關(guān)于軟弱圍巖中隧道超前支護(hù)施作的新構(gòu)想

摘要：文章闡述了隧道軟弱圍巖段洞身開挖后的變形機(jī)理，有針對性地為隧道穿過軟弱圍巖提出了超前支護(hù)施工的新構(gòu)想，較好地解決了施工中可能出現(xiàn)的隧道塌方問題，對隧道施工技術(shù)推廣應(yīng)用具有參考作用。

關(guān)鍵詞：軟巖隧道 超前支護(hù) 構(gòu)想

1、軟弱圍巖變形理論

本文擬在隧道開挖超前支護(hù)技術(shù)方面作些探討，為避免產(chǎn)生歧意，先說明兩點(diǎn)：第一，本文中的軟巖僅指工程軟巖，工程軟巖是指在工程力的作用下能產(chǎn)生顯著塑性變形（超過設(shè)計(jì)值）和流變的工程巖體；第二，本文中的圍巖，是指隧道圓形洞室周邊受開挖影響明顯的、范圍為6倍開挖洞室半徑的巖體。

1.1、圍巖變形的影響因素

理論研究和施工實(shí)踐都證明：由于隧道開挖形成的地下空間改變了洞室周邊巖體的相對應(yīng)力平衡狀態(tài)，圍巖必然產(chǎn)生應(yīng)力重分布，同時(shí)產(chǎn)生體積變形，其宏觀表現(xiàn)就是巖面向洞室空間的位移。圍巖應(yīng)力重分布有一個動態(tài)的演化過程，不僅與巖體的自身強(qiáng)度和應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，還和巖體的變形機(jī)制、毛洞無支護(hù)狀態(tài)的自穩(wěn)能力、地下水活動狀況對其影響巨大，并和初期支護(hù)強(qiáng)度有關(guān)。

1.2、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。這里所說的初始地應(yīng)力就是指隧道開挖前將要被挖除的巖體中存在的應(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。

σ x=Τh ；σy=αΤh ；σz=βΤh 。α、β：構(gòu)造應(yīng)力場中水平和垂直方向的側(cè)壓力系數(shù)。

1.3、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)稱為圍巖壓力。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(jì)；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。

1.3.1、圍巖壓力

圍巖壓力的確定方法：第一種方法是現(xiàn)場量測法，結(jié)果比較接近實(shí)際，但很難實(shí)施；第二種方法是理論估算法，因影響圍巖壓力的因素較多，準(zhǔn)確度低；第三種方法是工程類比法（即圍巖分類法），按圍巖分類規(guī)則由經(jīng)驗(yàn)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(jiān)固系數(shù)分類法（普羅托吉雅柯諾夫法）：

圍巖垂直壓力σz=γh1

圍巖水平壓力：洞室拱頂σH=γh1tan2(π/4－ψ/2)

洞室拱底σH=γ（h1+h）tan2(π/4－ψ/2)

γ：圍巖容重；h1：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h1=a1/f，其中a1=a+h tan(π/4－ψ/2)；f為巖石堅(jiān)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。

1.3.2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（Rankine）土壓力計(jì)算公式、庫倫（Couloun）土壓力計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)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)。

2、超前支護(hù)新構(gòu)想

對于隧道開挖施工來說，毛洞無初期支護(hù)狀態(tài)在每一個施工循環(huán)中都要出現(xiàn)，如果圍巖好，自持能力強(qiáng)，開挖循環(huán)進(jìn)尺就可以放大，初期支護(hù)設(shè)計(jì)強(qiáng)度就可以減小；如果圍巖差，自持能力弱，開挖循環(huán)進(jìn)尺就要縮小，初期支護(hù)設(shè)計(jì)強(qiáng)度就得增大。

軟巖條件下的隧道開挖，由于其自穩(wěn)能力差或極差，盡管初期支護(hù)承載能力大，并且區(qū)分不同情況設(shè)置有超前錨桿、超前單（雙）層小導(dǎo)管或洞身管棚（一般10m），但由于掌子面附近洞室形狀不規(guī)則、塑性圍巖重分布應(yīng)力情況十分復(fù)雜和可能出現(xiàn)的地下水影響，再加上超前錨桿、超前小導(dǎo)管或洞身管棚打孔施作過程中對拱部巖體的進(jìn)一步損傷（實(shí)際注漿效果可能遠(yuǎn)小于預(yù)期），致使拱部巖體更加破碎，加重了拱部臨空面破碎巖體從超前支護(hù)桿、管間隙掉落程度，使暴露出的超前支護(hù)桿件與拱部巖體脫空現(xiàn)象更嚴(yán)重，如果拱部的超挖部分不能得到及時(shí)的回噴填補(bǔ)，將嚴(yán)重削弱超前支護(hù)效果。

按照現(xiàn)有超前預(yù)支護(hù)工法施工，對拱部巖體的額外損傷難以避免，甚至可能出現(xiàn)因鉆孔振動誘發(fā)掌子面靠近拱部的垂直圍巖面，一般為受壓區(qū)域滑塌。不僅如此，洞身管棚和超前小導(dǎo)管施打角度大（要給下一榀拱架留位，一般大于10°～12°）和重復(fù)搭接量大，洞身管棚機(jī)械作業(yè)還存在洞內(nèi)空間不夠的問題。

筆者從軟質(zhì)圍巖應(yīng)力分布的演化過程分析著手，結(jié)合施工的實(shí)際情況，認(rèn)為：采用超前送管施作法，能大幅度降低對巖體的損傷，改善預(yù)支護(hù)效果，節(jié)省預(yù)支護(hù)材料。

2.1超前送管施作法的主要內(nèi)容

⑴洞洞身管棚：管棚機(jī)打孔起點(diǎn)要避開初期支護(hù)型鋼架，讓鉆臂上的動力頭有足夠的活動空間；以某個較小的角度向前方鉆孔，該角度控制標(biāo)準(zhǔn)是：以向前送管20m左右的距離后，管端正好處于初期支護(hù)型鋼拱架頂部；管棚長度要根據(jù)洞身管棚支護(hù)的范圍來確定，但每次長度以不超過30m為宜（打孔長度過遠(yuǎn)，可能偏位過大）；向前送管20m左右，使之達(dá)到預(yù)想的位置，再注漿封孔。

⑵超前單層小導(dǎo)管：錨固鉆機(jī)打孔，選點(diǎn)要求同⑴；控制角度以向前送5～10m的距離后小導(dǎo)管的端部焊接但又不妨礙鋼架支立；小導(dǎo)管長度以不超過15m為宜；送管到指定的位置后注漿封孔。

⑶超前雙層小導(dǎo)管：內(nèi)層小角度超前管施作方法同⑵所述，外層大角度超前管施作方法仍按現(xiàn)行方法進(jìn)行。

超前送管施作法中的鉆孔全部采用履帶式鉆機(jī)施工，有助于提高工效和減輕工人的勞動強(qiáng)度。此法的關(guān)鍵點(diǎn)在于：a.要控制好打孔方向，才能獲得預(yù)期的效果；b.采用較大一點(diǎn)的鉆孔孔徑，使送管順利；c. 鋼管接長要采用焊接并確保焊縫質(zhì)量，大直徑的管棚管在接頭處焊接要有內(nèi)襯短管；d. 送管的管件與預(yù)支護(hù)管采用絲扣連接；e. 送管到位后應(yīng)及時(shí)反轉(zhuǎn)將送管桿抽出，隨之插入小直徑的注漿管，封口，爾后進(jìn)行注漿。

2.2、超前送管施作法的主要理論根據(jù)

⑴在應(yīng)力差不大的巖體內(nèi)沖擊成孔，沖擊振動力的擴(kuò)散引起的巖體松動破裂范圍不大，換句話說就是對拱部臨空面破碎巖體的影響很小；

⑵支護(hù)桿件越長，對于其臨空管段來說，其端部固結(jié)條件就越好，臨空管段不僅具有了自身最大的抗彎能力，還具有了抗拉能力，相當(dāng)于拱部巖體進(jìn)行了加筋；

⑶能夠做到超前預(yù)支護(hù)無空檔，盡可能避免出現(xiàn)施工險(xiǎn)情（除非超前預(yù)支護(hù)設(shè)計(jì)能力本身就不夠）；

⑷可以采用較高的注漿壓力，對管體周邊的軟巖起到一定的加固效果。

3、施工注意事項(xiàng)：

1）軟巖隧道施工應(yīng)堅(jiān)持\"預(yù)支護(hù)、短開挖、少擾動、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、實(shí)回填、嚴(yán)治水、勤量測\"的原則。

2）施工排水很重要：采取引、排、堵相結(jié)合的方法，根據(jù)具體情況治水。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，防止因水壓力存在造成掌子面失穩(wěn)。

3）長管棚施工注意管棚方向控制。超前小導(dǎo)管宜穿入鋼支撐施作。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(jì)或停止注漿時(shí)將球閥關(guān)閉，再卸掉注漿管。

4）按《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行監(jiān)控量測，并根據(jù)圍巖量測分析結(jié)論，適時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)。

4、結(jié)束語

軟巖隧道施工一直是隧道施工中的難點(diǎn)，洞身開挖過程中遇到軟弱圍巖，是影響施工進(jìn)度、工程質(zhì)量、施工安全的最不利因素，也是造成工程施工成本增加的主要原因。本文通過對軟弱巖體變形理論的研究，提出了超前送管施作法支護(hù)的新構(gòu)想。但是由于地質(zhì)構(gòu)造千差萬別，構(gòu)造應(yīng)力往往不易估計(jì)，影響圍巖壓力的因素很多，在運(yùn)用超前支護(hù)措施的同時(shí)還必須對圍巖和初期支護(hù)的變形進(jìn)行量測，根據(jù)量測結(jié)果分析變形情況適時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，以正確指導(dǎo)軟巖隧道施工。

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