隧道軟弱圍巖段大變形分析及處理措施研究

崔勝海

(廣西桂通工程咨詢有限公司，廣西 南寧 530028)

0 引言

對(duì)于公路隧道施工的監(jiān)理，要尤其注重對(duì)于軟弱圍巖段大變形的勘察和指導(dǎo)，這是道路隧道施工的重點(diǎn)工程，同時(shí)也是難點(diǎn)工程。軟弱圍巖段大變形具有變形量較大、持續(xù)作用時(shí)間長(zhǎng)、變形不均勻等特點(diǎn)，所以對(duì)其監(jiān)理必須結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)環(huán)境、構(gòu)造影響、監(jiān)控量測(cè)等方面具體問題具體分析。如隧道開挖后，開挖周邊就會(huì)產(chǎn)生臨空面，在空氣和水的長(zhǎng)期作用下，密度將會(huì)逐漸下降，造成巖體的軟化，甚至崩解，導(dǎo)致圍巖壓力增大。在構(gòu)造方面，由于一些層理面的鏡面較為光滑，擦痕也較為明顯，減小了層理間的結(jié)合，線路一側(cè)的巖層必將發(fā)生傾斜，導(dǎo)致該側(cè)的壓力增大，其邊墻必將發(fā)生很大的變形，甚至可能對(duì)二襯空間進(jìn)行侵入。在監(jiān)控信息方面，由于信息反饋不夠有效和及時(shí)，導(dǎo)致體系變形逐漸增大，加上施工中工序間隔時(shí)間長(zhǎng)，距離也較長(zhǎng)，導(dǎo)致初期的支護(hù)不能形成封閉環(huán)路，支護(hù)劇烈變大變形。此時(shí)就需要及時(shí)掌握支護(hù)應(yīng)力和圍巖應(yīng)力的釋放規(guī)律，科學(xué)確定結(jié)構(gòu)安全度，為制定科學(xué)合理的工藝提供數(shù)據(jù)支撐和施工方案。

1 隧道軟弱圍巖段大變形問題分析

隧道軟弱圍巖段大變形的形成機(jī)理較為復(fù)雜，涉及到的影響因素也較多，監(jiān)理過程中要注重從以下幾個(gè)方面進(jìn)行機(jī)理分析。

1.1 圍巖的種類和性質(zhì)的影響

我國(guó)公路隧道區(qū)巖性千差萬(wàn)別，造成隧道軟弱圍巖段大變形的圍巖有很多種，包括灰綠色千枚巖、灰色千枚巖、泥質(zhì)灰?guī)r等。這些圍巖主要由千枚巖構(gòu)成，其單軸的結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致了不能具備較好的抗壓強(qiáng)度，物理特性也各異，而且還都有遇水易軟化、易被風(fēng)化等特點(diǎn)，強(qiáng)度也隨著風(fēng)化而急劇降低。

1.2 當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)環(huán)境條件的影響

主要是一些不利于工程施工的地質(zhì)環(huán)境條件，比如斷層、背斜向斜褶皺、軟弱帶等等，這些都極有可能使該地區(qū)成為褶皺變形區(qū)。因?yàn)閺?qiáng)烈的擠壓和揉皺，也極易造成裂隙等情況，隨著變形區(qū)的進(jìn)一步發(fā)育，極有可能對(duì)圍巖構(gòu)造造成嚴(yán)重影響。此外，層間結(jié)合、完整性、裂隙發(fā)育等問題均會(huì)造成圍巖構(gòu)造的變形。

1.3 深埋深度以及高地應(yīng)力的影響

通過監(jiān)理地應(yīng)力測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在一些隧道深埋地段，深埋巖段的地應(yīng)力會(huì)隨著深度的增加而增大，實(shí)踐中當(dāng)隧道深度超過一定限度時(shí)，就會(huì)造成巖段的大變形。部分地區(qū)數(shù)據(jù)分析顯示，如果隧道深埋的深度>800 m時(shí)，就有可能發(fā)生輕度的變形；當(dāng)這一深度達(dá)到1 000 m時(shí)，就有可能發(fā)生中度的變形；當(dāng)這一深度達(dá)到1 400 m時(shí)，就有可能發(fā)生嚴(yán)重的變形。當(dāng)然這一數(shù)據(jù)針對(duì)不同的巖種，產(chǎn)生的變形也會(huì)不同，圍巖性狀也會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的差別。比如對(duì)于一塊碎裂的千枚巖，由于抗壓強(qiáng)度的影響，可能在800 m時(shí)就有可能發(fā)生中度，甚至是嚴(yán)重的變形。具體如表1所示。

表1 深埋深度與變形強(qiáng)度位移關(guān)系一覽表

1.4 自然災(zāi)害的影響

在自然災(zāi)害中，以地震對(duì)公路隧道施工影響為最大。我國(guó)汶川大地震以及其后的余震中，震區(qū)的隧址區(qū)受到嚴(yán)重影響，直接導(dǎo)致千枚巖巖層運(yùn)動(dòng)的加劇，加上構(gòu)造應(yīng)力較為復(fù)雜，使圍巖的整體性下降較快，地下水也導(dǎo)致了斷裂層以及剪切區(qū)域圍巖的軟化甚至是泥化，不穩(wěn)定性增強(qiáng)。

2 隧道軟弱圍巖段施工影響因素分析

2.1 施工開挖方法

隧道開挖后，隧道體應(yīng)力必將重新分布，應(yīng)力場(chǎng)也將發(fā)生變化，所以對(duì)其應(yīng)力狀態(tài)的影響明顯。開挖方式一般可以區(qū)分為爆破和非爆破兩種，開挖也可以區(qū)分為全斷面開挖和分?jǐn)嗝骈_挖兩種，應(yīng)力的影響主要體現(xiàn)為位移場(chǎng)的影響。開挖方式不一樣，其區(qū)域穩(wěn)定也表現(xiàn)不同，比如對(duì)于同一類型的圍巖，全斷面要比臺(tái)階法開挖變形小。

2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)

支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)于圍巖的變形和應(yīng)力有著直接影響，也較好地限制了隧道開挖帶來的圍巖變形，使得收斂變形逐步減小。

2.3 鄰近施工

實(shí)施初期支護(hù)后，圍巖的變形一般會(huì)趨于穩(wěn)定，圍巖處于相對(duì)平衡，但受到后期施工影響，圍巖也會(huì)表現(xiàn)為小范圍的震蕩變化。

2.4 施工工序

通常情況下，施工工序?yàn)殚_挖、初期支護(hù)、設(shè)置仰拱、二次襯砌，施工工序主要以變形曲線為依據(jù)，施工開挖的變形量占總變形量的30%，初期支護(hù)的變形量占總變形量的40%，設(shè)置仰拱產(chǎn)生的變形量占總變形量的20%以上，二次襯砌時(shí)圍巖變形量已經(jīng)趨于穩(wěn)定，僅僅占5%左右，所以圍巖進(jìn)入了相對(duì)穩(wěn)定期。

3 隧道軟弱圍巖大變形處理措施研究

隧道軟弱圍巖大變形機(jī)理的分析較為復(fù)雜，其中有構(gòu)成較為復(fù)雜的因素，也有逐步演化的客觀因素，因此對(duì)其系統(tǒng)分析首先要認(rèn)識(shí)到這是一個(gè)系統(tǒng)工程，必須根據(jù)具體變形特點(diǎn)制定針對(duì)性的方案，必要的情況下還要制定相關(guān)輔助方案。本文結(jié)合施工監(jiān)理實(shí)踐，提出如下原則性的控制措施供相關(guān)施工單位參考。

3.1 控制初始變形量

對(duì)于初始變形量的控制一般采取預(yù)支護(hù)的方式，如可以在公路隧道的不同位置采取不同的超前預(yù)支護(hù)舉措，同時(shí)要加強(qiáng)地質(zhì)情況的預(yù)報(bào)和研判。一般來說，對(duì)于平行導(dǎo)洞全洞的預(yù)報(bào)可以選擇紅外和雷達(dá)預(yù)報(bào)兩種，也可兩種結(jié)合使用。對(duì)于主洞全洞可以采取紅外探水和TSP(多波多分量高分辨率地震反射法)，必要時(shí)也可兩者結(jié)合使用。實(shí)踐中，也可以采用平行導(dǎo)洞預(yù)先開挖揭露圍巖基本情況，以實(shí)施后續(xù)主洞地段工程的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

3.2 工程開挖要盡量減少對(duì)周邊圍巖的干擾

開挖方式和爆破方式是直接影響圍巖穩(wěn)定性的主要方面，不同的方式對(duì)于圍巖的擾動(dòng)程度各異，實(shí)踐中應(yīng)具體情況具體分析。常見的開挖方式有上下臺(tái)階法、CD法、全斷面法、CRD法4種。施工要注重掌子面和仰拱、初期支護(hù)、全環(huán)襯砌間的距離，要保持信息預(yù)報(bào)的及時(shí)性，根據(jù)信息反饋及時(shí)調(diào)整施工工藝。對(duì)于工程爆破來說，要盡量減小爆破對(duì)周邊圍巖的影響和破壞，要根據(jù)具體巖層的性狀確定爆破的進(jìn)尺。如實(shí)施臺(tái)階施工法時(shí)，Ⅴ類圍巖上半斷面要≤1.2 m，Ⅳ類圍巖上半斷面要≤1.5 m，下半斷面要≤2.0～2.4 m。在實(shí)施全斷面工藝時(shí)，Ⅳ類圍巖的爆破進(jìn)度要≤3.5 m，且每次均要實(shí)施爆破后的檢查和評(píng)估，作為是否進(jìn)行下一次爆破的主要依據(jù)。一般來說，如果爆破設(shè)計(jì)的進(jìn)尺為2 m時(shí)，通常采取斜眼復(fù)合楔形掏槽，具體如圖1所示。當(dāng)進(jìn)尺>2 m時(shí)，通常采取直眼掏槽，具體如圖2所示。在每次爆破后，均要對(duì)孔痕跡率、平整度、爆渣集中度、爆渣塊度、殘眼長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)實(shí)施分析，以此來確定圍巖的穩(wěn)定性，這些參數(shù)的描述和測(cè)量是判斷下一次實(shí)施爆破的循環(huán)進(jìn)尺、內(nèi)圈孔間距、周邊孔、炸藥用量、掏槽孔布置的主要依據(jù)。

(A)斜眼楔形掏槽

(B)斜眼復(fù)合楔形掏槽

(A)菱形布置 (B)矩形布置 (C)三角形布置

圖2直眼掏槽示意圖

3.3 加強(qiáng)量測(cè)監(jiān)控，注重施工的動(dòng)態(tài)調(diào)整

實(shí)施量測(cè)監(jiān)控是實(shí)施險(xiǎn)情預(yù)報(bào)和監(jiān)控圍巖變形的主要依據(jù)。通過監(jiān)控可以較好地掌握圍巖和支護(hù)的工作情況，以便下一步實(shí)施支護(hù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也能為隧道施工積累相關(guān)數(shù)據(jù)資料，作為今后實(shí)施工程監(jiān)理和施工的依據(jù)。一般來說，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括兩類：(1)水平收斂；(2)拱頂下沉。對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖來說，及時(shí)封閉仰拱可以使斷面早形成閉合環(huán)，達(dá)到減小變形和提升圍巖穩(wěn)定性的目的。同時(shí)還可以根據(jù)監(jiān)測(cè)情況來確定二次襯砌的時(shí)機(jī)，因?yàn)榇隧?xiàng)工藝如果實(shí)施過早將會(huì)導(dǎo)致承載負(fù)荷過大，時(shí)機(jī)過晚又會(huì)造成支護(hù)被破壞。同時(shí)對(duì)于高應(yīng)力地段，要充分考慮高地應(yīng)力的影響，由于二次襯砌使得圍巖承受部分壓力，所以除了初期支護(hù)的厚度、剛度和強(qiáng)度外，還要適度加大二次襯砌的厚度和強(qiáng)度。通過監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，還能較好地揭示原設(shè)計(jì)初期支護(hù)數(shù)據(jù)能否滿足圍巖變形的要求。

3.4 強(qiáng)化治水舉措

上文提到圍巖在受到水的長(zhǎng)期侵蝕后，會(huì)出現(xiàn)圍巖軟化和泥化的問題，導(dǎo)致其工程性能急劇下降，使原有的支護(hù)穩(wěn)定性下降較快，變形量急劇增大，導(dǎo)致初期支護(hù)的掉塊，嚴(yán)重的甚至造成拱架的變形。所以治水尤其是富水段的治水尤其重要。應(yīng)根據(jù)地下水的富集情況進(jìn)行預(yù)先注漿操作，對(duì)于地下水發(fā)育地區(qū)和不發(fā)育地區(qū)一般采取不同的工藝舉措，前者通常采取水泥單液注漿，后者通常采取水泥、水玻璃雙液注漿，同時(shí)開挖后對(duì)其還要實(shí)施地下水的疏導(dǎo)、引排以及主動(dòng)封堵等舉措。對(duì)于圍巖變形較大、穩(wěn)定性較差的地域，可以實(shí)施提前二次襯砌，加強(qiáng)施工質(zhì)量的監(jiān)管，提升支護(hù)的效果，在變形完成和襯砌施工后，要根據(jù)情況對(duì)發(fā)育段實(shí)施回填注漿。

3.5 實(shí)施施工變形大數(shù)據(jù)分析

雖然本文也給出了一定的數(shù)據(jù)，但由于其變形規(guī)律不易掌握，給分析也帶來了一定的困難，實(shí)施大數(shù)據(jù)分析在過去是不可能實(shí)現(xiàn)的，但如今隨著信息科技的發(fā)展，可以根據(jù)不同巖種、不同地質(zhì)環(huán)境構(gòu)設(shè)相應(yīng)的大數(shù)據(jù)庫(kù)，并實(shí)施具體分析和比對(duì)，在此基礎(chǔ)上采取針對(duì)性的控制舉措，盡最大可能控制因圍巖大變形而帶來的工程事故。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，作為監(jiān)理單位，在實(shí)施監(jiān)理指導(dǎo)時(shí)要高度重視當(dāng)?shù)貛r種、地質(zhì)環(huán)境條件的影響，對(duì)于隧道深度給軟弱圍巖施工造成的大變形要進(jìn)一步加強(qiáng)研究，本文最后還提出了大數(shù)據(jù)分析理念，是一個(gè)較好的探索方向。同時(shí)作為施工方，還要高度重視鄰近施工、支護(hù)結(jié)構(gòu)和施工工序?qū)鷰r的影響，進(jìn)一步增強(qiáng)施工的科學(xué)性。

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