隧道軟弱圍巖施工技術探索

孫正德

（中鐵隧道集團二處有限公司，河北 三河 065200）

軟巖大都為強度低、結構面發育、孔隙度大、含水率高為泥質膠結的巖石。這種巖石浸水后強度顯著降低，甚至完全喪失，如果含有蒙脫石等礦物，吸水膨脹性很強。軟巖隧道礦壓顯現的特征為:掘巷期間應力集中會引起隧道圍巖急劇變形，變形量往往高達數百毫米，持續時問長達數十天到近百天。然后，持續不斷地流變，有時長達數年之久。軟巖隧道在維護過程中，如果隧道支護損壞和失效.隧道附近掘巷和翻修，以及水的浸蝕等都會引起圍巖再次急劇變形，造成支架反復來壓和多次損壞的惡性循環。此外，軟巖隧道往往四周來壓.尤其是底板都出現強烈鼓起。底板巖層鼓入隧道的方式及其機理因隧道所處地質條件、底板巖性和圍巖應力狀態而異，有擠壓流動、撓曲褶皺、剪切錯動及膨脹性底鼓等多種形式。

針對軟巖隧道礦壓顯現規律和特征，軟巖隧道支護的基本原則和措施應為:不僅應及時支護。而且應有較高的初撐力和初期增阻速度，以及足夠的支護阻力。

在以變形壓力為主的軟巖中，隧道剛掘出時在巖體能保持自穩的條件下，應允許圍巖產生一定變形。以釋放能量.隧道支護在保持較大阻力的情況下，為了適應圍巖的變形特點和減小變形壓力，應采用具有一定柔性或可縮量的支護。

為了適應軟巖隧道初期來壓快、變形強烈的特點，采用二次支護比一次支護更有利于隧道穩定。采用圍巖加周與隧道支架并舉、加固先行的綜合支護技術?？沙浞职l揮圍巖的自穩能力。不少礦區采用噴射混凝土和錨桿作為一次支護.然后用U型鋼可縮性支架或混凝土弧板塊為永久支護，取得了良好效果。

底板是隧道支護的基礎，加強底板管理是提高軟巖隧道穩定性的關鍵，尤其是遇水崩解和澎脹的粘土巖，及時封閉，防止脫水后又浸水，是控制底板強烈膨脹的恨本措施?，F用加固底板防治底鼓的措施主要有:底板錨桿、底板注漿、封閉式支架以及混凝土反拱等.采用錨桿和注漿防治底鼓的效果與底板巖層的性質、底鼓形式，以及施工工藝有密切關系。帶底拱的全斷面支護是我煤礦中常用的防治底鼓的有效措施。用卸壓法防治底鼓目前尚處于試驗研究階段，底板松動爆破后再注槳加固的卸壓-加固法是較有發展前景的方法。

支架架后充填可改善支架的受力狀況.顯著提高支架的承載能力.封閉圍巖，防止風化和水浸蝕，是軟巖隧道支護中的一個重要環節。

此外，在含水量很大的巖層中還需采取預先疏干或排泄水的措施。

永久支護必須具備足夠的承載能力，防止水的浸蝕和支護失效引起的圍巖急劇變形，以及能承受在附近開掘或翻修隧道時引起的應力擾動，必須避免隧道支護屢遭玻壞和頻繁翻修的惡性循環。因此，軟巖和深井隧道支護必須進行認真的設計，設計前應掌握軟巖的屬性、圍巖壓力的類別。以及進行圍巖變形的預測，支架一圍巖關系的分析等。在此基礎上正確選取能有效控制圍巖的支護型式、結構、承載能力和可縮量等參數，以及施工工藝。在施工過程中要堅持礦壓測試，根據測試結果。不斷調整支護參數，改善支護效果.實現永久支護后隧道基本上不再翻修。

1 隧道圍巖控制原理

降低隧道圍巖應力。提高圍巖穩定性以及合理選擇支護是隧道圍巖控制的基本途徑。挖掘引起的支承壓力不僅數倍于原巖應力，而且影響范圍大。隧道受到挖掘影響后，圍巖應力、圍巖變形會成倍甚至近十倍地急劇增長，因此，隧道圍巖控制手段的實質是如何利用隧道挖掘引起工程周圍巖體應力重新分布的規律，正確選擇隧道布置和保護方法，使隧道位于應力降低區內，從而減輕或避免挖掘引起的支承壓力的強烈影響，控制圍巖壓力。

2 隧道圍巖壓力探索

采掘活動引起隧道圍巖應力集中和重新分布，使隧道周邊巖體自穩能力顯著降低，導致向隧道空間移動。為了防止圍巖變形和破壞，需要對圍巖進行支護。這種因圍巖變形受阻而作用在支護結構物上的擠壓力或塌落巖石的重力，統稱為圍巖壓力。根據圍巖壓力的成因，可將其分為以下四種類型:

（1）松動圍巖壓力。由于隧道開挖而松動或塌落的巖體，以重力的形式直接作用于支架結構物上的壓力，表現為松動圍巖壓力載荷形式。如支護不能有效地控制圍巖變形的發展，圍巖形成松動垮塌圈時，將導致松動圍巖壓力出現，通常頂壓顯現嚴重。

（2）變形圍巖壓力。支護能控制圍巖變形的發展時，圍巖位移擠壓支架而產生的壓力，稱為變形圍巖壓力，簡稱變形壓力。在“圍巖一支護”力學體系中，只要圍巖與支架相互作用，圍巖就會對支架施加變形壓力。彈性變形壓力是圍巖彈性變形時作用于支架上的壓力，彈性變形產生速度極快，變形量很小，對于圍巖、支護相互作用過程而言，實際意義不大。塑性變形壓力是由于圍巖的塑性變形和破裂，圍巖向隧道空間位移，使得支護結構受到的壓力，是變形圍巖壓力的主要形式。

塑性變形的大小主要取決于隧道塑性區和破裂區的范圍。塑性區的擴展具有明顯的時間效應，塑性區不再擴展時，圍巖變形速度下降而逐漸穩定并趨于流變。

（3）膨脹圍巖壓力。圍巖膨脹、崩解體積增大而施加于支護上的壓力，稱為膨脹壓力。膨脹壓力與變形壓力的基本區別在于它是由吸水膨脹而引起的。從現象上看，膨脹壓力與變形壓力都屬于變形壓力范疇，但兩者的變形機制截然不同，前者是指與水發生物理化學反應，后者主要是圍巖應力的結構效應。

（4）沖擊和撞擊圍巖壓力。沖擊圍巖壓力指圍巖積累了大量彈性變形能之后，突然釋放出來所產生的壓力;撞擊圍巖壓力是覆巖層劇烈運動時對隧道支護體所產生的壓力。

3 軟巖大變形隧道的支護

3.1 剛性支護:這種支護措施的核心是通過加大支護結構的強度和剛度來抵抗巨大的圍巖壓力;支護材料一般為鋼材或木材。辛普倫隧道、海帶爾電站引水隧洞等眾多地下工程的支護實踐表明，這種支護措施無論從技術上還是從經濟上，都是欠合理的，現在已經較少采用。

3.2 可縮支護:這種支護的理論依據是，當開挖引起的圍巖擴容(剪脹或遇水膨脹)不可避免時，允許圍巖發生適度的變形，這樣可以降低作用于結構上的支護壓力，從而減少超挖量并降低支護強度。根據Eurenius等(1981)的研究，如果讓粘土膨脹5%，支護壓力即可降低50%。具體措施是適當超挖，在圍巖變形穩定后再架設支護，更多的則是開挖后立即架設可縮的初期支護。支護方式一般為帶縱向伸縮縫的混凝土噴層并輔助以可縮式構件支撐。

3.3 錨、注一體化圍巖加固一支護系統:王夢恕院士在他的中國隧道修建法中指出，圍巖開挖后及時施作錨噴支護是提高圍巖承載力的重要方法，決不允許過多的釋放，尋找最佳支護點的做法是錯誤的；特長、長大隧道及重要地下工程必須采用復合式襯砌結構；初期支護是主要受力結構，必須在穩定后，方可進行防水層及二次模筑混凝土襯砌；管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、緊封閉、勒測量是軟巖施工的基本方針。

結束語

目前，人們普遍采用的軟巖定義基本上可歸于地質軟巖的范疇，按地質學的巖性劃分，地質軟巖是指強度低、孔隙度大、膠結程度差、受構造面切割及風化影響顯著或含有大量膨脹性黏土礦物的松、散、軟、弱巖層，該類巖石多為泥巖、頁巖、粉砂巖和泥質礦巖，是天然形成的復雜的地質介質。

[1]郭健卿.軟巖控制理論與應用[M].冶金工業出版社，2011.

[2]何滿潮.軟巖隧道工程概論[M].中國礦業大學出版社，1993.

[3]何滿潮.軟巖工程力學[M].科學出版社，2002.