軟巖隧道工程存在的問(wèn)題及展望

任 海 勇

(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048204)

軟巖隧道工程存在的問(wèn)題及展望

任 海 勇

(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048204)

介紹了軟巖隧道工程的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)目前軟巖隧道施工過(guò)程中面臨的主要問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)分析，指出了問(wèn)題存在的原因，并對(duì)今后軟巖隧道的研究方向進(jìn)行了展望，以提高軟巖隧道工程的施工技術(shù)水平。

隧道，軟巖，變形，圍巖支護(hù)

1 概述

隨著交通事業(yè)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的隧道工程將會(huì)在地形、地貌及地質(zhì)背景復(fù)雜的西部山區(qū)修建。隧道在施工過(guò)程中不可避免的會(huì)遇到軟弱圍巖、高地應(yīng)力圍巖、斷層破碎帶等復(fù)雜的地質(zhì)狀況。通常意義上，穿越這些地區(qū)的隧道統(tǒng)稱(chēng)為軟巖隧道[1]。

軟巖隧道開(kāi)挖易造成圍巖大變形，控制圍巖變形也是軟巖隧道開(kāi)挖所要解決的主要問(wèn)題之一。尤其是對(duì)于穿越軟弱地層的大跨度隧道而言，如果支護(hù)不強(qiáng)或支護(hù)不及時(shí)，將會(huì)發(fā)生塌方冒頂或二次襯砌嚴(yán)重開(kāi)裂現(xiàn)象，將會(huì)給工程安全性造成嚴(yán)重的威脅。

通常來(lái)說(shuō)，隧道圍巖大變形指在高地應(yīng)力軟弱圍巖條件下，圍巖發(fā)生沉降破壞并最終導(dǎo)致隧道圍巖失穩(wěn)的現(xiàn)象[1]。其實(shí)質(zhì)是圍巖產(chǎn)生剪應(yīng)力使得巖體彼此錯(cuò)動(dòng)、斷裂破壞，也就是說(shuō)使圍巖的自穩(wěn)能力喪失，產(chǎn)生塑性變形，進(jìn)而迫使圍巖向開(kāi)挖洞室方向擠壓，產(chǎn)生大變形的現(xiàn)象。對(duì)于大變形的界定[2]，鐵二院考慮了預(yù)留變形量的影響，認(rèn)為單線隧道適當(dāng)?shù)念A(yù)留變形量一般不大于150 mm，雙線隧道一般則不大于 300 mm，正常的變形量上限取上述值的0.8倍，在支護(hù)位移上，若單線隧道大于130 mm，雙線隧道大于250 mm，就認(rèn)定為發(fā)生了大變形。

近年來(lái)，隨著深埋特長(zhǎng)隧道建設(shè)的日益增多，國(guó)內(nèi)外對(duì)軟弱圍巖隧道大變形的變形機(jī)理[3]、變形特征[4]、控制措施[5]、施工工法[6，7]及支護(hù)時(shí)機(jī)[8]等等方面做了大量的研究，并取得了一定的成果。

2 大跨軟巖隧道存在的問(wèn)題

由于地層地質(zhì)的復(fù)雜性，大跨軟巖隧道工程仍然面臨著以下幾個(gè)急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題：

1)對(duì)圍巖變形的判斷與控制。對(duì)于軟巖隧道圍巖變形的研究主要集中在三個(gè)方面：a.從理論方面對(duì)變形機(jī)理進(jìn)行研究;b.選擇合理的施工工法對(duì)圍巖變形進(jìn)行控制;c.運(yùn)用有限元或其他數(shù)值模擬的手段對(duì)圍巖的變形量和變形趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

從眾多的學(xué)術(shù)論文和科研成果中不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)于圍巖變形的機(jī)理多是采用連續(xù)性介質(zhì)理論進(jìn)行分析，而實(shí)際工程中的圍巖是非連續(xù)的，它是巖塊和結(jié)構(gòu)面在三維空間的一種非定向關(guān)系。尤其是對(duì)于地質(zhì)狀況比較復(fù)雜的軟弱圍巖，都是由多種物理成分組成的，且各物理成分的大小、多少及分布具有很大的隨機(jī)性。但是，在實(shí)際的研究和應(yīng)用中，例如采用數(shù)值模擬的方法對(duì)軟巖隧道圍巖變形進(jìn)行分析時(shí)，又必須運(yùn)用巖體的本構(gòu)關(guān)系，這本身就是存在問(wèn)題的，更不要說(shuō)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性了。

不論是理論分析還是數(shù)值模擬都沒(méi)有辦法對(duì)圍巖的變形量進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。這將引起另外一個(gè)問(wèn)題，就是在采取控制變形措施時(shí)，通常采用的是依據(jù)相似工程經(jīng)驗(yàn)制定施工方案，并沒(méi)有針對(duì)不同的變形量采取相應(yīng)的控制措施，因此變形控制措施也具有一定的盲目性。

另外，隧道施工中變形可以達(dá)到1.0 m甚至更大，軟弱圍巖變形本質(zhì)上屬于大變形問(wèn)題，然而巖體力學(xué)中使用的彈塑性變形理論[9]雖然對(duì)材料的非線性進(jìn)行了考慮，但是嚴(yán)格意義上仍屬小變形理論。

2)對(duì)合理支護(hù)時(shí)機(jī)的探討。隧道二次襯砌施作時(shí)機(jī)始終是隧道界討論的熱點(diǎn)問(wèn)題，二次襯砌的支護(hù)時(shí)機(jī)是保證二次襯砌長(zhǎng)期穩(wěn)定的關(guān)鍵。特別是對(duì)于軟巖大變形隧道，如果二次襯砌施作過(guò)晚，則可能造成初期支護(hù)變形過(guò)大而無(wú)法控制，以致隧道失穩(wěn)；但如果施作過(guò)早，則不利于地應(yīng)力的釋放和充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力，從而使二襯受力過(guò)大而導(dǎo)致開(kāi)裂，降低了隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。因此，合理確定二次襯砌施作時(shí)機(jī)是保證隧道施工階段和長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)階段安全性的關(guān)鍵。

但是現(xiàn)階段，對(duì)于隧道二次襯砌支護(hù)時(shí)機(jī)的研究仍然沒(méi)有形成系統(tǒng)的體系。研究者多根據(jù)具體的工程背景選擇不同的巖石彈塑性模型，采用的確定合理支護(hù)時(shí)機(jī)的判定方法也各有不同。對(duì)于二襯支護(hù)時(shí)機(jī)的影響因素的分析也多是針對(duì)單一影響因素，并沒(méi)有綜合考慮。

3 軟巖隧道的發(fā)展與展望

為了滿足交通建設(shè)的需要，將不可避免的遇到更多的軟巖隧道工程。圍巖大變形的控制問(wèn)題仍然是未來(lái)軟巖隧道工程需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。從根本上講要更深入的研究圍巖的變形機(jī)理，找出適用于實(shí)際工程地質(zhì)狀況的圍巖的本構(gòu)關(guān)系。在施工的過(guò)程中，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)要貫穿整個(gè)隧道的開(kāi)挖過(guò)程，監(jiān)控測(cè)量要及時(shí)跟進(jìn)。對(duì)于具有代表性的工程要完善施工工法，以便以后類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)借鑒。

隧道是地層圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)共同組成的復(fù)雜受力體。支護(hù)是一個(gè)過(guò)程，一個(gè)好的支護(hù)方案要讓這一過(guò)程與圍巖變形過(guò)程相協(xié)調(diào)?？紤]到軟弱圍巖的蠕變特性，圍巖的自穩(wěn)能力是與施加相關(guān)的，因此二次襯砌的支護(hù)需要一個(gè)合理的時(shí)機(jī)。反過(guò)來(lái)理解，如果要確定合理的二襯支護(hù)時(shí)機(jī)，首先要對(duì)圍巖的蠕變特性和變形機(jī)理進(jìn)行充分而深入地分析，只有在此基礎(chǔ)上，才能選擇適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)時(shí)機(jī)和支護(hù)形式以及確定合適的支護(hù)參數(shù)。由于目前的研究多針對(duì)二次襯砌的支護(hù)時(shí)機(jī)探討，應(yīng)該將整個(gè)支護(hù)過(guò)程統(tǒng)一起來(lái)，形成與不同圍巖級(jí)別、不同斷面尺寸、不同開(kāi)挖方式、不同支護(hù)參數(shù)相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)的支護(hù)方案，以及更完善的施工工法。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)近年來(lái)出現(xiàn)的軟巖隧道工程中的突出問(wèn)題進(jìn)行了討論，并對(duì)軟巖隧道工程今后的發(fā)展進(jìn)行了展望。為了滿足交通建設(shè)的需要，更多更為復(fù)雜的軟巖隧道工程也必將積累更多的工程經(jīng)驗(yàn)，更好更深入的解決圍巖大變形的控制問(wèn)題。隨著支護(hù)理論的不斷發(fā)展、支護(hù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，軟巖隧道工程施工技術(shù)水平將會(huì)不斷提高和發(fā)展。

[1] 陳 玉.共和隧道圍巖大變形機(jī)理及防治措施研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2008.

[2] 喻 渝.擠壓性圍巖支護(hù)大變形的機(jī)理及判定方法[J].世界隧道,1993,2(1):46-50.

[3] 劉伴興.軟巖隧道大變形機(jī)理及位移控制基準(zhǔn)[D].石家莊：石家莊鐵道學(xué)院，2006.

[4] 段慶偉,何滿朝,張世國(guó).復(fù)雜條件下圍巖變形特征數(shù)值模擬研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2002,30(6):55-58.

[5] 柴瑞峰,王才高.鳥(niǎo)鞘嶺特長(zhǎng)隧道大變形圍巖段施工技術(shù)[J].鐵道建筑，2005(12):38-39.

[6] 王祥秋,楊林德,高文華.軟弱圍巖蠕變損傷機(jī)理及合理支護(hù)時(shí)間的反演分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(5):793-796.

[7] 王建宇,胡元芳,劉志強(qiáng).高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道擠壓型變形和可讓性支護(hù)原理[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2012,49(3):9-17.

[8] 劉全林,楊 敏.軟弱圍巖巷道錨固支護(hù)機(jī)理及變形分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002,21(8):1158-1161.

[9] 張良輝,熊厚金,張 清.隧道圍巖位移的彈塑粘性解析解[J].巖土工程學(xué)報(bào),1997,19(4):66-72.

Soft rock tunnel engineering problems and prospect

Ren Haiyong

(ShanxiLanyanCoalGasGroupCo.,Ltd,Jincheng048204,China)

The paper introduces the development conditions of soft rock tunnel engineering, specifically analyzes problems existing in current soft rock tunnel construction, and points out causes, and prospects soft rock tunnel research tendency in future, with a view to improve the construction technology level of soft rock tunnel engineering.

tunnel, soft rock, deformation, surrounding rock support

2015-02-10

任海勇(1982- )，男，工程碩士，工程師

1009-6825(2015)11-0154-02

U451

A