高地應力軟巖隧道施工變形控制方法試驗研究

胡智軍HU Zhi-jun

（葛洲壩集團第一工程有限公司，宜昌443002）

0 引言

近些年，隨著我國國民經濟的高速發展，國內的隧道施工技術也不斷得到提高，并逐步走向成熟。同時，為適應快速發展的經濟建設，在大量市政工程、公路建設及鐵路建設等工程中常會遇到各種類型、不同長度的隧道，其中包括高地應力軟巖隧道，在該類隧道的建設施工過程中，變形控制方法則是整個工程的重點和難點。

1 高地應力軟巖隧道的地質特性及其變形特點

1.1 高地應力軟巖的地質特性 ①通常隧道都比較深，在高地應力或極高地應力場中，圍巖的圍壓比較大；②在抗壓強度方面，巖體非常軟弱，其單軸抗壓強度非常差，本身不具有可靠的承載能力；③圍巖一旦被開挖暴露在空氣中，風化速度較快，若支護不及時便會發生較大形變；④圍巖的防地下水滲透能力較差，雖然部分圍巖在開挖當天未發現有地下水滲出，但1～2天后可見大量地下水滲出。

1.2 高地應力軟巖的變形特點 ①變形快：因巖體非常軟弱，自身的承載能力很差，再加上高地極大的應力作用，若不及時采取支護措施，圍巖便會快速變形，其變形速率最高可達30mm/d。②變形大：這是因為圍巖受到較高的地應力作用，開挖后的隧道會快速釋放地應力，并且圍巖變形后的作用力作用在支護上，使支護產生較大變形，其變形量通常均不低于30cm，因此，當初期支護出現較大變形后，應及時對支護進行加強，以防止初期支護繼續變形而失穩。③變形收斂慢：這是因為圍巖自身的承載能力很差，無法形成自穩拱，僅在支護的作用下而得到支承，再加上圍巖釋放應力極其緩慢，使得支護在較長的一段時間內不能收斂。

2 高地應力軟巖隧道圍巖分級

高地應力軟巖隧道的設計與施工技術要求已超出了國內現行的有關隧道技術規范的范疇?！惰F路隧道設計規范》（TB10003-2005）中，對于V、W級圍巖單線隧道，規定初期支護的拱腳水平相對凈空變化量最大為0.2%～5.0%，而對于雙線隧道，其最大為0.1%～3.0%?？梢?，運用現行的標準對高地應力軟巖進行分級是不適用的，所以要針對高地應力軟巖隧道，重新制定圍巖的分級標準。

2.1 地應力分級在國內及國際上，地應力的分級并沒有統一標準，其分級方法主要包括3種：①數值法：根據地應力的大小，對數值進行分段，將其分為若干個等級，如：工程中當地應力高于20～30MPa時，稱之為高地應力。②應力比法：計算出水平應力與垂直應力數值的比，根據其比值進行分級。如：比值在1～1.5時，定為普通地應力；比值在1.5～2時，定為較高地應力；當比值大于2時，定為高地應力。此分級方法包含了水平應力與垂直應力兩方面因素。③強度應力比法：取巖石的單軸抗壓強度與水平主應力最大值的比值來分級，即：Rb/σmax，此分級方法強調了巖體的抗壓能力。

2.2 高地應力軟巖隧道圍巖分級標準 在高地應力軟巖隧道的設計與施工過程中必須要依據圍巖的分級級別。常見的高地應力軟巖有沉積巖和變質巖兩種，其中，沉積巖包括：砂巖、泥巖、凝灰巖、頁巖及碳質頁巖等，變質巖包括：碳質板巖、板巖、碳質千枚巖、千枚巖等。根據地質的構造、巖層厚度、巖層走向、隧道洞軸線夾角、巖石類別等，同時結合高地應力檢測結果及其它類似隧道的成功經驗，并以27cm的C25噴混凝土及間距1榀/m的120鋼架對初期支護進行變形量預測。

3 高地應力軟巖隧道變形控制方法

3.1 準確的地質預測 準確的地質預測能夠提前預知實際的地質特性，地質特性主要包括圍巖特性及地下水情況，其中圍巖特性包括：圍巖容重、彈性模量、內磨擦角及單軸抗壓強度等，通過圍巖的特性曲線、地下水分布情況及支護的特性曲線（即支護結構的臨界失效點）計算出允許變形量，從而制定出施工方案，并確定支護參數，以達到對高地應力軟巖變形的有效控制。支護特性曲線如圖1所示。

圖1 支護特性曲線示意圖

3.2 支護結構 國內現行的隧道支護結構大多為圓形、橢圓形、三心或五心圓、馬蹄形，采用有限元方法對受地應力作用的支護結構進行分析，不同結構的內部應力及應力傳遞均大不相同，根據圓形的結構特點，其內部應力分布最為均勻，內部結構的應力傳遞也最為理想，不存在應力集中的薄弱環節。同時結合國內處隧道工程設計與施工積累下的工作經驗，對于以水平應力為主的軟巖，其支護結構選用圓形或橢圓形最為合理，而對于存在活動性水平應力的軟巖，其支護結構應選圓形。合理的支護結構能夠有效避免支護受力不均，并有效控制變形量。

3.3 施工方法

3.3.1 開挖 對于高地應力軟巖應采用短臺階開挖方法，同時還要依據圍巖的特性及斷面面積判斷核心土的預留與否。臺階不宜過多，臺階過多時會相應地增加圍巖的擾動次數，因此，臺階應為上、下臺階，以降低對圍巖的擾動。采用臺階法的目的是為了快速地進行支護，而全斷面法在時間上無法進行快速支護。在采用臺階法開挖時，臺階的高度及長度應依據現場施工配套設施及所用支護的外開尺寸來定，通常臺階高度宜為2.5～4.5m，長度宜為5～15m。

3.3.2 支護 強支護在高地應力軟巖隧道施工中應用可有效控制圍巖變形，可以做到立竿見影。在充分了解到監控量測數據、圍巖特性及地下水情況的前提下，根據超前地質預測結果對支護參數進行確定，并對支護參數進行進一步調整（如超前支護、初期支護及二次襯砌），從而達到圍巖變形有效控制的目的。

對于工程地質為高應力軟弱圍巖，早封閉技術至關重要，可以說是強支護的基礎。這就要求我們合理地控制上、下臺階間的距離，仰拱與掌子面下斷面的距離，二次襯砌與掌子面下斷面的距離；而這些距離的確定主要根據圍巖質量（Q）與距離的關系（其關系如圖2所示）、監控量測反饋的各種信息與距離的關系 [日變形速率與距離的關系（其關系見圖3）、允許變形量與距離的關系]、施工運輸方式（有軌運輸或無軌運輸）與距離的關系和機械配套（不同的機械配套需要的作業空間不同，不同的機械配套其作業循環時間也不同）與距離的關系。總結近年來國內外高地應力下軟弱圍巖施工各工序間的間距，得出:仰拱與掌子面下斷面的距離一般為10～30m，二次襯砌與掌子面下斷面的距離一般為30～80m。在圍巖變形控制過程中，施作到位同樣也尤為重要。在施工過程中，每個環節都必須按設計要求做到施工到位，特別是關鍵部位和關鍵環節，如錨桿的尺寸和數量、錨固錨桿的質量，噴射混凝土強度及施工厚度是否達到要求，鋼支撐是否貼實、鋼架與圍巖是否有空隙、連接板是否牢固，鋼筋連接是否可靠等?？梢娛┕さ轿煌瑯邮怯行Э刂茋鷰r變形的關鍵。

圖2 圍巖質量（Q）與距離關系示意圖

圖3 變形速率與距離關系示意圖

4 結語

高地應力軟巖隧道施工應做到“巖變我變”，要根據圍巖的實際變化情況對施工方法及支護參數進行及時合理的調整，以有效控制圍巖變形。雖然在地質的超前預測環節中可以借助于紅外線探水儀法、聲波法、電磁波法及地震波法等先進的地質探測方法，但目前采用上述單一的任一種預測方法均缺少足夠的準確性，因此，我們一方面要進一步提高超前預測的準確性，另一方面還要結合相應的工作經驗，加強實踐，及時掌握圍巖的變化情況及特性，以制定出合理的圍巖變形控制措施。

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