隧道軟弱圍巖變形機制及控制技術應用研究

閆立來

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

隨著我國經濟的快速發展，我國的基礎設施建設也有了巨大成就。而在我國大規模隧道建設中，由于軟弱圍巖的存在，使得在修建隧道時出現圍巖變形大、易發生坍塌的現象，大大減緩了施工的進度，嚴重制約著工程的工期，因此軟弱圍巖隧道的設計和施工一直成為隧道建設中的難題[1]?，F一工程實例：某隧道設計為雙線單洞隧道，隧道的開挖斷面為80 m2左右，隧道長2880 m；在地勢上隧道的進口較低，出口高，相對高差達160 m，隧道最小埋深處為7 m，地形起伏較大，地表上溝谷發育，下切較深，表1為圍巖土層物理參數表。在開挖時發現，隧道所處地層不遇水時較為密實，穩定性好，但是一旦遇到水就具有塑性流變狀態，軟化現象明顯，使得承載能力急劇降低，而且卵石土層填充差，沒有膠結，出露后極易引起滑塌，使得還沒來得及做好初期支護，圍巖已經發生溜塌。為了解決該工程中軟弱圍巖施工速度慢和易發生滑塌的問題，結合工程實例，本文擬采用相應控制技術進行超前處理，分別從軟弱圍巖變形機制、控制方案設計、施工工藝及控制效果分析等方面進行應用研究，以期為相關工程提供指導作用和借鑒意義。

1 軟弱圍巖變形機制

軟弱圍巖具有其自身的特點，如易風化、強度低、軟弱面多、膠結程度差等；從力學角度來講軟弱圍巖的單軸抗壓小于25 MPa，通常這類巖石包括千枚巖、泥巖等；從軟弱圍巖的組成上來講，松散軟弱巖層通常含有膨脹性黏土礦物、泥質等。要了解軟弱圍巖的變形機制[2]，需要先對軟弱圍巖的變形特征和強度特征進行研究。

1.1 變形特征

對軟弱圍巖隧道的變形特征的研究，可以有效針對變形的規律來進行技術控制，主要包括以下幾點：

a）塑性變形是隧道在開挖時極易產生的現象，尤其是在初期其變形量較大，而且變形速率也大。經實測數據表明，該隧道在開挖時軟弱圍巖洞壁位移可以達到數十厘米，而且在初期支護時會發生嚴重的破裂，位移值甚至會達到100 cm。

b）變形持續時間長。由于軟弱圍巖蠕變的結果，其在開挖后的很長一段時間內，支護或襯砌上的壓力一直在變化。例如頁巖和泥巖等變化非常明顯，通常沒有規律；相反如砂巖等堅硬的巖石，其達到變形穩定僅需要很短的時間，蠕變變形很小，圖1為軟弱圍巖和堅硬圍巖蠕變特征的區別。

圖1 軟弱圍巖和堅硬圍巖蠕變特征

c）隧道初期開挖時會產生塑性變形，如果采取錯誤的支護方式或者支護效果不佳時極易產生塑性區，隨著軟弱圍巖周邊應力的變化塑性區不斷發展，最終會使得圍巖在很短時間內與支護結構接觸產生巨大壓力，很有可能使得變形不斷發展致使支護發生破壞，造成嚴重后果。

1.2 強度特征

通常圍巖完整性越好，其強度越大，而軟弱圍巖通常較為松散或完整性差，故對軟弱圍巖強度特征的研究工作，對在今后工程中遇到的軟弱圍巖而采用的針對性控制方案能起著很好的指導作用。對于軟弱圍巖，其強度特征包含以下幾個方面。

a）在其他條件相同時，構成圍巖的巖石強度與圍巖強度有著線性關系，即巖石強度越大，則圍巖的強度越大。

b）地下水一直是軟弱圍巖強度影響較為嚴重的因素。由于軟弱巖石的特殊性，當其遇到地下水后，會對巖層的物理性質、力學性能等產生很大影響。在物理性質方面，當遇到地下水后，其含水量逐漸上升，泥化和軟化現象嚴重，巖層的狀態也從固態最終向塑態轉化；在力學性能方面，由于巖層狀態改變，大大降低了其黏聚力，增大了圍巖的變形，最終使得軟弱圍巖的強度降低。

c）當圍巖中存在斷層、擠壓破碎帶等控制性軟弱結構面時，結構面的產狀和強度會直接影響到隧道圍巖的強度。

1.3 變形機制及控制原則

圍巖的變形機制一般有多種情況和多個方面，這主要由巖石的復雜性決定的，多數情況下變形機制主要可以分為以下兩個方面。

a）材料變形機制。當圍巖變形時通常是經過彈性變形、塑性變形及黏性變形來實現材料變形的一系列過程，故材料變形主要包括這3種變形。

b）巖層結構變形。層狀圍巖的彎曲變形、軟弱夾層的擠出變形、塊狀圍巖的滾動變形以及土砂圍巖的擠密或者松弛變形及結構面的滑動變形均為巖層結構變形的形式。

在控制變形圍巖總變形的前提下，應該根據具體的原則來控制不同類型的圍巖變形，具體見表2。

表2 不同類型圍巖的變形控制原則

2 控制方案設計

為了解決該隧道軟弱圍巖即將造成的滑塌危害，并增加隧道施工的安全性，采用初期支護結合超前支護的方式對該隧道進行處理，開挖采用快挖快支的臺階法施工。

為更好控制超前變形量，超前支護采用水平旋噴樁進行超前支護，樁徑為60 cm，樁間距設置為40 cm，樁長為18 m；另外掌子面采用長18 m、孔間距1.5 m梅花型布置的玻纖錨桿旋噴樁。

初期支護采用Ⅰ25a工字鋼，設置的間距為50 cm；C30噴射混凝土厚33 cm，鋼筋網采用φ8鋼筋，網格的尺寸為20 cm×20 cm。要注意在每一臺階開挖后立即用噴射混凝土封閉掌子面，隨后及時施做初期支護。

必要時要打設超前小導管，布置位置按照隧道拱頂120°范圍內均布，環向間距為40 cm，型號采用φ42、δ=4 mm且長度為4 m的導管。

3 施工工藝

在軟弱圍巖施工時，結合該隧道實例施工情況，為了更好地在該隧道中采用臺階法[3]對軟弱圍巖進行施工，超前支護采用水平旋噴樁超前支護工藝，掌子面采用玻璃纖維錨桿加固樁工藝對隧道進行加固處理，同時結合鎖腳旋噴樁工藝減少沉降。圖2為常用超前支護方式的分類。

圖2 超前支護分類

3.1 水平旋噴樁超前支護工藝

由于水平旋噴超前支護可以采用專用的機械進行施工鉆孔，可以實現多面層及大斷面的開挖，減少施工時間并提高效率，同時對機械回轉鉆桿速度的設定可以有效增加開挖時的安全性，并實現高壓噴射水泥和切削圍巖的改良效果施工方法。同時為了保證初期支護[4]的穩定性，在鋼架拱腳地層專門設計了拱腳樁以控制沉降，再加上水平玻璃纖維旋噴注漿能夠形成連續的改良體，使其具有較好的加固效果。從水平旋噴注漿的機理分析，該注漿方式不僅可以增強樁體之間的咬合力，而且通過有效擋泥擋水的方式維護成樁，很好地改善了流沙掏空現象。

3.2 掌子面玻璃纖維錨桿加固樁工藝

掌子面是隧道開挖不斷向前推進的工作面，圖3為掌子面的推進和變形概念圖。掌子面玻璃纖維錨桿加固樁施工順序如下：放線定位→鉆孔→旋噴、下錨桿→漿液配制→噴漿。

圖3 掌子面的推進和變形概念圖

在成樁時要對以下幾個方面進行嚴格控制以保證質量：樁徑設計值、臨樁咬合情況、樁體是否侵線及樁體強度等，在具體施工時還要考慮不同旋噴壓力、后退速度、漿液配比、鉆桿轉速等因素，同時為了達到最佳的效果，需要根據實際的施工環境調整各種指標和參數。另外在施工時要考慮以下幾點施工技術[5]要點。

a）采用鉆機鉆孔到設計深度后，為了有利于錨桿錨固，需要進行旋噴加固，為有效控制旋噴壓力擴散區域，保證旋噴后不影響掌子面的穩定狀態，根據加固范圍選用的旋噴樁直徑為400 mm，加固的孔底為15 m，同時旋噴順序原則上采取由外到內約束-發散、集中性的方式。

b）為方便進一步的施工，在孔底旋噴段施做盡量采用φ400 mm加固體，為了保證加固效果，必須將玻璃纖維下至旋噴樁孔底，同時需要嚴格檢查其是否到底，若未到底應采用擴孔方式到底，為防止串漿和漏漿現象，應采取間隔跳孔施工。

3.3 鎖腳旋噴樁工藝

鎖腳旋噴樁的打設是為了保證開挖過程中拱架落腳處圍巖的穩定性，采用的鎖腳旋噴樁樁徑為60 cm，打設的方向范圍是隧道兩側下方32°～46°，同時打設的位置在中、下臺階拱腳處。為了使樁體的抗彎、抗折能力以及韌性得到增強，應該在旋噴后埋設用槽鋼焊接成整體的鋼管和拱架，從而使拱架在軟弱圍巖中找到著力點，并達到減小壓強和減緩沉降的目的。

3.4 降水工藝

由于軟弱圍巖的巖層中存在粉細砂層，該巖層的自穩性差，當其遇到水后會產生流沙現象，從而引起整體沉降和安全隱患，故在粉細砂層中降水措施是非常關鍵的部分，在無水情況下可以減弱流動性，自然塌落程度也會明顯減小。由于軟弱巖層中滲透系數小，為了達到在該巖層中良好的降水目的，采用輕型井點、超前真空孔及垂直深井3種降水方法處理，稱為三級降水法[6]。同時為保證后續施工的降水效果，需要輔助利用真空泵形成負壓以達到降水向外排泄的目的，從而保證整個降水系統處于密封的情況。

4 控制效果分析

a）從實際工程看，通過采用水平旋噴樁超前支護、掌子面玻璃纖維錨桿加固樁工藝，經現場檢測發現，在軟弱巖層中尤其是粉細砂層內成樁情況良好。在施工的旋噴壓力下僅有個別樁位呈橢圓形，并沒有斷樁的情況出現，表明施工效果基本符合設計要求，同時旋噴樁的咬合情況也良好。

b）結合該隧道施工后的監測數據，經過鎖腳旋噴樁工藝加固處的初期支護變形量均在允許范圍內，表明鎖腳旋噴樁工藝可以有效減小初期支護的變形量，同時保證開挖施工的安全性。

c）通過降水工藝，在實施過程中發現經過三級降水的相互結合以及真空泵輔助封閉作用，在實際施工開挖作業時均無水，表明抽壓密封性好，同時三級降水的效果明顯。

在整個隧道施工過程中，軟弱圍巖段并未出現因為變形破壞的現象，表明初期超前支護效果和變形控制效果良好。根據監控量測的變形資料顯示，取代表性測點測量其拱頂下沉位移變形，具體曲線圖見圖4。

圖4 隧道代表性測點拱頂下沉量監測曲線圖

從圖4可知，量測位移只有18 mm，表明采用的超前控制技術不僅控制了圍巖的變形，而且明顯減少了拱頂沉降量，同時縮短了施工時間，提高了效率。

5 結語

結合工程實例，為解決隧道中軟弱圍巖施工速度慢及易發生滑塌的問題，采用相應控制技術進行超前處理，分別從軟弱圍巖變形機制、控制方案設計、施工工藝及控制效果分析等方面進行應用研究。結果表明：超前控制技術不僅控制了圍巖的變形，而且明顯減少了拱頂沉降變形量，實現了軟弱圍巖中采用臺階法施工的可能，加快了施工速度，為相關工程提供了指導作用和借鑒意義。在針對不同工程采用該法時，要結合具體地質條件及其他條件要求具體分析，以便達到最佳效果。