軟巖隧道變形控制機理及其支護技術(shù)研究

張吉昌 梁東偉

摘要：軟巖隧道大變形難控制的特點一直是施工過程中的難點，特別是隧道剛開挖完后，在隧道周圍形成松動圈，如若隧道初期支護強度不能有效的抵抗圍巖變形，那么軟巖隧道開挖后將會出現(xiàn)持續(xù)變形的現(xiàn)象。如果這種持續(xù)變形不能有效的抑制，隧道變形量就會超出原設(shè)計的預(yù)留變形量，這時隧道二次襯砌施工后隧道的原設(shè)計凈空變小，隧道的施工質(zhì)量就會受到影響，同時軟巖隧道的大變形給隧道施工帶來巨大的安全隱患，嚴重的影響了施工進度，因此研究軟巖隧道大變形機理，提出一種有效的初期支護技術(shù)來快速有效的抑制軟巖隧道的持續(xù)變形至關(guān)重要。本文以澠池—垣曲高速公路中某隧道中的一段軟巖段為研究對象，分析了該軟巖段隧道的變形機理，并提出了一種“雙網(wǎng)+錨噴”的高強初期支護技術(shù)，并通過現(xiàn)場試驗驗證了該支護技術(shù)的有效性。

關(guān)鍵詞：軟巖隧道；松動圈；持續(xù)變形機理；雙網(wǎng)+錨噴高強初期支護

中圖分類號：文獻標識碼：A

1 緒論

近年來隨著我國交通工程基礎(chǔ)建設(shè)的飛速發(fā)展，高速公路作為其重要組成部分也取得了長足的發(fā)展。在高速公路建設(shè)中，隧道在工程規(guī)劃、設(shè)計和施工中越來越多的受到人們的親睞，同時經(jīng)濟安全的隧道施工也越來越受到人們的重視。隨著我國修建隧道范圍不斷擴大，在修建過程中會遇到各種各樣的地質(zhì)環(huán)境，特別是當遇到巖溶、斷裂帶、高地溫、高應(yīng)力、軟弱圍巖等不良地質(zhì)段時，隧道能在保證安全的情況下經(jīng)濟有效的貫通是研究的重要課題。對于穿越軟巖段的隧道來說，持續(xù)變形難抑制的特點一直是困擾施工單位的難題，主要原因是軟巖隧道開挖后，圍巖自身強度比較低，自穩(wěn)能力比較差，如果不采取有效的方法快速抑制隧道的持變形，將給隧道后期的施工乃至交竣工驗收帶來嚴重的影響。[1]本文以澠垣高速公路中的某隧道為研究對象，重點分析了軟巖開挖后發(fā)生大變形的機理，并提出了“雙網(wǎng)+錨噴”的高強初期支護技術(shù)，分析了該支護形式的作用機理，并通過現(xiàn)場工業(yè)性試驗驗證了該初期支護形式在快速有效抑制開挖后軟巖隧道持續(xù)變形中的效果。

2 工程概況

該隧道區(qū)屬山嶺地貌，地形起伏較大，植被較發(fā)育，該隧道長度為1100m，隧道巖層產(chǎn)狀為240°∠5°，隧道走向為173°，隧道進洞洞身段圍巖主要為強風化～中風化砂質(zhì)頁巖和石英砂巖，塊狀或?qū)訝睿鶕?jù)根據(jù)洞深和風化程度，圍巖強度等級低，并且遇水后圍巖軟化情況比較嚴重，圍巖定級主要為IV級，為典型的軟巖隧道。隧道洞身主要結(jié)構(gòu)面為巖層產(chǎn)狀和節(jié)理裂隙，節(jié)理裂隙多傾斜，圍巖在開挖后自穩(wěn)能力比較差，需要采用有效的支護方式進行支護。

3 軟巖隧道開挖后發(fā)生持續(xù)變形的機理分析

3.1 圍巖松動圈發(fā)生機理

軟巖隧道周邊各點在隧道未開挖之前，其所處的應(yīng)力狀態(tài)為三向壓應(yīng)力狀態(tài)，由于三個主方向的應(yīng)力值

SymbolsA@ 1、

SymbolsA@ 2、

SymbolsA@ 3數(shù)值相差不大，根據(jù)巖石破壞的強度準則（庫侖—納維爾準則）可知[2]，巖體不會發(fā)生破壞。

當隧道開挖后，一方面因隧道周邊地應(yīng)力重新分布發(fā)生應(yīng)力集中，

SymbolsA@ 1數(shù)值巨增，另一方面

SymbolsA@ 3數(shù)值降低為0，距周邊較近的位置

SymbolsA@ 3也同樣會降低至很小的數(shù)值，根據(jù)公式（1），在隧道圍巖強度較弱的情況下，公式左邊的數(shù)值就會超過公式右邊的數(shù)值，從而導(dǎo)致圍巖破裂，形成圍巖松動圈。

[JZ（][XCimage206.tif；E+4.002mm。47.372mm]〖JZ）〗〖JY〗（1）

3.2 軟巖隧道開挖后松動圈發(fā)展機理

軟巖隧道開挖后在其周圍形成松動圈，處于松動圈范圍內(nèi)的破碎巖體傳遞地應(yīng)力的方式發(fā)生很大變化，原先由該部分巖體傳遞的地應(yīng)力，絕大部分改道松動圈外圍的穩(wěn)定巖體進行傳遞，該部分巖體在力學(xué)作用方面的表現(xiàn)也相應(yīng)地轉(zhuǎn)化為對外圍穩(wěn)定巖體的支撐作用。此時松動圈外圍的穩(wěn)定巖體因松動圈范圍內(nèi)的巖體退出了絕大部分原始地應(yīng)力的直接傳遞而擔負起本應(yīng)由松動圈范圍內(nèi)的巖體和開挖前隧道內(nèi)的巖體傳遞的地應(yīng)力，即穩(wěn)定巖體的內(nèi)緣發(fā)生應(yīng)力集中。應(yīng)力集中的結(jié)果是下圖中的

SymbolsA@ 1數(shù)值大幅增加，當圖中的

SymbolsA@ 3數(shù)值不能保證足夠大的話，穩(wěn)定圍巖內(nèi)緣的巖體將繼續(xù)發(fā)生破壞，導(dǎo)致松動圈范圍的繼續(xù)增大，而松動圈范圍的擴大又將導(dǎo)致穩(wěn)定圍巖內(nèi)緣應(yīng)力集中程度的進一步提高[45]，從而導(dǎo)致軟巖隧道的自穩(wěn)能力下降，導(dǎo)致隧道發(fā)生開挖后發(fā)生持續(xù)變形現(xiàn)象。

[JZ][XCimage207.tif]

[BT6]圖1 軟巖隧道圍巖質(zhì)點應(yīng)力狀態(tài)之間關(guān)系示意圖

4 軟巖隧道大變形控制及“雙網(wǎng)+錨噴”初期支護作用機理〖ST〗

4.1 軟巖隧道松動圈控制機理

在支護有效的情況下，伴隨著松動圈的發(fā)生與發(fā)展，松動圈內(nèi)巖體的碎脹力會急劇上升，此時圖1中的

SymbolsA@ 3數(shù)值將大幅增加，且增長比率會遠大于

SymbolsA@ 1數(shù)值的增長比率，這樣一來，松動圈外圍邊界的巖體很快就會滿足公式（1）的要求，于是松動圈就不會再繼續(xù)擴展下去，隧道的變形也就會停滯下來。由于松動圈范圍得到了控制，外圍穩(wěn)定巖體中應(yīng)力集中的程度就得到了有效控制，此時松動圈與穩(wěn)定巖體交界面邊緣的切向應(yīng)力和松動圈內(nèi)的碎脹力也就穩(wěn)定了下來，支護結(jié)構(gòu)所承受的壓力也就不再繼續(xù)增加。

4.2 “雙網(wǎng)+錨噴”初期支護作用機理

隧道開挖后圍巖應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槎螒?yīng)力狀態(tài)，一般情況下隧道開挖后采用拱架初期支護就能有效的控制隧道的變形，但對于該軟巖段隧道來說，采用拱架支護后圍巖變形很大，初支拱架在松動圈碎脹力作用下發(fā)生扭曲，這時根據(jù)軟巖隧道變形原因及控制松動圈擴展原理，提出一種“雙網(wǎng)+錨噴”高強初期支護（圖2），該支護作用機理為：隧道第一層初支施工后，隧道碎脹力作用在第一層網(wǎng)上，由于隧道周圍圍巖的自穩(wěn)能力較差，隧道發(fā)生較大的變形，這時第二層網(wǎng)開始承擔其抵抗隧道變形的能力，這樣就提高了

SymbolsA@ 3數(shù)值（圖1），使公式1左邊小于右邊，使隧道周圍的松動圈得到抑制，同時初支兩層網(wǎng)之間的混凝土在雙層網(wǎng)的作用下強度也明顯提高，這樣軟巖隧道周圍的松動圈就得到控制，隧道大變形被有效抑制。

5 現(xiàn)場監(jiān)測

該隧道軟巖段采用“雙網(wǎng)+錨噴”高強初期支護后，其累計變形量如下圖3所示，隧道剛開挖后采用單層網(wǎng)支護，短短兩天隧道累計變形量就達到9cm左右，變形比較大，施工方馬上調(diào)整支護方案，在原有支護的基礎(chǔ)上又加一層錨網(wǎng)，施工完后隧道變形馬上受到的較好的抑制，并趨于收斂。

6 結(jié)論

（1）軟巖隧道開挖后在其周圍形成松動圈，處于松動圈范圍內(nèi)的破碎巖體傳遞地應(yīng)力的方式發(fā)生很大變化，當隧道的初期支護強度不能夠抵抗松動圈圍巖的碎脹力時，隧道周圍松動圈就會不斷擴展，這樣軟巖隧道就會出現(xiàn)持續(xù)變形的現(xiàn)象。

（2）通過分析圍巖松動圈擴展機理提出了一種快速抑制軟巖隧道大變形的支護形式，及“雙網(wǎng)+錨噴”高強初期支護，該支護通過雙層網(wǎng)來抑制軟巖隧道的松動圈碎脹力，同時雙層網(wǎng)中間的噴射混凝土在雙層網(wǎng)作用下處于雙向應(yīng)力狀態(tài)，使其強度大幅提高，并通過現(xiàn)場監(jiān)測論證了該支護形式的有效性。

參考文獻：

[1]隧道工程施工管理現(xiàn)狀及對策分析[J].科學(xué)時代，2015，（05）：170.

[2]劉從友.薄層軟弱巖體流變研究[J].山西建筑，2016，（30）：8182.

[3]董海龍.軟巖巷道蠕變過程的動態(tài)仿真模擬研究[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2014.

[4]吳慶東.地下水封洞室圍巖松動圈范圍測試分析[J].土工基礎(chǔ)，2013，（2）：128131.

[5]蘭付嶺.主動支護與被動支護有機結(jié)合的原理分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2010，（32）.

[6]劉鵬祖.論防治隧道軟巖大變形的技術(shù)研究[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2014（19）：179.