軟巖大變形隧道施工技術

馮仲彬，羅德銀

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

1 軟巖大變形隧道施工發展歷程

早在九五計劃期間，我國就已經開始面臨軟巖大變形隧道的工程修建，且在建設能源基地期間也先后出現了軟巖大變形而影響工程建設的問題。軟巖大變形促使我國在道路修建方面遭遇困難，也影響國家能源基地建設工作，阻礙國家礦產事業發展。隨著經濟水平的不斷提升和科學技術的不斷進步，我國已經有了很多成功修建軟巖大變形工程的實踐案例，這些案例當中所采用的各種控制變形技術成功解決了軟巖變形的問題，為后續其他工程的開展提供了諸多經驗借鑒。從理論角度考慮，軟巖大變形的施工理論一直是世界建筑領域所討論的難點話題。而事實上，在淺埋軟弱圍巖隧道工程施工期間，很難避免出現大變形的問題，只有合理評估支護參數，并完成支護結構設計，才能夠改善軟巖變形的狀態，對軟巖大變形進行控制。

2 軟巖大變形隧道工程概況

某隧道項目位于貴州省內，是軟巖地質嚴重影響區域，在對該隧道進行施工期間遭遇嚴重的軟巖大變形問題。本次研究將就該工程項目進行數據觀測，最終選擇合適的軟巖變形控制技術。據悉，該工程項目所施工的隧道長度為14 528 m，最大埋深超過1 000 m，而隧道的進口階段是三層系統板巖的薄層板狀構造，每層厚度小于5 cm，層次之間的結合力比較差，巖層質地松軟，且地下水含量豐富，巖層的走向和隧道挖掘的方向基本持平。依據《工程巖體分級標準》，了解到該隧道工程洞身部位最大水平主應力為21.28 MPa，該數值和板巖單軸抗壓強度的30 MPa相比，處于較高的應力狀態。

本項目在隧道采用以弧形導坑預留核心土的方式進行開挖，為避免巖層坍塌情況，在工程開挖之前就做好支護鋼架的設計，以Ⅰ20b的鋼架進行支護。從支護結構完成以后的圍巖變化情況來看，此刻圍巖變形明顯，且變形的速度還在加快，拱頂位置已經出現沉降，沉降位移達到45 cm，而收斂最大值則達到了85 cm。此時的圍巖變形對初期支護工程產生影響，混凝土出現嚴重開裂及剝落問題，原本所支護的鋼拱架已經斷裂，隧道工程經受重大經濟損失，施工安全性也受到干擾。

3 隧道工程變形特點

本項目隧道工程中軟巖層發生變形的幅度很大且變形的速度也非常快，尤其是在隧道開發以后，巖石結構變化非常明顯。總結該隧道工程的變形情況，發現其具備下述變形特點：

首先，本項目隧道工程的變形速度比較快，尤其是在隧道開挖以后，巖石變形比較強烈，拱頂的沉降幅度比較大，水位移動變化效率也明顯增加，對隧道工程積壓非常明顯。

其次，隧道工程中巖石變形呈現出了不均勻的情況，變形不對稱且開挖部分的局部遭受侵染。依據工程檢測數據顯示，整個隧道都呈現出的左右側變形不均勻的情況。且在完成初期支護工作以后，對隧道的不同段落進行測量，發現巖石變形不對稱現象差異明顯。

最后，巖石變形持續的周期比較長且越是到后期，巖石變形的幅度就越大，對隧道工程施工的影響越大。根據工程監測中心所收集的數據顯示，隧道的拱頂位置沉降以及水平移動情況都處于長時間勻速增長的狀態。如果繼續進行隧道施工，那么在完成拱頂施工以后，也會因為拱頂沉降和變形問題而對拱頂施工質量產生影響，如果變形幅度過大，還有可能直接造成拱頂塌方。

4 隧道工程變形原因分析

4.1 地質因素

本項目隧道工程所在地點是貴州省，當地降雨量比較充沛且地下水位豐富，在巖石碰到水以后會出現膨脹情況，且產生比較大的膨脹力。而隧道所在區域安慰內的巖石主要以碳質板巖為主，該種巖石在遇到水以后會發生化學反應，進而快速崩解，一旦將該種巖石暴露到水中，其體積會不斷增大，且產生對應的膨脹力，這種壓力會作用到初期支護結構當中。不僅是水會對巖石產生影響，隧道所處的位置也會對巖石的產生其他不利產生影響。本項目隧道工程所處地點為高原地帶，其高地應力本身就比較明顯，且巖石質地松軟很容易出現變形，在發生吸水問題以后，繼續開挖隧道很容易產生松動圈。而設計的支護結構無法抵御巖石變形所造成的壓力和巖石吸水后所產生的膨脹力，如此支護工程也會隨之遭受破壞。除上述情況以外，圍巖的性質也會受到時空效應的影響，原本施工期間巖石就會受到開挖行為的影響出現蠕變位移的情況，且該種變化會隨著時間的變化而逐漸增加，在力學性質作用下，巖石的強度會在時間的流逝中逐漸降低，而隧道工程中的支護體系除了要支護巖石的自重，還需要承受時間變化而產生的變形壓力。

4.2 設計因素

隧道工程的周邊巖石都屬于軟巖地質，其是受到自然環境影響所形成的天然地質環境。在開展隧道工程的情況下，很容易因為工程施工行為對巖石產生塑性變形影響，有些工程行為對巖石所產生的影響甚至是超過了設計預期的影響。在該種情況下初期支護體系自然無法承擔巖石變形的壓力，而巖石變形的速度也會因此而無法控制。為此，只有注重控制工程施工行為對巖石產生的影響，并且調整支護體系的剛性，才能夠有效控制軟巖變形。

4.3 施工因素

施工期間如果支護體系本身封閉不夠及時或者是對巖石外露封閉不夠及時都會對巖石的特性產生影響。首先，在開挖隧道期間會不可避免的促使巖石被暴露出來，而該地區地下水位非常高，一旦巖石和水進行接觸，很有可能會出現膨脹變形的情況。且開挖隧道后巖面不及時封閉，巖面會出現風化或者是崩解的情況，從而造成超挖的問題，促使松動圈的范圍不斷擴大。此時的巖石在強度上無法滿足隧道工程施工要求，且支護體系也難以支撐巖石變形所產生的壓力。

5 隧道工程變形控制技術

針對上述原因，對本項目道工程進行反復勘測，了解施工現場的實際情況，依據隧道周邊巖石結構情況，選擇采取下述施工技術來控制軟巖變形問題。經過多方控制與調整，最終隧道工程得以順利進行，原本比較困難的作業在時間上有所縮短，巖石變形的幅度也逐漸減小，支護變形的問題得以解決。

5.1 控制施工損毀情況

本次施工需要秉承著不破壞圍巖的施工理念，施工期間盡量減少對周邊巖石的破壞，避免對巖石變形產生不利干擾，控制巖石變形程度。首先，通過輔助施工的方法在開挖隧道之前就做好超前支護，針對軟弱巖石進行加固處理。其次，在巖石爆破環節控制好爆破力度，減少對周邊巖石的擾動。最后，針對破碎狀態的巖石盡量利用鐵锨進行挖掘，不要促使其受到爆破的影響。

5.2 管理開挖行為

在開挖環節需要注重對短進尺的管理，確保初步支護能夠形成閉環，減少單循環開挖的長度，避免因為單循環開發過程而對拱架承受壓力產生影響。開挖行為的管理還要注重對單循環作業時間的控制，減少軟巖變形的時間，在快速形成巖面閉環時，每當出現巖石碎渣，就立即通過噴射混凝土進行封閉，減少巖石在空氣當中暴露的時間，避免巖石出現崩解的情況。在了解到軟巖變形因素的情況下，需要在每個臺階挖掘完成以后都通過臨時支護的方式來加強支護力量，形成完善的支護體系。

5.3 注重臨時支護

在臨時支護施工期間需要考慮到支護的注漿情況，采取徑向注漿的方式，不斷對松動圈進行加固。在每個支護循環完成以后，立刻向拱頂的位置進行注漿，設置好注漿參數，確定好注漿支護的間距，避免因為承載力不足而無法呈現出注漿支護的作用。

6 結束語

本次探究軟巖大變形隧道工程，結合工程實際情況，從辯證的角度看待軟巖大變形問題，了解到在修建該類別工程項目時需要結合工程所在地的地方經濟情況、政府政策情況、自然環境情況、地理地質情況以及施工技術水平等多種因素，制定完善的施工方案。在了解軟巖隧道工程變形的特點及變形原因情況下，選擇合適的變形控制技術，能夠有效改善軟巖隧道變形對隧道工程所造成的破壞力，進而追趕中國高鐵的發展角度，成為高鐵發展的有力基礎支撐。