軟巖隧道變形支護研究

唐輝

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川成都 610072)

軟巖隧道變形支護研究

唐輝

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川成都 610072)

目前我國正處于經濟發展時期,大量的基礎設施、城市建設工程都在高速現代化施工中,然而我國地質情況多變,各區域省市地質情況多有不同,給地下工程的建設施工增加了應變的難度。當前工程界在面對復雜地質情況的施工問題也成為了焦點關注的問題,本文作者從實際工作出發對軟巖隧道變形支護進行了全面闡述。

軟巖 隧道 變形 支護 研究

1 軟巖的分類

首先在地質施工中應對當地的地質類型進行分別歸類，在軟巖分類中運用地質標準區分表征軟巖特性，收集信息進行分析歸類，也便于在工程設計中提供最佳地質施工方案。國際上對軟巖的分類方法和分級標準有很多種，以下是國內比較常用的幾種：

(1)巖石強度分類。在巖體的分類中，可參照巖體的強度、實際滲透性，以及巖體的變形特性與巖體穩定性進行鑒別。

(2)成因類型分。分析軟巖的地質形成原因，在從原因入手進行分類，我們可以把軟巖分為兩類：原生軟巖和次生軟巖，其中次生軟巖亦可分成，“風化軟巖”與“斷裂破碎軟巖”。

原生軟巖的定義為“沉積巖”。所謂“沉積巖”是指在地殼表面的常見巖石的一種，起特性是由松散的堆積物經長時間變化小的溫度壓力環境下自然形成的沉積巖。且具有，粘粒基質含量高、膠結程度比較差，吸水膨脹溶解等特性。

(3)不同類別的軟巖，通常的特性區分在巖體強度、泥質含量、與巖體結構塑性變化差異大小等。我們通過普遍特性可將軟巖歸為四大類即：膨脹性軟巖、高應力軟巖、節理化軟巖和復合型軟巖。

膨脹性軟巖的判斷在于，巖體中是否含有膨脹性黏土礦物、且在低應力(如〈25MPa)時，容易發生明顯的變形情況，在試驗中表現為巖體強度較低。高應力軟巖的判斷可根據，在高應力(Ra＞25MPa)水平作用下是否發生明顯的巖體變形而得出結論。節理化軟巖的判斷可根據，巖體泥質成分含量是否為極少得出結論，復合軟巖的判斷則是考量具備以上三種軟巖的特性組合得出結論。

2 軟巖隧道支護設計方法

在軟巖隧道支護設計方法中應充分考慮到隧道的變形性、穩定性，根據實際情況作出合理設計。我們將最常見的隧道支護結構設計方法分為四大類即為：經驗類比設計模型、荷載結構設計模型、連續介質設計模型和收斂約束設計模型。

2.1 經驗類比設計模型

首先需要對施工工程的圍巖與土層進行分析區分，再根據規范標準，對比同類工程施工經驗總結資料，通過工程分類比進行設計。此種隧道設計模型是當前運用最為普遍。在對比分類中可通過兩種方法即為：“直接類比法”與“間接類比法”。直接類比法在具體運用中以以巖體的強度、完整性、地下水影響程度、洞室埋深、可能受到的地應力、施工的方法、施工的質量等指標，將設計工程與上述指標基本相同的已建工程進行對比，藉此確定本工程的地下結構類型與設計方案：間接類比方法的運用則以現行的規范、標準、考察圍巖類別以及巖體特性參數，根據現場情況確定工程的結構類型和設計方案。此類模型的難度為，在地下工程唯一性的前提下，精確獲取地下工程巖體參數的難度較高。

2.2 荷載結構設計模型

地層荷載一般由兩部分構成，即地層壓力和彈性抗力。地層壓力通常按照土壓力公式、經驗公式或圍巖分級確定；彈性抗力則通過文克爾局部變形理論、彈性地基、梁理論等計算。

荷載結構設計模型的思路是：地層對地下結構的作用只是產生作用在結構上的荷載，按照結構力學的方法計算地下結構在地層荷載作用下產生的內力和變形。設計的關鍵是確定作用在地下結構上的地層荷載。這種方法特點是，借鑒地面結構成熟的設計理論，思路比較明確，但是地層荷載確定比較困難，也限制了此模型的應用范圍。

2.3 連續介質設計模型

考慮到不同形狀的地下結構，地層和材料的非線性。連續介質設計模型將隧道襯砌結構和地層視為一個整體，共同承載荷載，其主要作用是約束和限制地層的變形，兩者相互作用，使結構體系達到新的平衡狀態，它可以對隧道的空間效應和地層的不連續性有很好的兼顧。但是地質巖體的不連續性和模型的連續性存在矛盾，使得這種模型在理論上還需要加以完善。

2.4 收斂約束設計模型

收斂約束設計模型的基本原理：按彈塑性理論等計算并繪制表示地層受力變形特征的隧洞周邊收斂曲線，同時按照結構力學的原理計算并繪出表示地下結構受力變形特征的支護約束曲線，得出兩條曲線的交點，根據交點處表示的支護阻力值進行地下結構的設計。

收斂約束設計模型又稱特征曲線設計模型或變形設計模型，是一種以理論為基礎，實測為依據、經驗為參考的較為完善的地下結構設計模型。這種模型比較注重理論與實際應用的參照，比較適用軟巖地下洞室、大跨度地下洞室和特殊洞型地下洞室的支護結構設計。

3 隧道圍巖變形支護理論

從最初的古典壓力理論到現在軟巖工程力學支護理論，人們對軟巖隧道支護理論的認識是隨著工程實踐不斷深化的。經過近百年的發展和完善，已經產生數十種軟巖支護理論。但是，目前為止，還沒有一種較為成熟的理論，能適用于所有情況。

(1)古典壓力理論：隧道支護結構承受的圍巖壓力是其上覆巖土層厚度和重安的乘積。(2)塌落拱理論：是為解決古典壓力理論僅能適應較淺地層的情況而誕生的理論。具有代表性的塌落拱理論有普洛托季雅克諾夫(簡稱普氏)理論和太沙基理論，兩種理論的結論基本一致。(3)新奧法：是“新奧地利隧道施工法”的簡稱，主要包括隧道設計、隧道施工方法和現場監控量測等多方面。

4 軟巖隧道大變形控制技術

在軟巖隧道工程中，為適應地質條件和結構條件的變化，常將各種單一支護材料和結構，甚至將常規穩定措施與特殊穩定措施，按照一定的施工工藝進行組合，組合形式都必須是技術可行、受力合理、作用有效、費用經濟的。聯合支護的施工不僅應滿足各部位施工的技術要求，還應注意以下事項：

(1)聯合支護彼此要直接地牢固相連，以充分發揮聯合支護效應，宜聯不宜散。

(2)錨桿要有適量的露頭，鋼筋網及鋼拱架要盡可能多地與錨桿焊接。

(3)鋼筋網和鋼拱架一般要求被噴射混凝土所包裹、覆蓋密實，只有當量測數據顯示圍巖已經達成穩定時，才可以不必用噴射混凝土完成覆蓋，但應在試作二次襯砌時采用普通混凝土填筑密實。

(4)分次試作的聯合支護，如超前錨桿與系統錨桿及鋼拱架的聯結等，應盡快將其相連。

(5)分次試作的聯合支護，要在量測指導下進行，并可作適當調整，以做到及時、有效、經濟地控制圍巖變形，保證圍巖穩定。

[1]關寶樹編著.隧道工程施工要點集[M].人民交通出版社,2003.