煤系地層軟弱圍巖隧道大變形施工控制技術

段長高

【摘要】在隧道施工過程中，煤系地層是一種不良地質類型，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，對導致隧道變形的原因進行簡要的分析，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類型，在施工中會出現瓦斯燃燒或爆炸、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量和后期的運營安全。

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力作用下發生的沉降破壞，隧道圍巖穩定性發生改變，圍巖應變能被釋放，最終導致巖爆現象。當軟弱圍巖發生破壞性變化時，就會導致隧道的變形。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、穩定期。隧道變形的初期的主要特點是拱頂的沉降量變大，周邊收斂變形的現象小，這種情況從開挖時開始，大約在10天的時候趨于穩定。下臺階開挖后會緊接著出現第二次變形，這次變形會較為明顯，變形速度不斷加快。當仰拱封閉后變形進入穩定期，變形的速度變小但仍會整體下沉，初期支護容易在變形狀況下混凝土出現裂隙，局部出現脫落現象，在支護結構連接處容易出現外鼓變形現象。總結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、變形時初期支護受到破壞。[1]

2.導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因和外因，內因是地應力及圍巖巖性因素，外因是斷面尺寸及支護措施因素，下面對其導致變形原因進行具體分析。

2.1地下水軟化作用

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，砂質泥巖吸水率最差。圍巖吸水性強弱主要與巖石內的主要成分和結構特點有關，巖石的強度受水的軟化作用影響，地下水導致圍巖體吸水，影響其強度系數和變形參數。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度，加速了隧道的破壞和變形。地下水對不同性質的圍巖造成的影響不同，吸水率越大的圍巖其影響越強，所以地下水對泥巖的影響是最強的。受到水軟化的圍巖其強度下降，承載能力不足，很難作為隧道的拱腳材料，初期支護結構也會因其影響而發生變形。[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行，施工設計對施工來說非常重要。施工方案要結合施工現場環境、施工地點地質特點、施工要求等方面。在具體施工過程中，也有根據實際情況對施工方案進行調整的狀況，在應用上下臺階工法進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，當步距過大時，初期支護會相對較為穩定，但是下臺階施工會受到干擾而產生變形，仰拱封閉壞形成時間較晚，初期支護不能及時封閉成環。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定，承載力下降而導致沉降問題，最終導致初期支護變形，整個隧道出現形變。[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、強度和形變承載力。初期支護拱腳地基的承載力強弱就與排水措施是否有效、及時關系密切。地下水的排出要合理、及時，一般采取設置集水坑進行地下水的抽排。如果沒有對地下水進行及時、有效、合理的排出，會導致初期支護變形的速度加快，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度，地下積水過多會導致拱腳下沉量會明顯增加，進一步導致隧道的變形。

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、有效的進行排水

地下水對圍巖的影響是嚴重且明顯的，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、有效的對地下水進行排出。一般會設置集水坑對積水進行引流，保證排水順暢，減少對圍巖的軟化作用，提高其強度和承載能力。對于積水較為嚴重的地方，一般采用在初期支護的巖壁后加入泥漿，對積水進行堵截，進而減少地下水的滲漏和累積。

3.2調整施工工法

調整施工工法是其達到安全步距，主要方法主要包括動態調整施工工法和及時施作仰拱。首先，對于臺階步距問題可進行動態調整，可以將上下臺階法改成三臺階法進行施工，對于重點的工序可以增加錨桿的方式加強鋼架的連接強度，減少工程的施工風險。在實際的施工過程中，導致臺階步距過大的主要原因是圍巖與支護體系間距問題，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致穩定性降低，容易造成變形侵限等危險。對于隧道臺階尺寸問題，臺階間距離應控制在1-1.5倍洞跨范圍，在進行循環施工后進行數據反饋監控，方便進行工序間步距的調整。其次，初期支護拱腳在施工階段往往出現承載力不足的現象，隨著工程的推進，其沉降變形也不斷增加，嚴重影響了隧道支護結構的穩定性和安全性。所以，在仰拱施作期間及時增強其承載力非常重要，能夠加快初期支護的閉合，提高結構的剛度，盡可能的發揮其支撐作用。在初期支護變形量逐漸變大時，要進一步加強二次襯砌，進一步加強前方開挖段的縱向時空效應。

3.3增強超前預支護技術

造成煤系地層軟弱圍巖隧道變形的主要因素是初期支護承載能力不足，所以可以應用增加小導管長度，增強超前預支護技術來進行初期支護的縱向承載能力，增強其穩定性。當隧道變形過大時，可以增加鎖腳錨桿進行加固，長度可設置6到8米，與鋼支撐進行連接，加強縱向連接筋的緊密度與剛性，提高整體的承載能力，將支護架上的松弛負荷向拱腳圍巖深部傳遞，進而減少初期支護的變形。此外，如果初期支護在封閉時出現整體下降而變形時，可以增加拱底豎向錨桿提高其承載能力，避免結構整體下降而造成更大的變形。

3.4加強監控信息的反饋

在隧道施工過程中，要加強施工現場數據信息的監控反饋，施工工法及工藝需要根據監控反饋數據進行動態調整，所以及時、準確、高頻率的跟蹤觀測監控非常重要，只有及時的進行信息反饋才能掌握初期支護結構受力及變形的規律。在監控中如果發現初期支護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，設置臨時的仰拱支撐或豎向支撐等措施。所以，及時、有效的監控量測信息反饋非常重要，關系著整體施工的穩定性、安全性以及工程的質量。

結束語：

綜上所述，在煤系地層這種不良地質情況下，軟弱圍巖隧道發生變形現象是不可避免的，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，加強初期支護的承載能力是控制隧道變形的主要措施，是增強隧道穩定性和安全性的重要手段。

參考文獻：

[1]唐愛松，韓 軍，夏熙倫.不 良地質隧洞開挖的止水加 固技術[J].巖石力學與工程學報，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研究[J].巖石力學 與工程學報 ，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 道結構穩定性的影響[J].巖土力學，2011，26（9）： 1448-1451，1455.