軟巖隧道工程存在的問題及展望

任 海 勇

(山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西 晉城 048204)

軟巖隧道工程存在的問題及展望

任 海 勇

(山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西 晉城 048204)

介紹了軟巖隧道工程的發展現狀，對目前軟巖隧道施工過程中面臨的主要問題進行了詳細分析，指出了問題存在的原因，并對今后軟巖隧道的研究方向進行了展望，以提高軟巖隧道工程的施工技術水平。

隧道，軟巖，變形，圍巖支護

1 概述

隨著交通事業的快速發展，越來越多的隧道工程將會在地形、地貌及地質背景復雜的西部山區修建。隧道在施工過程中不可避免的會遇到軟弱圍巖、高地應力圍巖、斷層破碎帶等復雜的地質狀況。通常意義上，穿越這些地區的隧道統稱為軟巖隧道[1]。

軟巖隧道開挖易造成圍巖大變形，控制圍巖變形也是軟巖隧道開挖所要解決的主要問題之一。尤其是對于穿越軟弱地層的大跨度隧道而言，如果支護不強或支護不及時，將會發生塌方冒頂或二次襯砌嚴重開裂現象，將會給工程安全性造成嚴重的威脅。

通常來說，隧道圍巖大變形指在高地應力軟弱圍巖條件下，圍巖發生沉降破壞并最終導致隧道圍巖失穩的現象[1]。其實質是圍巖產生剪應力使得巖體彼此錯動、斷裂破壞，也就是說使圍巖的自穩能力喪失，產生塑性變形，進而迫使圍巖向開挖洞室方向擠壓，產生大變形的現象。對于大變形的界定[2]，鐵二院考慮了預留變形量的影響，認為單線隧道適當的預留變形量一般不大于150 mm，雙線隧道一般則不大于 300 mm，正常的變形量上限取上述值的0.8倍，在支護位移上，若單線隧道大于130 mm，雙線隧道大于250 mm，就認定為發生了大變形。

近年來，隨著深埋特長隧道建設的日益增多，國內外對軟弱圍巖隧道大變形的變形機理[3]、變形特征[4]、控制措施[5]、施工工法[6，7]及支護時機[8]等等方面做了大量的研究，并取得了一定的成果。

2 大跨軟巖隧道存在的問題

由于地層地質的復雜性，大跨軟巖隧道工程仍然面臨著以下幾個急需解決的關鍵問題：

1)對圍巖變形的判斷與控制。對于軟巖隧道圍巖變形的研究主要集中在三個方面：a.從理論方面對變形機理進行研究;b.選擇合理的施工工法對圍巖變形進行控制;c.運用有限元或其他數值模擬的手段對圍巖的變形量和變形趨勢進行預測。

從眾多的學術論文和科研成果中不難發現，對于圍巖變形的機理多是采用連續性介質理論進行分析，而實際工程中的圍巖是非連續的，它是巖塊和結構面在三維空間的一種非定向關系。尤其是對于地質狀況比較復雜的軟弱圍巖，都是由多種物理成分組成的，且各物理成分的大小、多少及分布具有很大的隨機性。但是，在實際的研究和應用中，例如采用數值模擬的方法對軟巖隧道圍巖變形進行分析時，又必須運用巖體的本構關系，這本身就是存在問題的，更不要說計算結果的準確性了。

不論是理論分析還是數值模擬都沒有辦法對圍巖的變形量進行準確的判斷。這將引起另外一個問題，就是在采取控制變形措施時，通常采用的是依據相似工程經驗制定施工方案，并沒有針對不同的變形量采取相應的控制措施，因此變形控制措施也具有一定的盲目性。

另外，隧道施工中變形可以達到1.0 m甚至更大，軟弱圍巖變形本質上屬于大變形問題，然而巖體力學中使用的彈塑性變形理論[9]雖然對材料的非線性進行了考慮，但是嚴格意義上仍屬小變形理論。

2)對合理支護時機的探討。隧道二次襯砌施作時機始終是隧道界討論的熱點問題，二次襯砌的支護時機是保證二次襯砌長期穩定的關鍵。特別是對于軟巖大變形隧道，如果二次襯砌施作過晚，則可能造成初期支護變形過大而無法控制，以致隧道失穩；但如果施作過早，則不利于地應力的釋放和充分發揮圍巖的自穩能力，從而使二襯受力過大而導致開裂，降低了隧道結構穩定性。因此，合理確定二次襯砌施作時機是保證隧道施工階段和長期運營階段安全性的關鍵。

但是現階段，對于隧道二次襯砌支護時機的研究仍然沒有形成系統的體系。研究者多根據具體的工程背景選擇不同的巖石彈塑性模型，采用的確定合理支護時機的判定方法也各有不同。對于二襯支護時機的影響因素的分析也多是針對單一影響因素，并沒有綜合考慮。

3 軟巖隧道的發展與展望

為了滿足交通建設的需要，將不可避免的遇到更多的軟巖隧道工程。圍巖大變形的控制問題仍然是未來軟巖隧道工程需要解決的關鍵問題。從根本上講要更深入的研究圍巖的變形機理，找出適用于實際工程地質狀況的圍巖的本構關系。在施工的過程中，超前地質預報要貫穿整個隧道的開挖過程，監控測量要及時跟進。對于具有代表性的工程要完善施工工法，以便以后類似工程經驗借鑒。

隧道是地層圍巖和支護結構共同組成的復雜受力體。支護是一個過程，一個好的支護方案要讓這一過程與圍巖變形過程相協調。考慮到軟弱圍巖的蠕變特性，圍巖的自穩能力是與施加相關的，因此二次襯砌的支護需要一個合理的時機。反過來理解，如果要確定合理的二襯支護時機，首先要對圍巖的蠕變特性和變形機理進行充分而深入地分析，只有在此基礎上，才能選擇適當的支護時機和支護形式以及確定合適的支護參數。由于目前的研究多針對二次襯砌的支護時機探討，應該將整個支護過程統一起來，形成與不同圍巖級別、不同斷面尺寸、不同開挖方式、不同支護參數相對應的系統的支護方案，以及更完善的施工工法。

4 結語

本文主要針對近年來出現的軟巖隧道工程中的突出問題進行了討論，并對軟巖隧道工程今后的發展進行了展望。為了滿足交通建設的需要，更多更為復雜的軟巖隧道工程也必將積累更多的工程經驗，更好更深入的解決圍巖大變形的控制問題。隨著支護理論的不斷發展、支護技術的不斷進步，軟巖隧道工程施工技術水平將會不斷提高和發展。

[1] 陳 玉.共和隧道圍巖大變形機理及防治措施研究[D].重慶：重慶大學，2008.

[2] 喻 渝.擠壓性圍巖支護大變形的機理及判定方法[J].世界隧道,1993,2(1):46-50.

[3] 劉伴興.軟巖隧道大變形機理及位移控制基準[D].石家莊：石家莊鐵道學院，2006.

[4] 段慶偉,何滿朝,張世國.復雜條件下圍巖變形特征數值模擬研究[J].煤炭科學技術,2002,30(6):55-58.

[5] 柴瑞峰,王才高.鳥鞘嶺特長隧道大變形圍巖段施工技術[J].鐵道建筑，2005(12):38-39.

[6] 王祥秋,楊林德,高文華.軟弱圍巖蠕變損傷機理及合理支護時間的反演分析[J].巖石力學與工程學報,2004,23(5):793-796.

[7] 王建宇,胡元芳,劉志強.高地應力軟弱圍巖隧道擠壓型變形和可讓性支護原理[J].現代隧道技術,2012,49(3):9-17.

[8] 劉全林,楊 敏.軟弱圍巖巷道錨固支護機理及變形分析[J].巖石力學與工程學報,2002,21(8):1158-1161.

[9] 張良輝,熊厚金,張 清.隧道圍巖位移的彈塑粘性解析解[J].巖土工程學報,1997,19(4):66-72.

Soft rock tunnel engineering problems and prospect

Ren Haiyong

(ShanxiLanyanCoalGasGroupCo.,Ltd,Jincheng048204,China)

The paper introduces the development conditions of soft rock tunnel engineering, specifically analyzes problems existing in current soft rock tunnel construction, and points out causes, and prospects soft rock tunnel research tendency in future, with a view to improve the construction technology level of soft rock tunnel engineering.

tunnel, soft rock, deformation, surrounding rock support

2015-02-10

任海勇(1982- )，男，工程碩士，工程師

1009-6825(2015)11-0154-02

U451

A