護(hù)，因此適應(yīng)于圍巖軟弱、破碎嚴(yán)重或設(shè)計斷面較大的隧道中。

3、早封閉

快、強(qiáng)支護(hù):每步開挖后要及時進(jìn)行初期支護(hù)，強(qiáng)初期支護(hù)為鋼支撐噴錨結(jié)構(gòu)，盡快使鋼拱架閉合成環(huán)。快襯砌:襯砌工作須緊跟開挖工作面進(jìn)行，力求襯砌盡快成環(huán)。

三、工程實例

(一)粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化正常斑巖隧道

向莆鐵路道德山隧道進(jìn)口端(FDK522+565-FDK526+600)進(jìn)洞后圍巖為粉質(zhì)粘土，褐黃色，硬塑，下伏石英正常斑巖，肉紅色。全風(fēng)化段，圍巖初經(jīng)開挖時強(qiáng)度較高，用風(fēng)鎬鑿都很困難，見圖4-1。遇水后圍巖強(qiáng)度迅速降低，用鍬就能挖動，見圖4-2;

隨著滲水量的增大，圍巖由可塑到流塑狀態(tài)，見圖4-3，掌子面不能自穩(wěn)，采用預(yù)留核心土和透水性材料反壓核心土，同時周邊安設(shè)排水管，引流一采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖，鋼支撐和臨時鋼支撐錨噴支護(hù)，超前支護(hù)措施為大管棚和局部超前小導(dǎo)管順利通過，見圖4-4。

(二)凝灰?guī)r破碎帶隧道

向莆鐵路道德山隧道F5斷層范圍為英安質(zhì)凝灰熔巖、凝灰?guī)r破碎帶，采用小導(dǎo)管超前4-5，采取三臺階七步法，輔以超前小導(dǎo)管安全通過，三臺階法第一臺開挖，見圖4-6。

(三)軟巖隧道

沙子埡隧道，工程區(qū)位于五峰背斜南翼，并緊鄰該背斜核部，工程區(qū)部位為單斜構(gòu)造，巖層走向70°-80°，傾向sE，傾角30°-45°，隧道走向:257°15′1″。

從樁號K192+680至K193+506，巖質(zhì)為粉砂質(zhì)頁巖夾砂巖，少量碳質(zhì)頁巖;局部結(jié)構(gòu)面發(fā)育，有泥及碳質(zhì)頁巖填充;巖石呈層片狀，有光澤，遇水軟化，用手極易扳斷，是典型的軟巖隧道。經(jīng)圍巖量測，開挖后變形較大，拱部采取超前小導(dǎo)管和超前錨桿超前支護(hù)，加強(qiáng)初期支護(hù)為鋼支撐，臺階法短進(jìn)尺開挖順利完成施工任務(wù)，見圖4-7上臺階開挖;和圖4-8鋼支撐施工。

(四)土夾石且大量涌水隧道

黑河塘水電站cⅡ一1標(biāo)引水隧洞工程，0+830-1+250m為磨房溝過溝段，溝谷切割深，覆蓋層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由冰川凍融泥石流堆積的含孤塊碎石土組成，巖體風(fēng)化卸荷相對較強(qiáng)，完整性差，加之溝內(nèi)常年流水，受溝水補(bǔ)內(nèi)外排水相結(jié)合，并在枯水季節(jié)順利通過磨房溝。

四、施工注意事項:

(一)軟巖隧道施工應(yīng)堅持”預(yù)支護(hù)、短開挖、少擾動、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、實回填、嚴(yán)治水、勤量測”的原則。

(二)施工排水很重要:盡可能將隧道外之水?dāng)r截于隧道之外，洞內(nèi)也要有組織引排水，防止圍巖因水的作用而軟化，防止在水的作用下軟弱夾層隨水流失，造成巖體松馳而塌方。

(三)長管棚施工注意管棚方向控制。超前小導(dǎo)管宜穿人鋼支撐施作。為保證注漿質(zhì)量，在注漿管管尾焊球閥，注漿壓達(dá)到設(shè)計或停止注漿時將球閥關(guān)閉，再卸掉注漿管。

(四)做好起前地質(zhì)預(yù)報:主要采取TSP超前地質(zhì)預(yù)報、水平超前探孔、監(jiān)控量測、地質(zhì)鉆探等手段獲得地質(zhì)資料，指導(dǎo)施工。

五、結(jié)束語

軟巖隧道施工一直是隧道施工中的難點。本文通過對軟弱巖體變形理論的研究，采用工程類比法，有針對性地采取經(jīng)濟(jì)有效的工程措施，最大限度地防止隧道塌方的發(fā)生。但是由于地質(zhì)構(gòu)造千差萬別，構(gòu)造應(yīng)力不易準(zhǔn)確估計，影響圍巖壓力的因素很多，很難量化圍巖的受力情況，在運用上述施工對策的同時還必須進(jìn)行監(jiān)控量測，根據(jù)量測結(jié)果分析變形情況適時調(diào)整支護(hù)參數(shù)，以正確指導(dǎo)隧道施工。