松散圍巖隧道力學特征及其超前支護措施研究

楊建周　谷松博　郁圣維

(蒙冀鐵路有限責任公司，內蒙古呼和浩特　010010)

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松散圍巖隧道力學特征及其超前支護措施研究

楊建周谷松博郁圣維

(蒙冀鐵路有限責任公司，內蒙古呼和浩特010010)

摘要松散圍巖易發生掉塊、坍塌和大變形，是隧道建設中難度最大而又經常遇到的一類圍巖。介紹松散圍巖的分類及其工程地質評價，研究松散圍巖的力學特征，在此基礎上提出松散圍巖隧道超前支護的主要形式，并對不同形式的超前支護進行對比分析。

關鍵詞松散圍巖隧道力學特征超前支護

1松散圍巖的力學特征

1.1松散圍巖的分類

松散圍巖是指結構比較破碎或者黏聚力比較小的巖土體，一般包括破碎圍巖、未成巖的圍巖、全風化圍巖、砂層和砂礫層圍巖、砂層黏土層互層圍巖、黃土或黃土為主體的土質圍巖、斷層破碎帶等構成的圍巖等。

松散圍巖不同于軟弱圍巖，軟弱圍巖的主要特征是“軟”，即圍巖的變形模量E比較小，如公式(1)所示，在同等應力狀態下，軟弱圍巖的變形較大。因此，軟弱圍巖隧道出現的主要地質問題是大變形以及大變形引起的支護結構破壞。

(1)

松散圍巖的主要特征是“散”，即圍巖的黏聚力c比較小，如公式(2)和公式(3)所示，在同等應力狀態下，松散圍巖的抗剪強度和抗壓強度都較小。因此，松散圍巖隧道出現的主要地質問題是掉塊、坍塌等強度問題。

(2)

(3)

根據圍巖的堅硬程度，松散圍巖可以分為兩大類：堅硬松散圍巖和軟弱松散圍巖(如表1)。

表1　松散圍巖分類

注：表中Rc表示圍巖中單個巖快的單軸飽和抗壓強度；Kv為巖體的完整性指數；c表示圍巖或者裂隙的黏聚力。

1.2松散地層的力學特征

(1)堅硬松散圍巖

堅硬松散圍巖是指巖石比較堅硬，但節理裂隙比較發育，巖體比較破碎，即巖石的變形模量E比較大，而黏聚力c比較小。這類圍巖在隧道開挖后易發生掉塊、坍塌等破壞，但是一旦超前注漿加固或噴射混凝土等初期支護施工完成后，圍巖相互擠密，自承載能力迅速提高，隧道荷載將主要由圍巖自身承擔。初期支護和二次襯砌所受荷載較小，圍巖和隧道的變形較小，而且變形主要出現在開挖初期，后期變形很小。針對這類圍巖，隧道應采用柔性支護體系，充分發揮圍巖的自承載能力，開挖前應進行超前支護，開挖后及時進行初期支護，待初支穩定后進行二襯澆筑。

(2)軟弱松散圍巖

軟弱松散圍巖是指巖石比較軟，而且裂隙發育、結構破碎，即巖石的變形模量E和黏聚力c都比較小。這類圍巖在隧道開挖后易出現圍巖大變形以及由大變形引起的噴層開裂掉塊、鋼拱架扭曲，甚至二襯開裂。該類圍巖自承載能力很小，支護結構承擔的荷載將逐漸增大，直至達到隧道開挖前圍巖的初始應力值。若支護結構不能提供足夠的支撐力，圍巖變形將隨時間持續增大，并引起支護結構變形破壞。針對這類圍巖，隧道應采用剛性支護體系，及時控制圍巖的變形，開挖前進行超前支護，開挖后及時進行初期支護，二襯也應及時澆筑(如表2)。

表2　不同類型松散圍巖的力學特征及其支護措施

2松散圍巖隧道超前支護形式

不管是堅硬松散圍巖還是軟弱松散圍巖，采用超前支護加固工作面前方圍巖是松散圍巖隧道施工的主要手段。目前，松散圍巖隧道超前支護的主要類型包括地層注漿加固、超前管棚和水平旋噴樁加固。

2.1注漿加固

對于埋深不大，且地表地形比較平緩的松散地層，可以對隧道上方及隧道周邊范圍內的松散圍巖進行注漿加固。一般來說，隨著埋深的增大，對施工機具和注漿技術的要求隨之增高，施工成本也隨之增大。因此，地表注漿深度不宜過大，一般小于50 m，且根據松散地層土體的性質，采取合適的注漿材料和注漿方式。

松散圍巖的注漿方式主要包括充填注漿、裂隙注漿、滲透注漿、脈狀注漿、擠密注漿等，各注漿方式的漿液類型如表3所示。

表3　松散圍巖的注漿方式及漿液類型

2.2超前管棚

超前管棚支護是沿開挖輪廓周線鉆設與隧道軸線平行的鉆孔，而后插入不同直徑的鋼管，并向管內注漿，固結管周邊的巖體，在預定的范圍內與鋼架形成棚架的支護體系。

超前管棚對松散圍巖的支護作用主要表現在管棚在隧道縱向上的梁效應，即在隧道縱向上構成管棚的每一根鋼管，都類似于一根橫梁，工作面前方圍巖及后方鋼拱架是橫梁前后兩端的支撐點，防止了圍巖的松弛和崩塌。在隧道橫向上，由于鋼管與鋼管之間存在間隙，所以管棚在隧道橫向上的成拱效應并不理想，細顆粒的松散砂土以及地下水會從鋼管之間的縫隙滲漏流出。因此，對于細顆粒的松散砂土或者極軟巖以及富水地層，應增加超前小導管等輔助措施，或者選用水平旋噴樁等其它超前支護結構。

管棚通常可分為長管棚和短管棚。短管棚：長度小于10 m的小鋼管，一次超前量小，基本上與開挖作業交替進行，占用循環時間較大，但鉆孔安裝或頂入安裝較易。長管棚：長度為10～45 m，直徑較粗，一次超前量大，單次鉆入或打入長鋼管作業時間較長，但減少了安裝鋼管次數，減少了與開挖作業之間的干擾。

2.3水平旋噴樁

水平旋噴注漿是利用機械進行鉆孔，從鉆桿前端噴射固化漿液(一般為水泥漿液)。同時，鉆桿以一定速度邊旋轉邊提升，高壓射流使一定范圍內的土體結構破壞，并強制與固化液混合，凝固后便在土體中形成具有一定性能和形狀的固結體。高壓旋噴樁法可分為單管、二重管、三重管和多重管等方法，其加固形狀也多種多樣。

水平旋噴樁對松散圍巖的支護作用主要表現在水平旋噴樁在隧道橫向上的拱效應，即在隧道橫向上，水平旋噴樁相互咬合搭接，形成一個殼體支護結構，充分利用拱效應支護圍巖，同時具有防滲止水作用。

水平旋噴技術由高壓噴射注漿技術發展而來，在地層適應范圍上，與高壓噴射注漿基本類似。不僅如此，水平旋噴技術適應范圍還受水平旋噴所采用的噴射方式(單管、雙管、多重管等)影響。可適用于處理淤泥、淤泥質土、流塑、軟塑或可塑黏性土，以及粉土、砂土、黃土、素填土和碎石土等松散地層。對于含大粒徑塊石、大量植物有機質、以及地下水流速過大和已涌水的場地，應根據現場適用結果確定其適用性。

3三種超前支護形式對比分析

為了對比分析地表注漿、管棚和水平旋噴樁三種超前支護對松散圍巖的加固效果，采用FLAC3D數值模擬軟件對各種支護進行模擬計算。以南寧至廣州鐵路大山頭隧道為例，對比分析各種超前支護的加固效果。

3.1設計參數

南寧至廣州鐵路設計時速為250 km，雙線電氣化鐵路。線路位于廣東廣西境內，全線共有隧道103座，特別是位于廣東廣西交界地區長度較短的隧道群，埋深淺，地質上多為花崗巖地層，且全風化層厚度大，施工過程中多次發生初期支護下沉侵限。

大山頭隧道位于廣東省云浮市郁南縣平臺鎮，起訖里程IDK267+150～IDK268+028，全長878 m(不含19 m明洞)，最大埋深43 m，隧道內縱坡為單項上坡，坡度為4.004‰。洞身主要穿越第四系沖洪積層、第四系殘坡積層、燕山中期花崗巖等，花崗巖全風化，呈飽和黏土狀，結構松散，飽和單軸抗壓強度Rc<30 MPa，圍巖黏聚力c<0.5 MPa，圍巖級別為V或VI級，為典型的軟弱松散圍巖。

2011年元月10日，隧道內正在進行下導支護作業，圍巖初支出現異響。經觀察，隧道初支發生開裂變形，上導拱部初支沿二襯接頭處(IDK267+662)發生整體斷裂下挫，初支己侵入凈空1.6 m，地表出現坍塌錯臺，最大達2.4 m。

為了控制圍巖變形，分別設計了地表注漿、管棚和水平旋噴樁三種支護方案，各方案支護參數如下。

(1)地表注漿

注漿范圍為隧道中線兩側各16 m，地表面向下30 m范圍內，如圖1所示。注漿管采用φ70、厚5 mm的PVC打孔塑料管，管壁每隔15 cm交錯布眼，孔眼直徑為10 cm。注漿管間距1.5 m×1.5 m，梅花形布置。注漿漿液采用水泥水玻璃雙液漿。為確保注漿效果，防止地下水下滲，對洞內部分段進行徑向局部補注漿加固，加固圈為3 m，注漿材料為HSC。

圖1　地表注漿加固范圍(單位：m)

(2)管棚

采用φ108管棚，管棚長為20 m，布置在拱部120°范圍內，管棚的環向間距一般為40 cm，外插角2°～3°。

(3)水平旋噴樁

水平旋噴樁直徑600 mm，間距400 m，長度20 m，沿隧道開挖輪廓線環向布置在拱部120°范圍內，水平旋噴樁旋噴壓力45 MPa，漿液采用P·O425普通水泥。

3.2加固效果

通過對三種超前支護方案的數值模擬，得到三種支護形式下隧道拱頂、仰拱及工作面的變形，如表4及圖2、圖3所示，得到如下結論：

(1)采用地表注漿方案時，隧道頂拱最大沉降8.22 mm，隧道仰拱最大隆起變形10.81 mm，工作面最大鼓出變形4.34 mm。

(2)采用管棚方案時，隧道頂拱最大沉降6.15 mm，隧道仰拱最大隆起變形16.36 mm，工作面最大鼓出變形7.47 mm。

(3)采用水平旋噴樁方案時，隧道頂拱最大沉降5.20 mm，隧道仰拱最大隆起變形15.38 mm，工作面最大鼓出變形7.30 mm。

對比分析表明，水平旋噴樁支護下拱頂沉降變形最小，管棚次之，地表注漿加固下拱頂沉降大，說明水平旋噴樁支護對控制松散圍巖拱頂沉降效果最好，管棚次之，地表注漿效果相對較差。由于水平旋噴樁和管棚支護只設置在拱部120°范圍內，邊墻及仰拱沒有設置水平旋噴樁和管棚，因此，水平旋噴樁和管棚支護下仰拱隆起變形較大，分別為15.38 mm和16.36 mm，而地表注漿加固下仰拱的隆起最小，為10.81 mm。說明在極軟巖地層，為了控制仰拱隆起變形，不僅在拱頂要設置水平旋噴樁或管棚，邊墻及仰拱也需要設置。

地表注漿提高了工作面前方圍巖力學性能，因此地表注漿加固下工作面鼓出變形最小，為4.34 mm，而水平旋噴樁和管棚支護下工作面鼓出變形分別7.30 mm和7.47 mm，說明地表注漿對控制工作面變形效果最好。如果采用水平旋噴樁或者管棚，則需要增加工作面錨桿，以控制工作面變形。對比分析水平旋噴樁和管棚兩種支護形式，水平旋噴樁對拱頂沉降、仰拱隆起及工作面鼓出變形的控制效果優于管棚。不同超前支護類型的對比分析如表5所示。

表4　各工況開挖隧道圍巖各項變形參數　mm

表5　不同超前支護類型的對比分析

圖2　不同支護形式下圍巖的豎直向變形

圖3　不同支護形式下隧道工作面的鼓出變形

4結束語

松散圍巖是指結構比較破碎或者黏聚力比較小的巖土體，一般包括破碎圍巖、未成巖的圍巖、全風化圍巖、砂層和砂礫層圍巖、砂層黏土層互層圍巖、黃土或黃土為主體的土質圍巖、斷層破碎帶等構成的圍巖等。

根據圍巖的力學性質，松散圍巖可劃分為堅硬松散圍巖和軟弱松散圍巖兩大類。堅硬松散圍巖是指巖石比較堅硬，但節理裂隙比較發育，巖體比較破碎，即巖石的變形模量E比較大，而黏聚力c比較小，這類圍巖易發生掉塊、坍塌等破壞，圍巖采用注漿等加固措施后自承載能力迅速提高。堅硬松散圍巖隧道應采用柔性支護體系。

軟弱松散圍巖是指巖石比較軟，而且裂隙發育、結構破碎，即巖石的變形模量E和黏聚力c都比較小，這類圍巖易出現圍巖大變形，圍巖自承載能力很小，支護結構所受荷載較大。軟弱松散圍巖隧道應采用剛性支護體系。

注漿加固、超前管棚和水平旋噴樁是目前松散圍巖隧道采用的主要超前支護形式，對比分析三種超前支護形式可知，水平旋噴樁支護對控制松散圍巖拱頂沉降效果最好，管棚次之，地表注漿效果相對較差；但地表注漿對控制仰拱隆起和工作面鼓出變形的效果要優于水平旋噴樁和管棚。因此，在松散圍巖，尤其是軟弱松散圍巖中采用水平旋噴樁和管棚時，不僅要在拱頂120°范圍內設置水平旋噴樁或管棚，在邊墻及仰拱也需要設置，同時應設置工作面錨桿，以控制工作面鼓出變形。對比分析水平旋噴樁和管棚兩種支護形式，水平旋噴樁對拱頂沉降、仰拱隆起及工作面鼓出變形的控制效果優于管棚。

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收稿日期：2016-02-02

第一作者簡介：楊建周(1966—)，男，2000年畢業于西南交通大學隧道與地下工程專業，高級工程師。

文章編號：1672-7479(2016)03-0028-04

中圖分類號：U451+.1； U455.7

文獻標識碼：A

Mechanical Characteristics of Loose Rock Mass and its Advance Support for Tunnels

YANG JianzhouGU SongboYU Shengwei