軟弱圍巖隧道大變形施工控制技術分析

張康寧

摘 要：隨著近些年來我國交通行業的快速發展，隧道工程數量和規模都在快速增加，在隧道施工過程中不可避免的會遭遇到軟弱圍巖的情況，這種隧道的整體強度相對較低，非常容易發生大變形的問題，所以加強其施工技術水平，有效進行施工控制是非常重要的。本文主要分析軟弱圍巖隧道大變形施工控制技術內容，希望能夠對相關人士有所幫助。

關鍵詞：軟弱圍巖;隧道;施工控制

中圖分類號：U455.49 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）06-0095-02

0 引言

近些年來我國的基礎設施建設發展迅速，地下空間的開發利用正在向著深度和廣度的方向發展，很多具有大、長、深、廣特點的隧道工程的建設步伐都在加速。只要隧道工程在施工過程中遇到軟弱圍巖體時，極其容易遭遇到軟弱圍巖大變形等一系列的地質災害，對于整個工程的建設都造成了較大困擾。所以需要充分分析研究軟弱圍巖隧道施工的控制技術，這對于有效控制軟弱圍巖隧道大變形施工穩定性、確保整個隧道工程的順利施工具有非常現實的價值和意義。

1 軟弱圍巖隧道大變形工程（案例）概述

1.1 軟弱圍巖大變形的定義

從目前情況看，圍巖的大變形還沒有統一的定義。一方面某些學者以圍巖的變形是否超出初期支護的預留變形量來判定是否為大變形，就是指隧道在施工過程中若是初期支護出現了25cm（單線隧道）以及50cm（雙線隧道）以上的位移就可以認為出現了大變形。另一方面某些學者認為并不能從變形量的絕對值定義大變形，變形值只是大變形現象的外在表現，根本問題是受到剪應力作用造成的巖體錯動以及斷裂分離破壞，巖體將向地下空洞方向產生壓擠推變形來定義大變形。

1.2 案例基本情況

某隧道工程位于我國東部偏西地區，最大埋深近1100m，隧道寬6.54m，高8.93m，全長近10000m。整個隧道都是通過具有仰拱的曲墻復合式襯砌以及噴錨進行支護，并且都鋪設有彈性的整體道床（不包括進出口位置）。此隧道的地層更多為石英云母片巖夾碳質片巖，巖質較為軟弱，巖層之間的結合性相對較差，比較容易發生剝落。破碎的圍巖大多是炭質片巖（以IV、V級居多），這些巖質均勻性較差，一旦遭遇水的侵蝕非常容易發生扭曲以及揉皺等情況。經過探查可知，此隧道的圍巖大變形破壞出現在了炭質片巖區域。

2 隧道軟弱圍巖大變形的基本特征分析

隧道軟弱圍巖發生大變形時不但具有一般性的分布規律，同時也具有自身的相應特征，主要包括：

（1）掌子面前方的變形范圍相對較大。常規的硬質圍巖掌子面前方的變形相對較小，但對于軟弱圍巖來說隨著掌子面變形會逐漸造成圍巖變形向著更深的部位擴展。對于案例中的情況來說，IV級炭質片巖施工過程中水平收斂總量達到了300-400mm，而拱頂下沉總值達到了150-200mm。同時V級炭質片巖某些區域具有大量的地下水，造成變形量較大，某些位置的水平收斂變形量達到了1260mm;

（2）掌子面前方圍巖變形比例較大。常規的硬質圍巖變形比例一般在20%之內，但是軟弱圍巖變形比例超出30%，所以若對其控制不及時容易造成部分拱頂坍塌;

（3）變形的持續時間相對較長。軟弱圍巖的變形持續時間較長，開挖之后形成臨空面變形可能會達到幾個月時間，甚至某些區域施工二次襯砌之后還會出現變形;

（4）變形不夠均勻對稱。軟弱圍巖的隧道變形常常存在著左右不對稱的問題，初期支護工序完成后，會存在不同區段左右變形量不同的現象。在本案例中，水平收斂速度和累計變形量都超過了拱頂下沉（水平收斂變形在500mm，拱頂下沉在105mm），但是后期的拱頂下沉較為明顯（500-600mm），同時速度也較快（20-30mm/d）;

（5）蠕變以及突變性質。完成初期支護的封閉之后，雖然變形在初始階段較為平緩，但是后續的相關施工工序會對圍巖的變形造成加速擾動，例如爆破產生的振動、仰拱開挖過程巖體的較大變化都會引發初期支護的失穩而出現坍塌;

（6）重復性特點。對于軟弱圍巖隧道變形區域來說，為了控制變形情況需要拆換已經變形的拱架，但是更換之后還會發生較大變形;

（7）圍巖一旦遇水就會軟化，增加變形量。炭質片巖一旦遇水會發生軟化而表現為泥漿狀，強度比較低，特別是存在地下水的區域變形更大。

3 圍巖隧道大變形原因分析

炭質片巖自身具備沿片理面蠕滑、軟質巖流動性較強、構造易破碎等特點，性質較為特殊，這就意味著炭質片巖的強度較低、易受振動等外界因素的影響，在地質構造的影響作用下，就會使得地層產生較強程度的扭曲揉皺，產生密集節理和順層摩擦鏡面，從而對巖體的整體性造成一定的破壞。另外，炭質片巖分布范圍不勻，其流動性較強，再加上隧道工程的埋深較大、圍巖順層偏壓、部分圍巖節理裂隙切割破碎等，這些因素都會導致大變形問題的發生。

4 軟弱圍巖隧道大變形施工控制技術分析

4.1 基本控制措施

根據軟弱圍巖隧道實際的變形情況，可以通過以下措施進行控制：首先，隧道大變形施工應當遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、早封閉、快襯砌、勤量測”的基本原則;其次，根據“快速封閉成環、襯砌緊跟”這一基本方式來控制軟弱圍巖隧道大變形，這是軟弱圍巖隧道大變形施工控制的重點;再次，對于III級以及IV級圍巖炭質片巖區域來說，可以采取超短三臺階法對圍巖進行控制，必須將二次襯砌與掌子面之間的距離控制在35m范圍內;最后，對于V級圍巖炭質片巖區域來說，可以采取三臺階法+臨時仰拱法來控制大變形情況;第五，要根據圍巖的實際變化情況來對施工方法進行適當調整。

4.2 具體施工控制

4.2.1 施工基本參數

根據此隧道炭質片巖的基本特征，需要對其按照V級圍巖的情況進行加強。具體施工時可以采用三臺階法進行，在此過程中要對小導管超前支護進行加密（20cm）。要保證小導管的尾部和鋼拱架焊接的牢固性，并且注漿要飽滿。初期支護為I25工字鋼，噴射砼30cm。在鋼架連接位置要設置至少4根鎖腳錨桿（Φ25，L=3.5m），同時要根據具體情況考慮是否有必要設置臨時仰拱。系統錨桿、鋼筋網以及二次襯砌等要根據設計參數進行施工。對于超挖位置可以通過二次襯砌同級砼進行回填，并且在仰拱成環之后要按照具體變形量情況進行二次襯砌。

4.2.2 具體施工控制措施

第一，加大預留的變形量（特別是水平收斂變形量），降低大變形的影響。正常情況下軟弱圍巖隧道的預留變形量在30cm左右。但是案例中的炭質片巖隧道的變形比較嚴重，在沒有進行二次襯砌時出現了較大的侵限情況，所以要加大預留的變形量。對于地質均勻的區域來說，可以將兩側預留變形量控制在50cm左右，拱頂則要按照具體情況預留30-50cm;對于地質不均勻的區域來說，可以一側預留70cm，另一側預留30cm。

第二，增加鋼拱架的強度，嚴格控制開挖進尺。為了合理控制變形量，可以根據具體情況替換初期支護的鋼拱架的材料，用I25型鋼來替換初始階段的I20型鋼，能夠有效加強鋼拱架強度，減少變形量。要對V級圍巖的爆破打眼深度以及裝藥量進行嚴格控制（打眼深度控制在1.2m左右，裝藥量控制在0.25kg），通過松動爆破的方式來緩解對于圍巖的擾動，同時控制每循環開挖進尺在1m，并且要及時進行砼的噴射，使得掌子面快速封閉。

第三，加強相應的排水措施。由于炭質片巖的巖體抗剪強度相對較低，以粉末狀的形態呈現，一旦遇水就會嚴重影響到圍巖的粘接力。受到巖體內云母等滑動結理面的影響會降低圍巖的自持力，造成初期支護的圍巖壓力較大，所以需要通過有效的排水措施來避免圍巖粘接力的影響。可以在洞內的上臺階初期支護的背后埋設鋼管引排，形成小型的集水坑，要在拱腳位置通過噴射砼回彈料形成排水溝進行排水。

第四，對于拱腳進行有效處理。原有拱部并沒有采取必要的鎖腳措施，可以對其進行改進，設置必要的鎖腳小導管。但是對于炭質片巖來說，受到材質性能的影響，在成孔過程中非常容易坍塌，所以小導管搭設時非常困難。在具體操作時可以采用Φ25的自進式中空錨桿來代替Φ42的小導管，這樣不但可以按照設計長度進行施工，同時施作循環的時間能夠縮短。另外，隧道拱腳在出現部分的坍塌時，若是直接對虛碴進行清理是非常容易發生二次失穩的，所以需要及時通過沙袋堆碼來穩定拱腳，之后進行掛網噴錨，支護之后注漿固結來防止圍巖進一步松動。對于隧道的某些滲水區域來說，設置集水坑之后占據了臨時仰拱的空間，這時可以在拱腳邊墻位置設置臨時性支墩，并且在支墩的底部位置設置Φ8的鋼筋來加大摩擦力。

第五，裝設臨時仰拱。臨時仰拱可以通過I25型鋼砼來進行（間隔50cm），要和初期支護的型鋼進行有效連接。另外，要在型鋼下部設置Φ8的鋼筋網，要有效控制網格的間距（20cm×20cm），同時要和型鋼進行點焊連接，縱向可以采取相距50cm設置Φ22的螺絲鋼進行連接。為了能夠減少循環時間，需要在臨時仰拱型鋼底部位置設置墊，并且完成灌注之后要在上面鋪設虛碴（一般在20-30cm厚）或者設置棧橋等設施，防止其受到較重載荷的影響而對結構進行破壞。

第六，實時監控量測。在一般情況下，應當在圍巖及其初期支護變形處于穩定狀態之后方可實施二次襯砌，但在本案例中，隧道炭質片巖的變形情況比較特殊，所測數據的收斂形態幾乎為直線形，其變形量極大（日變形量大概在11-24mm這一范圍內），有一些圍巖區域甚至還會在收斂一段時間后產生二次變形的情況。對硬巖而言，初期支護一旦出現變形，隨之而來的就是塌方問題，但炭質片巖初期支護出現變形或扭曲問題后，可以采取相應的加固措施來進行補救，比如注漿等，雖然不能完全控制變形，但在一定程度上可以有效規避塌方問題。因此，普通的數據分析無法對炭質片巖的隧道施工提供準確的數據指導，需要進一步提高監控量測水平。尤其是在爆破施工和干擾工序施工等關鍵施工環節，要加強計量監測，以防出現因突變而造成的塌方問題。另外，必須根據量測的實際情況來對二次襯砌施工前的變形總量進行控制，保證其與預留變形量相符。

5 結語

本文主要分析了隧道軟弱圍巖大變形的基本特征以及發生大變形的原因，在此基礎上分析了軟弱圍巖隧道大變形施工控制技術。通過本文的介紹能夠對軟弱圍巖隧道施工控制提供一定參考和幫助。

參考文獻

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