軟巖大變形隧道施工技術探討

田伏龍

（蘭州交大工程咨詢有限責任公司，甘肅 蘭州 730070）

在實際進行隧道修建的時候，首先需要對水文地質以及工程地質的實際情況做到充分了解和掌握。一般來講，所建設隧道的質量以及進度情況都和工作人員對地質狀況的掌握程度有關系。如果施工現場地質情況較好，就能夠保質、按時完工。如果地質狀況相對較差，例如，假如遇到了軟弱破碎或者是斷裂帶等地質，就可能會對其建設質量和工程造價造成一定的影響，甚至延長工期，嚴重者還會導致一系列的安全事故，對施工設備造成一定的損壞，影響人們的生命安全。如果在進行隧道修建的時候遇到了大面積的軟巖大變形的情況，很可能就是由于相關人員在進行勘察的時候沒有對水文地質以及工程地質情況做到全面掌握，在設計和施工期間對于開挖和支護方案的選取不夠合理。所以，超前地質預報技術、開挖和支護方法的合理選擇等對隧道建設的工期長短、質量以及安全等方面有著一定的影響。文章先就現階段軟巖隧道施工技術研究現狀進行了分析和介紹，接著結合工程實際情況對相關施工技術進行了詳細分析和探討，希望能夠給相關人士提供借鑒和參考。

1 軟巖隧道施工技術研究現狀

之前在進行軟巖隧道支護的過程中，通常都是以單一的支護為主，最終效果不佳。近些年來，眾多教授和學者紛紛加大了對隧道支護的研究力度，逐漸開始將超前支護、錨噴支護、注漿加固以及錨網噴支護等單一的支護方法相結合，從而形成了聯合支護以及多次支護的形式，其效果十分理想。現階段，在軟巖隧道支護工程中錨索技術也逐漸成為最為主要的技術之一，它能夠充分調動隧道深部的圍巖強度，有效確保軟巖隧道的穩定性，這也是當下我國軟弱圍巖隧道支護發展的趨勢之一。通過多年工程實踐，總結出了兩種對軟巖隧道變形進行控制的理念，分別為剛性支護控制理念和柔性支護控制理念。前者主要是通過提升襯砌以及支護的剛度來提升圍巖的自承能力，進而對軟巖隧道的變形情況進行控制，該理念在一些地層松軟、圍巖壓力小的隧道淺埋地段或者是洞口段，對地表沉降以及隧道變形情況要求較高的地方更為適用。而后者，則允許隧道有一定的變形情況出現和釋放地應力，將初支上的壓力降低，采用可縮式支護以及多重支護等柔性支護方案，對圍巖過度變形和過度松弛的情況進行抑制，進而從根本上保證隧道的穩定性。

2 軟巖大變形隧道病害

2.1 工程概況

蘭渝鐵路兩水隧道（DK357+070～DK362+095）位于甘肅省武都區白龍江左岸中山區，隧道全長4945.35m，按雙線設計，其中3761.35m設計為V級軟巖，1184m為Ⅳ級圍巖。在隧道洞身中主要的地層為灰巖以及千枚巖，其中最為主要的地層就是千枚巖，顏色主要以灰黑和深灰為主，主要呈片狀，含有炭質鱗片交晶結構，整體穩定性相對較差。

2.2 變形特征和機理

（1）變形特征。①具有變形速率高和變形量大的特點。該工程段中的地質情況主要以長石石英粉砂巖和炭質絹云千枚巖為主，該圍巖變形時間相對較長，遇到水容易出現軟化和膨脹的現象，一旦產生變形，控制起來十分困難，其最大變形量會達到420mm，變形速率將達到7～13mm/d，和《鐵路隧道監控量測技術規程》（TB 10121-2007）中的標準相比要高出很多。②變形情況會持續很長的時間。對其進行持續性的監測，能夠發現即便是在開挖之后圍巖也不會隨著時間而有所收斂，具有“前期收斂，后期發散”的特點，變形時間可以長達數月之久，有的甚至一直持續到完成二次襯砌。③呈不均勻分布的狀態。在完成了初期支護之后，隧道各個部位之間的變形值會出現較大的差異，和本隧道內圍巖破碎以及偏壓等特性相比，隧道斷面的量測數據會產生右側線路偏大的現象。④無法預測變形量。因為監控量測的分析數據和掌子面開挖要稍微滯后一些，所以很難預測軟巖大變形段的變形量，對于初期支護斷面的尺寸也很難有一個精準的確定。

（2）大變形機理分析。①炭質絹云千枚巖夾變長石石英粉砂巖單軸飽和抗壓強度為5MPa，基本承載力為300kPa，屬于軟巖。在進行開挖之后由于圍巖本身的流變性、較差的承載能力、來壓快以及較短的自穩時間等特點，在隧道開挖之后圍巖變形情況也會持續；并且由于千枚巖本身具有遇水容易出現軟化現象、層間結合性相對較差以及完整性較低等特點，以至于在施工過程中容易產生變形的情況。②應力作用。由于集中應力、隧道埋深以及構造應力等方面的原因，隧道具有較高的圍巖應力，巖體內部具有較大的殘余應力，以至于對隧道四面造成壓力，除了具有側壓以及頂壓以外，還具有低壓，出現底鼓變形情況的概率相對較高。③地下水的原因。相關試驗結果顯示，千枚巖在遇到地下水的時候容易出現軟化的情況。在實際施工過程中，因為形成了新泄水通道，以至于山體內部以及表面的地下水都聚集在隧道的周圍，所以滲透壓力相對較大，使千枚巖遇水泥化、軟化等現象更為明顯，在一定程度上降低了巖體的物力力學特性，圍巖破壞和變形情況進一步加劇。在隧道進口區因為反坡施工排水情況不佳，所以在隧道中出現了底板積水和裂縫滲水的情況，可能會出現速調受力不均的情況，以至于產生隧道變形的情況。④偏壓作用。因為線路走向的原因，以至于隧道大多位于順層偏壓位置；在分析和總結了現場以及監控量測數據后可以發現，線路左右側的變形數據差異較大，但是左側要小于右側。⑤施工方法的原因。隧道為單線，在對其進行開挖的過程中主要以正臺階法為主，但是由于內部空間相對較小，所以如果采用大型機械來進行施工，困難很大。另外，該隧道施工段的工期較短，承建單位在軟弱圍巖方面的施工經驗不足，可供參考的成功案例不足，再加上整個開挖支護工作所需時間相對較長，鋼拱架單元連接和落底環節施工質量不高，后續仰拱、二次襯砌施工距離掌子面較大（即仰拱施工距離掌子面最大為50m，二次襯砌施工距離掌子面最大為110m）等導致了千枚巖圍巖出現了變形的情況，甚至還會對隧道施工的安全性和整體穩定性造成了一定的影響。

3 施工技術

3.1 機械開挖

開挖軟巖隧道時候一般都是采用機械。首先，炭質千枚巖以及板巖等圍巖強度不高，機械設備剛度較硬可以將其破碎或者是鑿除；其次，和爆破開挖相比，采用機械開挖震動相對較小，能夠減少對圍巖所造成的干擾，避免出現突變或者是大的變形情況。在實際施工過程中主要以銑挖機、挖掘機以及破碎錘等為主。因為所要開挖的斷面空間相對較小，破碎錘以及挖掘機會受到大臂伸展以及轉彎半徑等方面的影響，難以觸及輪廊線的外側和拱腳處，通常會導致欠挖或者是超挖的情況，對變形控制和拱架安裝等工作十分不利。但是由于銑挖機前端的多齒合金鉆頭可以360°進行轉動，可以更加便于對圍巖界面進行鑿除，同時還為出渣工作提供了一定的便利，工作效率也有了一定的提升；并且銑挖機在剝落渣體的時候一般所采用的都是鉆頭，和破碎錘和挖掘機不一樣，所以對圍巖所造成的影響較小，變形控制也要更為容易一些。所以說，在工作效率提升以及變形控制方便，銑挖機具有一定的優勢，在對軟巖隧道進行開挖的過程中可以優先采用。

3.2 縱向連接

在軟巖大變形隧道施工過程中，其整體變形情況相對較為嚴重而且也要更為復雜一些，例如拱頂下沉，主要是向下變形，凈空收斂的話主要是以輪廓線內側變形為主，而縱向位移的話主要是以向掌子面臨空方向變形等。因為上述這些變形情況相對較為復雜，所以為了從根本上確保受力結構的整體性，必須將拱架連接在一起，否則在拱架連接的薄弱環節出現破壞的概率就相對較高。而在用藥了H型鋼之后，雖然在前期的時候拱架沒有出現扭曲變形的情況，但依然產生了拱架間砼開裂掉塊以及拱架前后傾覆等情況。通過研究發現主要是由于拱架的縱向連接缺乏受力，拱架整體性能相對較差而導致的，所以可以采用雙根鋼筋來代替之前單根的連接方式，同時在縱向連接鋼架時，為了有效提升其受力情況，可以采用強度更高的I16型鋼來進行。大量實踐經驗指出，該做法能夠有效提升其抵御變形的能力，而且分析量測數據能夠發現，如果累計變形達到20cm或者是更高的情況下，在縱向連接時利用型鋼的話，初支體系的整體性能會有所提升。

3.3 拱腳支墊及螺栓連接

在具體進行施工的過程中，一般情況下會因為收斂變形或者是拱腳下沉而造成不能夠順接中（下）臺階拱架，所以，在具體工作中除了要將鎖腳工作做好以外，還要從根本上確保拱架底部的平整以及足夠的密實性。再者，因為軟巖本身的破碎強度低，所以為了有效確保拱腳能夠均勻受力，在對拱架進行支架操作的時候必須采用專用的預制塊，進而避免有拱架懸空的現象發生。一般來說，墊板的連接部位的水平收斂應力相對較為集中，在此處的時候拱架所收到的剪切力相對較大，所以在連接時需要采用螺栓。在此過程中尤其需要注意的就是必須根據鋼架的型號來選擇適合的螺栓。

3.4 對鋼筋進行二襯

根據新奧法施工標準，二襯隧道的主要作用就是用來修飾外觀和儲備應力，普通Ⅴ級圍巖二襯雖被作為承載結構承受一定的（50%～70%）圍巖松散荷載，但是依然不能夠將其作為全部的承載結構，只可將其作為安全儲備。在軟巖大變形的作用下，因為受軟巖變形的持續性影響，初支柔性結構和承載標準不符，二襯結構承載了大部分的松動圈圍巖的壓力，所以為了有效確保最終的施工效果，必須將二襯結構的承載水平提升上來，一定要確保二襯鋼筋的強度，在施工操作中，可以將原來20cm的間距調整為12.5cm。大量實踐表明，該做法效果良好。

4 結束語

總而言之，現階段我國在鐵路建設方面已經取得了很大的進展，已經能夠有效解決軟巖大變形的情況。具體而言，在施工過程中應根據實際情況選擇適合的支護參數和施工方法，進而對圍巖變形情況進行有效控制，從根本上確保隧道施工的質量和安全。