煤系地層軟弱圍巖隧道大變形施工控制技術(shù)

【摘 要】在隧道施工過程中，煤系地層是一種不良地質(zhì)類型，在施工過程中存在很多危險因素，其中軟弱圍巖隧道變形問題最為嚴(yán)重的，也是最常見的。本文作者通過分析煤系地層軟弱圍巖大變形的主要特征，對導(dǎo)致隧道變形的原因進(jìn)行簡要的分析，并且提出了針對圍巖隧道變形的主要控制措施。

【關(guān)鍵詞】煤系地層；軟弱圍巖；大變形

煤系地層是道路施工中常見的一種地質(zhì)類型，在施工中會出現(xiàn)瓦斯燃燒或爆炸、煤燃燒等危險性比較高的情況，而且在施工中還會出現(xiàn)軟弱地層隧道大變形的問題，影響施工安全的同時也威脅著施工質(zhì)量和后期的運(yùn)營安全。

1.煤系地層軟弱圍巖大變形的特征分析

煤系地層軟弱圍巖大變形是指圍巖在高地應(yīng)力作用下發(fā)生的沉降破壞，隧道圍巖穩(wěn)定性發(fā)生改變，圍巖應(yīng)變能被釋放，最終導(dǎo)致巖爆現(xiàn)象。當(dāng)軟弱圍巖發(fā)生破壞性變化時，就會導(dǎo)致隧道的變形。煤系地層軟弱圍巖隧道變形一般分為三個時期，分別是緩慢期、加速期、穩(wěn)定期。隧道變形的初期的主要特點(diǎn)是拱頂?shù)某两盗孔兇螅苓吺諗孔冃蔚默F(xiàn)象小，這種情況從開挖時開始，大約在10天的時候趨于穩(wěn)定。下臺階開挖后會緊接著出現(xiàn)第二次變形，這次變形會較為明顯，變形速度不斷加快。當(dāng)仰拱封閉后變形進(jìn)入穩(wěn)定期，變形的速度變小但仍會整體下沉，初期支護(hù)容易在變形狀況下混凝土出現(xiàn)裂隙，局部出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，在支護(hù)結(jié)構(gòu)連接處容易出現(xiàn)外鼓變形現(xiàn)象。總結(jié)隧道變形的主要特征是變形量大、變形速度快、拱腳變形明顯、變形時初期支護(hù)受到破壞。[1]

2.導(dǎo)致煤系地層軟弱圍巖隧道變形的原因分析

煤系地層軟弱圍巖隧道變形的原因主要分為內(nèi)因和外因，內(nèi)因是地應(yīng)力及圍巖巖性因素，外因是斷面尺寸及支護(hù)措施因素，下面對其導(dǎo)致變形原因進(jìn)行具體分析。

2.1下水軟化作用

造成軟弱圍巖隧道變形的原因很多，其中包括地下水對圍巖的軟化作用。不同巖性的圍巖對水的吸收率不同，其中泥巖的吸水率最大，砂巖次之，砂質(zhì)泥巖吸水率最差。圍巖吸水性強(qiáng)弱主要與巖石內(nèi)的主要成分和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)，巖石的強(qiáng)度受水的軟化作用影響，地下水導(dǎo)致圍巖體吸水，影響其強(qiáng)度系數(shù)和變形參數(shù)。地下水的軟化作用降低了煤系地層隧道圍巖變形模量和強(qiáng)度，加速了隧道的破壞和變形。地下水對不同性質(zhì)的圍巖造成的影響不同，吸水率越大的圍巖其影響越強(qiáng)，所以地下水對泥巖的影響是最強(qiáng)的。受到水軟化的圍巖其強(qiáng)度下降，承載能力不足，很難作為隧道的拱腳材料，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)也會因其影響而發(fā)生變形。[2]

2.2施工工序步距問題

工程施工過程中采取施工一般按照施工方案進(jìn)行，施工設(shè)計對施工來說非常重要。施工方案要結(jié)合施工現(xiàn)場環(huán)境、施工地點(diǎn)地質(zhì)特點(diǎn)、施工要求等方面。在具體施工過程中，也有根據(jù)實(shí)際情況對施工方案進(jìn)行調(diào)整的狀況，在應(yīng)用上下臺階工法進(jìn)行施工時需要注意施工工序間的銜接問題，如果上下臺階步距不合理就會造成圍巖隧道的變形問題。在上下臺階施工過程中，當(dāng)步距過大時，初期支護(hù)會相對較為穩(wěn)定，但是下臺階施工會受到干擾而產(chǎn)生變形，仰拱封閉壞形成時間較晚，初期支護(hù)不能及時封閉成環(huán)。此外，施工工序步距不合理還會造成工字鋼落腳處的地基不穩(wěn)定，承載力下降而導(dǎo)致沉降問題，最終導(dǎo)致初期支護(hù)變形，整個隧道出現(xiàn)形變。[3]

2.3排水措施不及時

水對圍巖具有軟化作用，大量水存在會影響圍巖的承載力、強(qiáng)度和形變承載力。初期支護(hù)拱腳地基的承載力強(qiáng)弱就與排水措施是否有效、及時關(guān)系密切。地下水的排出要合理、及時，一般采取設(shè)置集水坑進(jìn)行地下水的抽排。如果沒有對地下水進(jìn)行及時、有效、合理的排出，會導(dǎo)致初期支護(hù)變形的速度加快，累計變形的形變量明顯增加。排水措施是否及時有效還影響拱腳的強(qiáng)度，地下積水過多會導(dǎo)致拱腳下沉量會明顯增加，進(jìn)一步導(dǎo)致隧道的變形。

3.控制煤系地層軟弱圍巖隧道大變形的主要措施分析

3.1及時、有效的進(jìn)行排水

地下水對圍巖的影響是嚴(yán)重且明顯的，所以為了避免地下水對圍巖的軟化作用，要采取合理的措施及時、有效的對地下水進(jìn)行排出。一般會設(shè)置集水坑對積水進(jìn)行引流，保證排水順暢，減少對圍巖的軟化作用，提高其強(qiáng)度和承載能力。對于積水較為嚴(yán)重的地方，一般采用在初期支護(hù)的巖壁后加入泥漿，對積水進(jìn)行堵截，進(jìn)而減少地下水的滲漏和累積。

3.2調(diào)整施工工法

調(diào)整施工工法是其達(dá)到安全步距，主要方法主要包括動態(tài)調(diào)整施工工法和及時施作仰拱。首先，對于臺階步距問題可進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，可以將上下臺階法改成三臺階法進(jìn)行施工，對于重點(diǎn)的工序可以增加錨桿的方式加強(qiáng)鋼架的連接強(qiáng)度，減少工程的施工風(fēng)險。在實(shí)際的施工過程中，導(dǎo)致臺階步距過大的主要原因是圍巖與支護(hù)體系間距問題，上下臺階間尺寸銜接不良。如果上臺階過大，則掌子面與仰拱閉合斷面間距離過大，增加初期支護(hù)的開放范圍，增加了圍巖的壓力。如果臺階間的步距過長，下臺階開挖過程中會導(dǎo)致穩(wěn)定性降低，容易造成變形侵限等危險。對于隧道臺階尺寸問題，臺階間距離應(yīng)控制在1-1.5倍洞跨范圍，在進(jìn)行循環(huán)施工后進(jìn)行數(shù)據(jù)反饋監(jiān)控，方便進(jìn)行工序間步距的調(diào)整。其次，初期支護(hù)拱腳在施工階段往往出現(xiàn)承載力不足的現(xiàn)象，隨著工程的推進(jìn)，其沉降變形也不斷增加，嚴(yán)重影響了隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。所以，在仰拱施作期間及時增強(qiáng)其承載力非常重要，能夠加快初期支護(hù)的閉合，提高結(jié)構(gòu)的剛度，盡可能的發(fā)揮其支撐作用。在初期支護(hù)變形量逐漸變大時，要進(jìn)一步加強(qiáng)二次襯砌，進(jìn)一步加強(qiáng)前方開挖段的縱向時空效應(yīng)。

3.3增強(qiáng)超前預(yù)支護(hù)技術(shù)

造成煤系地層軟弱圍巖隧道變形的主要因素是初期支護(hù)承載能力不足，所以可以應(yīng)用增加小導(dǎo)管長度，增強(qiáng)超前預(yù)支護(hù)技術(shù)來進(jìn)行初期支護(hù)的縱向承載能力，增強(qiáng)其穩(wěn)定性。當(dāng)隧道變形過大時，可以增加鎖腳錨桿進(jìn)行加固，長度可設(shè)置6到8米，與鋼支撐進(jìn)行連接，加強(qiáng)縱向連接筋的緊密度與剛性，提高整體的承載能力，將支護(hù)架上的松弛負(fù)荷向拱腳圍巖深部傳遞，進(jìn)而減少初期支護(hù)的變形。此外，如果初期支護(hù)在封閉時出現(xiàn)整體下降而變形時，可以增加拱底豎向錨桿提高其承載能力，避免結(jié)構(gòu)整體下降而造成更大的變形。

3.4加強(qiáng)監(jiān)控信息的反饋

在隧道施工過程中，要加強(qiáng)施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息的監(jiān)控反饋，施工工法及工藝需要根據(jù)監(jiān)控反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，所以及時、準(zhǔn)確、高頻率的跟蹤觀測監(jiān)控非常重要，只有及時的進(jìn)行信息反饋才能掌握初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力及變形的規(guī)律。在監(jiān)控中如果發(fā)現(xiàn)初期支護(hù)的下沉速率變大或形變量大幅度增加時需要采取加固措施，及時控制施工局面。例如對開挖范圍邊墻增加注漿錨管，設(shè)置臨時的仰拱支撐或豎向支撐等措施。所以，及時、有效的監(jiān)控量測信息反饋非常重要，關(guān)系著整體施工的穩(wěn)定性、安全性以及工程的質(zhì)量。

4.結(jié)束語

綜上所述，在煤系地層這種不良地質(zhì)情況下，軟弱圍巖隧道發(fā)生變形現(xiàn)象是不可避免的，除了地下水的軟化作用等自然因素影響，還受到施工工序的影響。及時、有效的處理地下水，合理的安排施工工序，加強(qiáng)初期支護(hù)的承載能力是控制隧道變形的主要措施，是增強(qiáng)隧道穩(wěn)定性和安全性的重要手段。

【參考文獻(xiàn)】

[1]唐愛松，韓軍，夏熙倫.不良地質(zhì)隧洞開挖的止水加.固技術(shù)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2012，21（7）：1064-1067.

[2]劉建忠，楊春和，李曉紅，等.萬開高速公路穿越煤系.地層的隧道圍巖蠕變特性的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2014，23（22）：3794-3798.

[3]李曉紅，靳曉光，王宏圖，等.采動下臥煤層對深埋隧.道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響[J].巖土力學(xué)，2011，26（9）：1448-1451，1455.