談軟巖隧洞圍巖穩定分析及施工方法

張 偉

(山西省水利水電工程建設監理公司，山西太原 030000)

0 引言

改革開放以來，我國的交通事業穩步前進，取得了令人矚目的成績。交通事業的發展得益于經濟的發展，也促進了經濟的發展。在新千年，我們的經濟發展勢頭正處于上升態勢，更應該抓住機會，深化改革，利用交通改變地區之間發展不平衡的現狀。在中西部山區，要實現交通的全面進步較為困難，因為這里地形復雜，山區面積較大，需要大量的隧道式建筑，我們的工作人員不畏艱險，克服一切困難，未辜負黨和國家給予的殷切期望。據不完全統計，截止到2010年年底，我國建成的鐵路隧道總長度已經超過7 000 km，公路隧道總里程數超過3 000 km，而目前，全國軌道交通規劃線路總長超過4 000 km，其中需要建設隧道的線路占了相當大的比例，另外包括西部大開發的鐵路，公路隧道，地鐵，地下公用設施，頂管機械及其他西氣東輸，水電站工程等，1年也有450 km的隧道建設量。我國到2020年前規劃建設5 000座隧道，長度超過9 000 km，在取得驕人成績的同時，我們憧憬著未來，也背負著挑戰。如何在地形復雜的山區做好隧道的建設工作，事關經濟發展全局，尤其是很多地區的巖石穩定性較差，更需要我們投入大量的精力來研究并且施工。本文即對軟巖地區的隧洞圍巖穩定性進行了分析，并探討了其施工方法，希望能為相關施工單位提供參考。

1 影響圍巖穩定性的因素

隧道開挖前，首先要對隧道地區的地質條件有詳細的了解，尤其是隧道開挖以后，對周圍巖石的穩定程度分析，要做出一個正確的分級和評價。隧道圍巖的分級較為復雜，大多是基于工程實踐的基礎，對所掌握的資料進行歸納統計分析，再通過定量定性分析，結合數據模型而計算出來。要使隧道的建設順利通暢，首先一定要確保圍巖的穩定性。因此，影響隧道圍巖穩定性的因素應該要盡可能的全面分析到位。

1.1 地質因素的影響

巖土體結構狀態是長時間地質運動的產物，在地質因素的影響中起著主要作用。

1)圍巖的結構狀態。

處于原始狀態的巖土體，在長期的地質構造運動的作用下，產生各種結構面、形變、錯動、斷裂等使其破碎，在不同程度上喪失了其原有的完整狀態。因此，結構狀態的完整程度或破碎狀態，在一定程度上是表征巖土體受地質構造運動作用的嚴重程度。對隧道圍巖的穩定與否起著主導作用。實踐指出，在相同巖性的條件下，巖體愈破碎，隧道就易于失穩。因此，在各種分級方法中，都把巖體的破碎程度作為分類的基礎指標。

2)巖石的工程性質。

在圍巖分級中，巖石的堅固性或強度都是以巖石的單軸飽和極限抗壓強度為基準，這是因為它的試驗方法簡便，數據分散性小，且與其他物性指標有著良好的互換性。依巖石試件抗壓強度進行巖石分級的基準。巖石的強度因風化作用和水的作用會大大降低。風化時，巖石產生風化裂隙使水易于浸入，巖體濕潤，減少了巖石晶粒間的聯系，因而強度減小，故試驗時多以濕飽和強度為基準。

3)地下水的影響。

隧道施工的大量實踐證明，水是造成施工塌方、使隧道圍巖喪失穩定的重要原因之一。因此，在隧道圍巖分級中水的影響是不容忽視的。

1.2 施工因素的影響

人為的因素也是造成隧道喪失穩定的重要條件，其中隧道的形狀和尺寸，尤其是跨度影響較為顯著。實踐證明，在同類圍巖中，跨度愈大，隧道圍巖的穩定性就愈差。例如，大塊狀巖體是指裂隙間距在0.4 m～1.0 m左右的巖體。這是對中等跨度隧道(B=5 m～15 m)而言的，跨度較大(大于15 m)或較小(小于5 m)，巖體的破碎程度就不同。因此，有的分級就明確指出分級的適用跨度范圍。

在施工因素中，支護結構的類型及架設時間也對隧道圍巖的穩定性產生重要影響。其中比較重要的是隧道開挖后，圍巖在無支護條件下的允許暴露時間及無支護地段的長度，也就是圍巖的自穩時間，因此，有的圍巖分級就是以這個時間進行分級的。隧道自穩時間是指從開挖后到頂部開始發生可以察覺到的移動、松弛時為止所經歷的時間。實際上它是巖石類型、隧道未支護地段長度、隧道寬度以及開挖時圍巖被擾動、破壞程度的函數。

此外，施工方法也有影響，在同類巖體中，采用普通爆破法施工和控制爆破法施工，采用礦山法施工和盾構法或掘進機施工，采用大斷面開挖和小斷面分部開挖，對隧道穩定性的影響都不相同。

2 工程概況

某隧洞設計洞徑為9.5 m，為圓形有壓洞，現場地質勘察顯示，該地區的上覆巖體厚度為40.0 m～45.0 m，巖石的性質主要包括中泥盆統薩阿爾明組下亞組灰巖、火山角礫巖及上第三系中新統桃樹園組砂質泥巖等等。隧洞洞徑較大，埋深較淺，砂質泥巖段圍巖強度低，對開挖施工比較敏感，施工期的圍巖穩定是一個極為重要的問題，對隧洞開挖施工過程中的圍巖應力、變形分布和穩定性進行分析，為設計和施工提供依據和參考。

3 引水隧洞開挖卸荷計算分析

根據工程地質資料分析，工程區構造應力很小，隧洞開挖計算中不考慮構造應力等因素的影響，以自重應力場作為初始應力場。開挖一個區域后，將開挖后的應力場與初始應力場進行比較，確定開挖面附近的圍巖的卸荷區分布情況以及不同區域圍巖的卸荷量，根據卸荷量的量級對卸荷區域進行劃分，對不同卸荷區域的巖體力學參數進行調整。

4 開挖施工方法建議

如前所述，施工會對隧道的穩定性造成一定程度的影響，所以在施工方法的選擇上一定要仔細認真。在本工程中，由于地質條件較為復雜，巖體幾乎處于破碎狀態，圍巖自穩能力差，而且開挖孔徑大，形成成洞難度較大，如果采用全斷面直接開挖的話很明顯是行不通的。經過認真的思考與協商，本工程采用了上下導洞開挖的形式。所謂上下導洞開挖，就是將導洞布置在隧道的頂部，斷面開挖對稱進行。在上導洞開挖的時候又分四個區域進行開挖，保留核心土，先開挖頂部，再開挖左右兩側導洞，盡量縮短鋼支撐和一次噴錨支護的時間;而且，爆破開挖時，嚴格控制裝藥量和單響藥量，以防止過大的震動對圍巖的影響;同時，嚴格限制每個循環的開挖進尺，對于圍巖自穩能力較差，開挖面形成以后，先噴護一層混凝土后再出渣。開挖后及時進行錨噴支護和布置鋼支撐對圍巖進行強支護，抑制不良地段圍巖產生較大的變形甚至塌方等危險。

5 結語

隧道的建設是一項龐大而復雜的工作，不但會動用到大量的人力物力，而且在施工過程中充滿了危險性，所以對其各種因素的考慮更要徹底而全面。而作為施工的基礎之一，巖石的穩定性對整個隧道的施工至關重要。要想保證整個項目的順利完成，并且在后續使用中有著良好的運營效果，除了做好安全性、穩定性分析，還要保證施工過程中的質量控制。總之，隧道的建設工作量大，難度高，一定要考慮周全，做到科學安全施工。

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