深埋隧道圍巖破壞特征及支護措施探討

張 寧 馬連強

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團公司，天津 300142)

在巖石地下工程中，圍巖的破壞可能是由于變形過大引起，也可能是由于巖石(體)的強度或穩(wěn)定性條件不能滿足而導(dǎo)致破壞。圍巖變形破壞的形式和特點，除了與巖體內(nèi)的初始應(yīng)力狀態(tài)和洞型有關(guān)外，還取決于圍巖的巖性和結(jié)構(gòu)。由于圍巖內(nèi)應(yīng)力分布的不均勻性以及巖體結(jié)構(gòu)、強度的不均勻性及各向異性，應(yīng)力集中程度高，而結(jié)構(gòu)強度又相對較低的部位往往是累進性破壞的突破口，在大范圍圍巖尚保持整體穩(wěn)定性的情況下，這些最薄弱部位有可能發(fā)生局部破壞，并使應(yīng)力向其他部位轉(zhuǎn)移，引起另一些次薄弱部位的破壞。巖體的非均質(zhì)性以及施工的影響引起的應(yīng)力分布和傳遞很復(fù)雜，使得破壞模式多樣、破壞程度不一。要想在保證施工質(zhì)量的前提下做到安全、平穩(wěn)、快速，就要求根據(jù)圍巖不同的變形破壞特征，設(shè)計恰當(dāng)?shù)闹ёo形式。

1 工程概況

本工程為長、大、深埋引水隧洞，開挖洞徑為13～13.2 m，襯砌后洞徑為12 m。施工隧洞上覆巖體一般埋深1 350～2 050 m，埋深最大約為2 500 m，具有洞徑大、洞線長、埋深大的特點。本工程所穿越的地層均為三疊系地層，主要為 T2y(鹽塘組)、T2b(白山組)中厚—厚層狀大理巖，局部夾薄層砂巖、云母片巖等。

工程區(qū)的主要地質(zhì)特征:(1)地層以硬質(zhì)巖為主，巖石飽和單軸抗壓強度范圍值為60～130 MPa;(2)主要的巖體結(jié)構(gòu)包括層狀結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)，同時存在整體、鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)等;(3)盡管隨著埋深增加，最大主應(yīng)力增大，但最大主應(yīng)力與埋深不呈線性關(guān)系，其實測值為65 MPa。

高地應(yīng)力、硬脆性巖體是本工程的顯著特點，兩者的結(jié)合容易引發(fā)一系列的工程地質(zhì)問題。

2 變形破壞特征

目前，各種類型的地下工程數(shù)目和種類繁多，地質(zhì)條件和施工方法各異，因而由地質(zhì)條件和施工方法所決定的圍巖破壞模式也不盡相同。圍巖的破壞方式和機制本質(zhì)上和巖石類同，但更具有綜合性，有時不是單一的破壞過程，而是相互滲透。圍巖的破壞方式有脆性和延性破壞兩種，其破壞機制與圍巖的特征密切相關(guān)，如層狀圍巖可沿著層面發(fā)生剪切破裂后，又發(fā)生穿越層面的剪斷破裂;有的是在垂直層面上張破裂后再沿層面的剪切破裂。

通過跟蹤調(diào)查，工程區(qū)圍巖的破壞主要是脆性破壞，其變形破壞的主要模式有一般性坍塌(重力坍塌，脫落、掉塊)、構(gòu)造應(yīng)力型坍塌、應(yīng)力型坍塌和巖爆。不同的破壞模式其破壞機理有所差異，也有密切聯(lián)系。

2.1 一般性坍塌(重力坍塌)

一般性坍塌主要發(fā)生在圍巖結(jié)構(gòu)面發(fā)育的洞段，主要表現(xiàn)為洞室開挖后兩條及其以上結(jié)構(gòu)面與開挖面組合形成不穩(wěn)定塊體，在自重應(yīng)力作用下發(fā)生脫落，又稱重力坍塌，這種破壞類型通常發(fā)生在拱頂或者邊拱位置(如圖1、圖2所示)。

圖1 破壞機制

2.2 構(gòu)造應(yīng)力型坍塌

構(gòu)造應(yīng)力型坍塌主要由于高應(yīng)力區(qū)的巖體屈服破壞和能量釋放。這種破壞主要有兩種方式，一是巖體的一般性破壞，二是沿其中某一結(jié)構(gòu)面的剪切破壞(構(gòu)造應(yīng)力型破壞)。構(gòu)造應(yīng)力型破壞更容易形成很大的應(yīng)力降即更大的能量釋放，因此也具備更大的破壞力。誘發(fā)構(gòu)造應(yīng)力型破壞的斷裂往往規(guī)模不大，基本上都是剛性接觸現(xiàn)象。常見的斷裂包括單條剪性斷裂或多條節(jié)理組合成的剪切帶(如圖3、圖4所示)。

圖2 重力坍塌照片

圖3 破壞機制

圖4 構(gòu)造應(yīng)力型坍塌照片

2.3 應(yīng)力型坍塌、巖爆

作為工程區(qū)破壞性較大大的破壞模式，均發(fā)生在巖體完整性好、結(jié)構(gòu)面或者層面揭露較少的部位，中厚層—厚層的巖石中，發(fā)生破壞前的變形時間更短一些。巖爆是彈性能的突然釋放，伴有一定的聲響，引起的爆裂松脫、剝離、彈射等破壞現(xiàn)象。應(yīng)力型坍塌變形和破壞發(fā)生在工作面一定距離以后，存在滯后性破壞(如圖5所示)。

3 支護措施建議

根據(jù)圍巖的變形破壞模式、危害程度，工程區(qū)圍巖的支護措施應(yīng)分為常規(guī)圍巖段和應(yīng)力破壞、巖爆段進行支護。常規(guī)段的支護主要包括噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)片、系統(tǒng)錨桿;而在應(yīng)力破壞、巖爆段則應(yīng)加強支護。

3.1 非巖爆和應(yīng)力型破壞段

圖5 破壞機制

非巖爆、應(yīng)力型破壞段隧洞的支護，按照設(shè)計規(guī)范遵循圍巖作為主要承載的設(shè)計思想，充分考慮發(fā)揮圍巖的承載能力，采用混凝土噴層、錨桿支護和二次高壓固結(jié)灌漿加固圍巖等措施，使圍巖和噴錨支護成為聯(lián)合承載結(jié)構(gòu)。

對本工程來說，需要采取噴錨支護和高壓固結(jié)灌漿等工程措施，才能使圍巖長期維持穩(wěn)定，而較高的地應(yīng)力和外水壓力主要依靠圍巖加固承載圈來承擔(dān)。可對隧洞進行襯砌支護及二次高壓固結(jié)灌漿處理，進一步提高圍巖加固圈抗?jié)B承載能力和耐久性，保證圍巖作為主要承載結(jié)構(gòu)的能力。

3.2 巖爆和應(yīng)力型破壞段

充分結(jié)合本工程的特點，巖爆、高強度的應(yīng)力型破壞是否發(fā)生受到兩方面因素的控制:第一，開挖輪廓線附近的地應(yīng)力分布格局和應(yīng)力量級;第二，開挖過程對圍巖的擾動。因此，針對這兩種典型的圍巖破壞，要特別注意降低圍巖應(yīng)力和降低開挖擾動。對于完善施工方法和改善圍巖應(yīng)力條件提出以下幾點建議。

(1)工作面巖爆及應(yīng)力型垮塌的處理

工作面系統(tǒng)錨桿支護，主要用于巖爆段在工作面采用膨脹錨桿控制工作面的巖爆和應(yīng)力型垮塌。具體操作為:工作面發(fā)生該種破壞時，向掘進方向打超前錨桿，對工作面進行加固，錨桿長度一般為兩倍的爆破進尺深度。在一個循環(huán)的爆破之后仍有部分錨桿存留在巖體中，對工作面起加固作用。

在工作面施加膨脹錨桿具有穩(wěn)定圍巖的作用，并且可以防止巨大應(yīng)力引起的破壞。而工作面巖體中的應(yīng)力被較多數(shù)量的錨桿孔部分地解除了。

(2)特殊施工材料應(yīng)對處理

常見的加固圍巖手段包括噴、錨、格柵鋼架等。盡管同樣是用到噴錨支護，但與常規(guī)圍巖破壞支護相比，這些圍巖破壞段采用高強度納米纖維混凝土，并適當(dāng)增加了混凝土噴層厚度;而錨桿的選擇除了增加錨桿的長度，擴大錨桿范圍外，還應(yīng)安裝預(yù)應(yīng)力錨桿、脹殼式錨桿、水脹式錨桿。除此之外，根據(jù)相鄰隧道的破壞形式和規(guī)模，在圍巖相似的地質(zhì)段，第一時間內(nèi)安裝型鋼和拱架，并在拱架之間進行鋼絲網(wǎng)的柔性支護，確保強支護的同時，使圍巖應(yīng)力的緩慢釋放，以最終達到圍巖穩(wěn)定的目的。

(3)圍巖應(yīng)力的解除與降低

對于危害性較大的應(yīng)力釋放破壞，主要在施工中和施工后進行合理有效的控制。施工中，參照國內(nèi)外相似工程的經(jīng)驗，采用鉆爆法施工時應(yīng)短進尺掘進，減少藥量和爆破頻率，控制光爆效果，以減少圍巖表面層應(yīng)力集中現(xiàn)象，盡可能一次成形，以減少圍巖應(yīng)力平衡狀態(tài)破壞。施工后，主要措施是立即向工作面、暴露的圍巖面進行高壓噴水或利用炮眼及錨桿孔向巖體深部注水，目的是降低圍巖強度，增強其塑性，減弱其脆性，最終降低巖爆、應(yīng)力型破壞的程度。

4 結(jié)束語

綜上所述，圍巖支護的難點在于圍巖破壞模式的不確定性，施工中容易形成支護不及時、支護強度不足或者超強支護等特點。在一般的洞段按照規(guī)范采用成熟的支護方式即可，而在巖爆、應(yīng)力破壞段支護形式不可冒進，要采取合理有效的措施，不能圖一時之快而造成圍巖大規(guī)模破壞。

在后續(xù)施工過程中按照上述較為靈活的支護形式進行施工，可使現(xiàn)場圍巖的破壞程度大大降低。根據(jù)大量變形監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析，圍巖變形量較小，說明上述的支護形式和應(yīng)力調(diào)整手段一定程度上阻止了圍巖的破壞，支護措施效果良好。在后續(xù)的施工過程中，還應(yīng)繼續(xù)收集、分析圍巖的破壞動態(tài)，對現(xiàn)有的支護措施補充完善，使圍巖危害降到最低，以達到施工的安全、經(jīng)濟、快速的目的。

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