深埋長大隧道圍巖破壞原理、特征及支護措施研究

黃 秦

（中鐵二十一局集團第六工程有限公司，北京 100176）

0 引言

當前隧道施工的不確定因素較多，且受自身工程特點限制，安全風險極大，因此是工程領域的重難點。在隧道施工時，存在原巖體內應力平衡狀態的破壞現象，在巖體二次找穩過程中，會因巖體的穩定性以及強度不足而出現掉塊、變形乃至坍塌破壞等問題。而圍巖是否會發生破壞，除考慮巖石自身巖性外，還要考慮巖石內的初始應力、地形、洞室的形狀、大小、支護時間及剛度、洞室埋深、長度、地形和施工方法等因素。因此在深埋長大隧道施工中，需深入調查研究制定方案，慎重選擇開挖工藝和對應的支護措施，以減少對周邊巖體的擾動破壞，在確保結構質量和作業人員安全的前提下快速、經濟地推進工作。

1 工程概況

（1）地質。吳家隧道地處在湖南省桃源縣的中低山區，是新建黔江至張家界至常德鐵路的重點性工程，隧道的進口位于牛車河鄉，出口在彭家寨遼葉溪的右岸，山體起伏且山勢陡峭，地表植被樹木茂盛。該隧道判定為Ⅱ級風險隧道，隧道通過地層分布有剪家界斷層F8 及田家界背斜，不良地質主要有滑坡、巖溶、基層順層。由于受構造、節理、裂隙及地下水和埋深影響，巖體較破碎，隧道圍巖級別以Ⅳ級、Ⅲ級為主，部分為Ⅴ級，隧道工程地質條件較為復雜。隧道通過巖性接觸帶、物探低阻節理密集帶、斷層破碎帶及背斜軸部、淺埋地段，很可能出現圍巖失穩、坍塌，并可能引發突然突水、涌水、突泥等地質災害。

（2）設計。該線為國家Ⅰ級鐵路，設計時速200 km/h的客貨共線。吳家隧道總長為5968.4 m ，最大/最小埋深分別為309 m/40 m，受地形交通等條件限制，施工難度非常大。

2 隧道圍巖破壞原理及特征

現階段不同類型的地下工程種類以及數量增多，因地質情況和施工方法不同，發生圍巖的破壞情況也不盡相同。施工前巖體在一定的地應力場中處于三軸壓力平衡狀態，因開挖平衡狀態遭到破壞，圍巖應力就會重新調整，自空腔向外依次形成塑性流動區、塑性軟化區、塑性硬化區、彈性區。該4 個區域的力學行為與巖石的全應力-應變曲線是對應的，因巖體細部個體差異，區域的劃分是相對的。開挖后隧壁徑向應力逐漸增大，切向應力逐漸減小，當周圍巖體徑向應力超過巖體的抗壓強度時，巖體發生破壞?；谛聤W法理論，塑性硬化區是圍巖成拱承載的主體，初始允許圍巖有一定的變形，但要在恰當的時間通過支護約束變形幅度，重新達到穩定的狀態。相對于硬巖和軟巖地質，圍巖破壞分為延性以及脆性。通過分析圍巖的破壞原理，掌握應力與支護的相關聯系，從而運用跟蹤調查的方式，明確圍巖的破壞情況。

2.1 重力坍塌（一般性）

在隧道施工中坍塌多發生在圍巖面，其表現主要在于洞段開挖完畢后，開挖面的巖體存在不穩定的現象，使其在自重應力下出現脫落現象，也就是重力塌落。此種問題一旦出現，一般會以邊拱或拱頂情況出現。如吳家隧道穿越剪家界斷層F8（洪巖障斷層）為逆斷層，產狀N740E/700S，與線路相交于DK264+185 處。該斷層發育于遠古街上板溪群，經剪家界、楊家溪一帶，斷層破碎帶寬約70 m，延伸約12 000 m，斷層帶主要物質為壓碎砂巖。施工時，由于圍巖節理裂隙發育，開挖工藝參數與支護時間、措施控制不力，巖石面不時發生掉塊、側圍突出滑塌，甚至引起坍塌，嚴重影響了隧道施工安全質量。

此類圍巖破壞的原理主要是開挖后臨空面上巖體失去原有平衡，應力重新分布，塑性流動區、軟化區域內的巖塊在張力和振動力作用下松動脫落，產生拱頂崩落或邊墻片幫。若巖塊本身破碎或有結構面夾泥時，支護不及時會產生較大塌方，甚至冒頂。

2.2 構造應力型坍塌

因地質運動巖層形成斷層、褶皺、背斜等構造，往往原結構失去支撐，在重力作用下發生塌滑、塌陷、錯動等形成新的構造，達到新的平衡，同時也積聚了巨大能量?，F因工程活動造成能量釋放，圍巖出現屈服破壞而造成應力型坍塌。坍塌問題的出現原因在于高應力區中的結構面的剪切破壞，一旦產生構造應力破壞，則會出現應力增大的問題，難以抑制能量的釋放狀態，使圍巖的破壞力增大，從而引發構造應力型破壞問題。同時構造應力型破壞存在斷裂問題，其規模不會過大，常見的斷裂問題為多條節理、單條剪性以及其他組合型斷裂。

吳家隧道所經區域在構造運動作用力的影響下地質構造較復雜，大地構造單元隸屬于揚子地臺，二級構造單元武陵山東端常德地區屬江南臺背斜，西部則為鄂黔臺褶帶。武陵山為一級次隆起帶。在隧道進口段山體自然坡度較陡，巖性為震旦系上統白云巖夾頁巖，巖層產狀N500E/270N，傾向小里程側，存在順層問題。在作業時，巖體初始應力狀態破壞，巨大儲存能量被釋放，巖體在構造應力作用下發生斷裂，引起巖體失穩破壞現象。

2.3 應力型巖爆

在隧道施工中應力型巖爆問題作為工程區域內破壞性較大的一種情況，其多數會發生于深埋、長大隧道中，且發生在巖塊相對完整、中厚層、層面暴露少或是結構面良好的區域。此種破壞的變形時間較短，是通過彈性能進行釋放的，在發生時會出現一定的響聲，并伴隨著剝離、松脫以及彈射等問題的出現。巖爆現象出現時，既有即時發生的，也有滯后幾天甚至幾個月再次發生的情況，隨機性大，嚴重影響施工安全和結構質量。

吳家隧道長5968.4 m，最大埋深為309 m。在隧道中部山峰區段多次發生巖爆現象，或發生在掌子面裸巖，或發生在已支護地段，導致個別人員受到不同程度的傷害。經分析認為，此段巖體中存在較大的應力，由于工程活動導致其原平衡狀態遭到破壞，巖體中聚集的能量被釋放引起巖石破壞，輕者脫落，重者彈射傷人，甚至引起結構破壞或巖體坍塌。

3 深埋長大隧道工程的支護措施及建議

3.1 應力型非巖爆破壞段

在應力型破壞段以及非巖爆破壞區域的隧道支護工程中，施工人員應嚴格遵循設計方案，根據設計人員制定的圍巖具體承載設計思路，明確后續隧洞注漿加固的方式（圖1），了解圍巖的實際承載力。

圖1 隧洞（溶洞）注漿加固

（1）運用錨桿支護、混凝土噴層以及高壓固結（包括二次灌漿加固），控制圍巖的破壞情況，實現噴錨支護與承載結構的有效結合。同時，由于圍巖變形以及破壞問題的產生與巖體內的初始應力存在一定的關聯，操作人員在處理非巖爆破壞段時，可根據圍巖的實際分布情況，了解巖體結構是否均勻地分布，使大范圍圍巖能夠維持穩定狀態，從而監測出圍巖中最為薄弱的部位，將其進行加固并避免其受到二次破壞。在本工程實施過程中運用圍巖的高壓固結灌漿及噴錨支護的手段，保持圍巖的狀態，控制該區域內的外水壓力及地應力。同時可利用圍巖加固的方式，增加承載圈的能力，減少圍巖破壞的風險[1]。

（2）施工中要做到減少施工風險，把控施工安全并加強施工預警，簡而言之，開挖前既要做好超前地質預報、超前注漿加固、超前管棚，又需要合理執行小導管支護方案。施工過程中做到工法到位、支護措施到位、快速封閉到位、襯砌跟進到位；全過程強化量測監控及時預警并指導施工。針對不同地質圍巖和設計斷面尺寸，地應力及施工經驗選擇臺階法、中隔壁法、交叉中隔壁法、雙側壁導坑法等開挖方法，每步開挖的空間參數需要進行計算和現場試驗驗證并及時調整；還要做到“巖變我變”，及時動態調整施工參數，為先柔后剛、抗放結合。施工中支護措施是以快速支護限制變形，盡量做到快速封閉成環、整體受力[2]。

3.2 應力型巖爆破壞段

根據工程施工特點，分析巖爆的應力型破壞區域是否存在以下兩個方面因素影響：①在隧道開挖期間擾動圍巖；②在隧道開挖過程中輪廓線周圍的應力量級分布以及地應力分布方面的差異性。所以，在上述兩種類型的圍巖破壞過程中，需加強對圍巖應力方面的重視，減少隧道開挖過程中產生的擾動問題，運用相對完善的施工方式，則可以改善當前圍巖應力條件[3]。

3.2.1 注重施工材料，執行特殊處理方案

圍巖的常見支護方法包括格柵鋼架、錨噴等，即使不同的操作都會用到噴錨支護，而由于圍巖破壞段的問題差異，有時會運用高強度的納米纖維混凝土進行操作。

（1）可通過增加混凝土噴層厚度的方式，正確選擇錨桿，適當地增加錨桿的長度，拓展其應用區間，定向安裝脹殼式錨桿、預應力錨桿以及水脹式錨桿，完成對特殊施工材料的運用[4]。

（2）在相鄰隧道中可根據圍巖的規模以及形式，選取圍巖相似區域，在短時間內安裝拱架或型鋼，在拱架之間增設鋼絲網，進行柔性支護操作，在確保強支護工作實施完畢后，則可緩解其中存在的釋放圍巖應力。運用加強基底處理的方式，檢測隧道底部的狀態，例如，本工程中隧道底部多數為軟塑狀或是松散的砂黏土、黏土沉積物。所以，在支護工作實施過程中操作人員可根據結構中出現的固結沉降問題，要對基底進行處理，采用換填、樁基以及加固的方式，實現基底換填，以提升圍巖的穩定性[5]。

（3）采用因地制宜的操作方式，在完成特殊處理后結合當地的水文地質以及工程地質狀況，執行綜合治理操作。例如，若隧道中出現水被封堵的問題，則可在完成隧道開挖工作后，監測隧道中的局部滲水狀況，運用封堵截排的方式限量排放，采用噴錨支護、超前管棚以及徑向注漿等輔助方式，確保隧道頂端的圍巖可以被加固。因此，可運用鉆孔樁、換填、注漿、樹根樁以及粉噴樁等操作方式，保證隧道底部的地層可以順利完成加固操作，從而增強隧道底端的強度，解決基底沉降問題。

3.2.2 加固工作面，處理應力型坍塌

根據巖爆區域的工作面狀態，運用膨脹錨桿實現對工作面應力型以及巖爆坍塌問題的控制。具體操作如下：確認工作面存在被破壞的問題，向掘進的方向提前打錨桿，加固工作面并控制好錨桿的長度（常規情況錨桿長度是爆破進尺深度的2 倍）。由此方式，在爆破操作執行完畢后，則可讓部分錨桿進入圍巖內，實現對工作面的加固，加強支護改變應力變化程度和方向。通過采用巖體表面噴射混凝土、打設系統錨桿、噴錨聯合支護、鋼拱架網噴聯合支護、緊跟襯砌混凝土等工序，抵抗巖體應力變化。

3.2.3 控制圍巖應力，減少應力破壞問題

處理巖爆問題應按“以防為主，防治結合”原則，做好超前地質預報。在開挖前，提前分散釋放應力，降低應力集中釋放概率。微巖爆區段采用掌子面灑水降溫、軟化巖層表層促使應力釋放；中等巖爆區段采用開挖輪廓線外加打注水孔、注高壓水降低圍巖溫度，加速圍巖應力釋放；高巖爆區段可采用分部開挖，先做小導洞分部位釋放應力并結合注水，灑水加速釋放應力。

在操作過程中鉆孔深度不可超過水壓和上覆土壓之和。在完成上述施工后，則可進行地面注漿，合理規劃出漿液擴散區間并嚴格把控注漿壓力，避免對周邊的建筑物造成破壞。而在操作期間應注意采用短進尺的掘進方式，降低爆破頻率并適當地減少藥量，使光爆效果可以被控制。這樣一來，則可避免圍巖表面不會出現注漿集中的現象，讓其能夠一次成形，從而讓圍巖應力能夠得以平衡。

在施工后期，可根據圍巖的暴露情況以及工作面的狀態，執行高壓噴水操作，使工作人員可以運用錨桿以及炮眼向圍巖的深部進行注水操作，控制好圍巖的強度，確保其可以進行塑性，降低圍巖的脆性，減少應力型、巖爆等破壞帶來的影響。

4 結語

在深埋隧道工程內圍巖支護的難點在于圍巖的破壞模式是不確定的，一旦在施工過程中出現支護強度不夠或是支護不及時的問題，則會導致圍巖破壞問題出現。因此，在隧道工程中可根據洞設計規范要求，運用正確的支護方式，采取行之有效的操作手段，降低圍巖的大規模破壞，從而利用數理統計以及圍巖分析等手段，檢測出施工區域內存在的動態破壞問題，通過現有的支護措施，將圍巖帶來的影響降到最低，以保證安全施工。