深埋隧道軟弱圍巖支護體系受力特征試驗研究

王畢

(中鐵十一局集團第四工程有限公司，湖北武漢 430074)

1 概述

隨著我國工程建設的不斷發展，公路鐵路建設也得到了很大的發展，在這些工程中出現了很多需要穿越深埋高地應力軟巖區域長隧道工程且不斷增多，但是由于在深埋和地質活動上的影響，隧道在穿過高地應力區域時，被一些深埋工程地質和軟弱圍巖力學問題所困擾。因為深埋隧道工程主要是在一些深部巖土體中進行施工作業，隧道周圍的一些巖土體就是所謂的圍巖，它的力學變形性質一般是因為地質環境的不同導致不同差異的產生，當我們在施工時是很難確定及控制其地質介質的。并且很多情況中圍巖在開挖之后所表現的力學效應是非線性變化的。如果這個時候采取傳統的力學方法去對圍巖進行穩定就很困難了。隧道工程的特點就是地質條件很復雜，對其影響因素多，施工作業難度很大。若是在深埋軟弱巖體內進行隧道開挖，其施工難度會更大，在隧道施工中很容易發生局部變形和因擠壓過大導致的變形，支護工作很難進行，從而隧道工程造價也增大了，進度緩慢，工期長。若是發生了坍塌事故則會給工程帶來很大影響。所以對深埋隧道軟弱圍巖支護體系受力特征的分析可以保證隧道施工中足夠的安全性，對其理論進行進一步的完善，對地下工程有著非常重大的意義。

2 深埋隧道軟弱圍巖變形特征和影響因素

在隧道施工中，有關軟弱圍巖變形受到破壞的特點主要有以下6點:1)由于軟弱圍巖自身具有強度低、穩定性比較差、抵抗變形的能力比較弱。其變形量之所以會那么大，主要是因為，直墻拱隧道收斂方向一般是水平的，但是在曲墻拱隧道當中，收斂方向卻是垂直的。2)在施工初期的時候，其變形速度很快，但是收斂率卻非常緩慢，并且在發生變形之后，其會持續比較長的時間。3)跟地應力相對比，隧道軟弱圍巖強度跟其的比值比較小，而由于圍巖受破壞時具有較大的破壞范圍，如果支護不及時，可能會進一步擴大其破壞的范圍。4)隧道圍巖發生變形具有一定的變形規律，呈三階段變形。其在時間上也有很明顯的反映。在變形初期一般是劇烈變形，壓力來的很快，變形速率增大，變形量增大，因為其本身的特性使其自穩能力差，但是在之后的緩慢變形和穩定變形階段中，反映出來變形量比較小，變形速率減慢，但是持續時間比較長。5)隧道軟弱圍巖一般呈現出環向受壓，在隧道施工開挖時不僅頂板容易脫落，底板也容易發生底鼓現象，若是支護控制不力，底板底鼓現象會變得很嚴重。6)當在施工過程中，埋深增大時，地質條件的不同對應的軟化臨界深度也不同，若是超過了臨界深度，再進行支護其難度將會更大，在不同作用力下會產生不同方向的變形。

對深埋隧道軟弱圍巖以及支護影響因素主要有以下4點:1)圍巖本身性質原因，因為圍巖具有強度、結構、膠結程度和膠結物的整個性能，膨脹性礦物質含量的影響，這些都是屬于隧道軟弱圍巖變形的某些內在因素。2)圍巖外應力作用下造成圍巖變形，其中圍巖應力主要有構造殘余應力以及垂直應力，同時，還包括施工過程中所產生的擾動應力以及環境因素等產生的其他應力。如果相鄰隧道在施工時產生壓力，也會成為其中一種應力。當這些不同的應力疊合在一起，會對隧道帶來更大的不良影響。3)有時候會受到工程用水或者隧道地下水的作用，會對膨脹巖產生很大的影響，由于水分因素的影響，會造成粘土成分的改變，從而降低了巖石的整體強度。4)時間也是其中一個影響因素，因為軟弱圍巖具有流變性質，因此，隧道發生變形跟時間實際上是有很大關聯的。

3 深埋隧道軟弱圍巖變形力學機制

通過室內巖石試驗證實中，一般巖石變形以及破壞有這樣兩種機制:剪切和拉張機制，在巖石受到單軸受壓時，因為壓應力引發了拉應力或者是剪應力。巖石實際變形破壞過程是因為內部的微裂紋在拉應力或者是剪應力作用下發生的，微裂紋的不斷擴展、歸并，最終形成了宏觀的裂縫。在隧道軟弱圍巖中主要劃分有三類變形，即物化膨脹類、應力擴容類和結構變形，物化膨脹主要是和軟弱圍巖中分子結構化學特征有關系，結構類變形主要是和其巖體結構面特性有關，應力擴容類主要與隧道施工中應力變化狀態有關。在隧道開挖之前，圍巖受到了三個方向的受壓，并且處于一個很平穩狀態。但是在開挖之后原來圍巖所處的環境遭到破壞，無論什么理論的分析下，隧道圍巖切向都會隨著應力增大，其徑向應力減小，處于一個兩個方向受力的狀態下，與此同時主應力比原來圍巖上承載的應力要大，但是由于應力的改變，導致圍巖也發生相應變形，因此，圍巖變形實際上是圍巖中各種應力在不斷變化的過程。另外，如果從另一個角度看，則是由于圍巖壓力在開挖后下降，使得圍巖結構中出現了巖體模量及強度明顯下降，且出現滑移現象，隨著應力以及變形的不斷變化，這種現象越來越嚴重，且該種變化一般都是會不利于隧道穩定性的，從而使得隧道中出現嚴重的破壞現象。在開挖之后，由于釋放應力，使得圍巖出現了調整和回彈的現象，同時也出現了圍巖擴容的情況，這樣就導致巖體水文地質條件發生了改變，在施工過程中，導致裂縫滲流，巖體也降低了，其物理力學參數也得到了改變，圍巖的膨脹變形加強。

4 軟弱圍巖以及初期支護的相互作用

在圍巖和支護結構相互作用中應該滿足以下兩個特點:1)要滿足支護力和支護壓力的平衡。2)其支護結構和被支護圍巖中接觸面應該滿足變形相等的條件。在深埋軟弱圍巖隧道施工中，圍巖內部摩擦角和粘聚力對圍巖中塑性區以及變形有很大影響，當其摩擦角和粘聚力變小的時候會導致對圍巖塑性區上變形加大。在深埋隧道軟弱圍巖支護結構中產生的抗力對其塑性區半徑不會有很大影響，支護結構主要是起輔助性作用，主要是圍巖的自承能力。圍巖越軟弱，其支護力對圍巖變形的減小效果越好，要圍巖能夠充分釋放其變形能，可以采取柔性支護結構來對圍巖和初期支護結構造成一些限制性變形，以達到減小支護結構受力的作用。當支護剛度越大時，其混凝土圓環就越厚，但是圍巖還是會在支護約束下發生一些小的變形，隨著隧道中開挖量的增大，僅僅采用剛度小的支護，這種情況會使得其圍巖變形程度增大，但是還是可以保證其隧道的穩定，并且是一種經濟安全的方法。在隧道開挖時，圍巖彈性會產生相應的彈性變形，且這種變形非常快，在釋放的時候所產生的支護壓力也非常大，因此，如果在巖洞剛開挖的時候就進行支護，那么這么大的抗力支護是無法承受的，并且在目前，憑借最新的技術，也不能做到剛開始挖洞就采取支護，也無法有效降低支護壓力。所以在施工過程中，在圍巖允許的塑形變形之后需要進行適當的支護，才能夠在比較小的支護剛度和強度下保證圍巖的穩定性。

5 結語

在深埋隧道施工中地下工程圍巖和支護結構的相互作用，是維系地下工程穩定性的主要因素，也是核心所在。本研究通過分析深埋隧道中軟弱圍巖的受力情況及特征，深入探討了圍巖相互作用以及初期支護施工問題，但本研究仍存在很多不足之處，無論是在理論基礎還是在數值方面都需要進一步提高。

［1］ 何滿潮，關寶數.軟弱圍巖在高地應力下的變形規律研究［J］.巖土工程學報，2010(15)：96-100.

［2］ 姚裕春.高水平應力軟巖巷道圍巖變形機理及支護對策［D］.西安：西安科技學院碩士學位論文，2002.

［3］ 楊延勇.軟弱圍巖隧道斜井轉正洞設計與施工技術［J］.鐵道標準設計，2013(1)：27-28.

［4］ 劉均紅.新建引水隧洞下穿既有鐵路隧道爆破施工影響研究［J］.鐵道標準設計，2013(1)：51-52.

［5］ 鄧伯科.雁門關隧道富水段軟弱圍巖初期支護開裂變形控制技術［J］.鐵道標準設計，2013(1)：77-78.