木寨嶺隧道軟巖大變形的機理分析及處理措施★

韋 云 張 璐 胡子揚 谷 宇 楊江坤 閆名卉

(河北大學(xué)建筑工程學(xué)院,河北 保定 071000)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國交通的發(fā)展進入了一個黃金時期，目前我國已經(jīng)成為世界上隧道和地下工程發(fā)展速度最快的國家，隧道運輸也成為我國交通運輸?shù)闹饕绞?。隨著建造的隧道數(shù)量的增多，隧道長度的不斷增加，再加上很多隧道都會穿過山地，導(dǎo)致隧道所在地的地質(zhì)條件愈加復(fù)雜，隧道面臨的問題也逐漸增加，這些問題會降低隧道結(jié)構(gòu)的安全性，縮短隧道的使用壽命。

在修建隧道過程中，我國面臨的問題是隧道多處于軟巖高地應(yīng)力區(qū)。對此，很多學(xué)者對此方面有深入的研究。沙鵬等[1]利用現(xiàn)場實時監(jiān)控，在隧道的高地應(yīng)力層狀圍巖下勘察，總結(jié)出了初期支護、圍巖壓力、二襯接觸壓力的分布規(guī)律，為工程提出了有利的施工措施;孫利民等[2]對深部軟巖隧道的支護技術(shù)進行了探索，分析了其破壞原因，認為采用超細水泥注漿來加固圍巖，同時利用錨網(wǎng)索噴和高強度U型鋼支護，達到了預(yù)期的支護效果；李鴻博等[3]通過在現(xiàn)場系統(tǒng)全面地監(jiān)測了高地應(yīng)力軟巖隧道圍巖與支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形，分析了隧道的圍巖大變形機制與應(yīng)力特征;田鵬[4]在蘭新鐵路對高地應(yīng)力軟巖隧道圍巖壓力及二襯接觸壓力進行了現(xiàn)場監(jiān)測，獲得了隧道支護在時間和空間上的受力變化。

結(jié)合隧道所處地區(qū)的地質(zhì)條件，確定出隧道的主要病害形式，并提出有效的防止和治理措施，是避免工程事故的發(fā)生，保障隧道正常使用的重要措施。

本文以木寨嶺隧道[5]為例，結(jié)合當?shù)氐刭|(zhì)條件，總結(jié)出圍巖工程特性，掌握隧道的主要破壞形式，提出相應(yīng)的防治措施，這對確保隧道順利安全施工有著極其重要的意義。

1 工程概況

木寨嶺隧道位于甘肅省定西市漳縣、岷縣，總長1 710 m，是雙洞單線分離式特長隧道。木寨嶺隧道為全國鐵路高風險隧道之最，同時也是地質(zhì)條件最差的隧道，巖石成分都是一些強度極其差的，如黏質(zhì)黃土、沙質(zhì)黃土、泥巖、板巖、斷層壓碎巖等。由于隧道所處的地區(qū)屬于高地應(yīng)力區(qū)，使得隧道在修建過程和使用過程中非常容易變形。并且加上巖石成分較軟，使得圍巖的穩(wěn)定性非常差，易發(fā)生大變形。

1)施工過程中的危害：在木寨嶺隧道中，病害主要是軟巖大變形。由木寨嶺隧道所在地的地質(zhì)條件可知，該地有著大量的炭質(zhì)板巖。這一地質(zhì)情況是出現(xiàn)大變形最重要的因素。在結(jié)構(gòu)內(nèi)力的作用下，炭質(zhì)板巖會與水相融，這直接使巖石變軟，出現(xiàn)不同程度的膨脹現(xiàn)象。膨脹會使得節(jié)理破壞，巖層被毀壞。同時，與水相融后重量增加，使得掌子面上方的圍巖無法承擔巖石上部的重量，圍巖立即失穩(wěn)變形發(fā)生塌落大變形。

2)危害分析：首先，由當?shù)氐牡刭|(zhì)情況可知，隧道不僅處于高地應(yīng)力區(qū)，而且還受到褶曲和斷層帶的作用，這些作用使得結(jié)構(gòu)內(nèi)力增大。同時與水相融的炭質(zhì)板巖會使巖層毀壞。隨著隧道不斷開挖，地應(yīng)力不斷放出，再加上圍巖等級較差，原有的結(jié)構(gòu)不能與日益增加的地應(yīng)力相抗衡，使得隧道發(fā)生破壞；其次，該地的巖石類型大部分屬于軟巖，遇水成泥，穩(wěn)定性非常差，支護結(jié)構(gòu)在施工時雖然達到了要求，但是隨著地應(yīng)力的發(fā)展，襯砌結(jié)構(gòu)不足以抵抗地應(yīng)力的發(fā)展，最終導(dǎo)致了塌方大變形。

2 治理措施

由當?shù)氐牡乩淼刭|(zhì)條件可以得出，隧道出現(xiàn)大變形的原因主要有兩方面：一是有膨脹性礦物的存在，同時又有水的存在，這時，就會有膨脹的現(xiàn)象產(chǎn)生。 在圍巖擠壓褶皺的部位，地下水位很大，這時若有易與水相融的礦物，如隧道中的炭質(zhì)板巖，遇水變泥，從而使隧道的周邊產(chǎn)生較大變形；第二點則是擠壓性變形，由于隧道周圍的巖石強度較低，隧道的洞室在開挖后，在洞室周邊的巖石將會因為處在塑性區(qū)而遭到破壞，這是因為塑性區(qū)內(nèi)的巖體會受到剪切和擠壓作用，從而出現(xiàn)了大變形。

針對這些大變形破壞，現(xiàn)階段常規(guī)的治理措施主要有：

1)加強超前支護：超前支護是可以使得隧道工程的開挖工作安全進行的一種治理方法。超前支護主要運用在斷層破碎帶、軟巖和塌方段，同時對其進行注漿，能夠?qū)Υ笞冃纹鸬揭欢ǖ目刂谱饔?。如果用大管棚難以施作地方，超前支護可以采用雙層小導(dǎo)管進行注漿。除此之外，在無水段和滲水地段可以分別采用注水泥漿和注水泥水玻璃雙液漿。

2)注漿加固：將能固化的漿液注入裂隙或空隙中，能夠起到防滲和加固的作用。在初期支護期間，如果出現(xiàn)大變形侵限、仰拱隆起、襯砌開裂、塌方等問題，首先應(yīng)進行注漿，使旁邊的巖石能夠固結(jié)，把圍巖的穩(wěn)定性提高，防止軟弱圍巖發(fā)生變形。對于無水或貧水地的地方可以用單液漿注漿，富水地方采用雙液漿注漿。

但是現(xiàn)階段的使用方法還存在著很多不足，施工也有很多不便的地方。由于軟弱圍巖在高地應(yīng)力的作用下很容易發(fā)生擠壓變形，應(yīng)力處于復(fù)雜的狀態(tài)，塑性區(qū)內(nèi)的巖體同時受到剪切和擠壓作用，使得圍巖中的質(zhì)點往開挖施工的方向進行移動，導(dǎo)致了隧道發(fā)生大變形。

若在施工時設(shè)置變形縫，由于巖石與水融合后，會有一定程度的膨脹。而變形往往是因為巖石沒有足夠的空間，才會向外鼓出，出現(xiàn)較大的變形。若能夠提前預(yù)留出足夠大小的變形縫，會給巖石膨脹提供出足夠的空間，減小巖石之間的擠壓，可以防止因為巖石向外鼓出而引起的變形。變形縫還可以防止?jié)B水，阻礙了軟泥地區(qū)遇水塌陷的危害。一般情況下，可將變形縫設(shè)置在軟硬巖變化處和明暗分界處，一般每30 m處設(shè)置一道，見圖1。

3 結(jié)語

在木寨嶺隧道出現(xiàn)的病害，大多數(shù)都是變形問題，因此，是否能夠抑制變形的發(fā)展，是保障隧道在施工過程和使用過程中維持穩(wěn)定的重要因素。前文所提到的幾種處理變形的措施，在木寨嶺隧道中，能夠解決一些現(xiàn)有大變形問題，并為以后的隧道修建過程中所遇到的病害問題，提供一定的經(jīng)驗，有效的預(yù)防并減少因隧道結(jié)構(gòu)的破壞造成的財產(chǎn)損失。

除了在隧道變形后要進行治理外，更主要的還是預(yù)防隧道變形。原因在于隧道發(fā)生大變形后，需返工處理,在嚴重地增加成本的同時，也會拖延工期。不僅如此，隧道大變形后，會伴隨有更繁瑣的后期施工，花費的人力物力也更多。為了避免這一系列事情的發(fā)生，總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn),采取預(yù)防措施對于隧道工作者們是必不可少的。除此之外，在后續(xù)隧道施工中應(yīng)加強施工地質(zhì)工作,準確了解隧道所處的地質(zhì)條件,優(yōu)化施工開挖方案，以確保施工安全順利，從而減小隧道破壞所造成的損失。

參考文獻:

[1] 沙 鵬，伍法權(quán)，李 響，等.高地應(yīng)力條件下層狀地層隧道圍巖擠壓變形與支護受力特征[J].巖土力學(xué)，2015，36(5):1407-1414.

[2] 孫利民，孫利軍.深部高應(yīng)力軟巖層大硐室聯(lián)合支護技術(shù)[J].中州煤炭，2011(11):70-71.

[3] 李鴻博， 戴永浩，宋繼宏，等.峽口高地應(yīng)力軟巖隧道施工監(jiān)測及支護對策研究[J].巖土力學(xué)，2011，32(S2):496-501.

[4] 田 鵬.高地應(yīng)力軟巖隧道圍巖壓力及二襯受力特征研究[J].鐵道標準設(shè)計，2016,60(8):108-112.

[5] 吳發(fā)展.木寨嶺隧道右線出現(xiàn)塌方處理[J].青海交通科技，2016(4)：107-108，114.