軟巖隧道變形控制機(jī)理及其支護(hù)技術(shù)研究

張吉昌 梁東偉

摘要：軟巖隧道大變形難控制的特點一直是施工過程中的難點，特別是隧道剛開挖完后，在隧道周圍形成松動圈，如若隧道初期支護(hù)強(qiáng)度不能有效的抵抗圍巖變形，那么軟巖隧道開挖后將會出現(xiàn)持續(xù)變形的現(xiàn)象。如果這種持續(xù)變形不能有效的抑制，隧道變形量就會超出原設(shè)計的預(yù)留變形量，這時隧道二次襯砌施工后隧道的原設(shè)計凈空變小，隧道的施工質(zhì)量就會受到影響，同時軟巖隧道的大變形給隧道施工帶來巨大的安全隱患，嚴(yán)重的影響了施工進(jìn)度，因此研究軟巖隧道大變形機(jī)理，提出一種有效的初期支護(hù)技術(shù)來快速有效的抑制軟巖隧道的持續(xù)變形至關(guān)重要。本文以澠池—垣曲高速公路中某隧道中的一段軟巖段為研究對象，分析了該軟巖段隧道的變形機(jī)理，并提出了一種“雙網(wǎng)+錨噴”的高強(qiáng)初期支護(hù)技術(shù)，并通過現(xiàn)場試驗驗證了該支護(hù)技術(shù)的有效性。

關(guān)鍵詞：軟巖隧道；松動圈；持續(xù)變形機(jī)理；雙網(wǎng)+錨噴高強(qiáng)初期支護(hù)

中圖分類號：文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 緒論

近年來隨著我國交通工程基礎(chǔ)建設(shè)的飛速發(fā)展，高速公路作為其重要組成部分也取得了長足的發(fā)展。在高速公路建設(shè)中，隧道在工程規(guī)劃、設(shè)計和施工中越來越多的受到人們的親睞，同時經(jīng)濟(jì)安全的隧道施工也越來越受到人們的重視。隨著我國修建隧道范圍不斷擴(kuò)大，在修建過程中會遇到各種各樣的地質(zhì)環(huán)境，特別是當(dāng)遇到巖溶、斷裂帶、高地溫、高應(yīng)力、軟弱圍巖等不良地質(zhì)段時，隧道能在保證安全的情況下經(jīng)濟(jì)有效的貫通是研究的重要課題。對于穿越軟巖段的隧道來說，持續(xù)變形難抑制的特點一直是困擾施工單位的難題，主要原因是軟巖隧道開挖后，圍巖自身強(qiáng)度比較低，自穩(wěn)能力比較差，如果不采取有效的方法快速抑制隧道的持變形，將給隧道后期的施工乃至交竣工驗收帶來嚴(yán)重的影響。[1]本文以澠垣高速公路中的某隧道為研究對象，重點分析了軟巖開挖后發(fā)生大變形的機(jī)理，并提出了“雙網(wǎng)+錨噴”的高強(qiáng)初期支護(hù)技術(shù)，分析了該支護(hù)形式的作用機(jī)理，并通過現(xiàn)場工業(yè)性試驗驗證了該初期支護(hù)形式在快速有效抑制開挖后軟巖隧道持續(xù)變形中的效果。

2 工程概況

該隧道區(qū)屬山嶺地貌，地形起伏較大，植被較發(fā)育，該隧道長度為1100m，隧道巖層產(chǎn)狀為240°∠5°，隧道走向為173°，隧道進(jìn)洞洞身段圍巖主要為強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化砂質(zhì)頁巖和石英砂巖，塊狀或?qū)訝睿鶕?jù)根據(jù)洞深和風(fēng)化程度，圍巖強(qiáng)度等級低，并且遇水后圍巖軟化情況比較嚴(yán)重，圍巖定級主要為IV級，為典型的軟巖隧道。隧道洞身主要結(jié)構(gòu)面為巖層產(chǎn)狀和節(jié)理裂隙，節(jié)理裂隙多傾斜，圍巖在開挖后自穩(wěn)能力比較差，需要采用有效的支護(hù)方式進(jìn)行支護(hù)。

3 軟巖隧道開挖后發(fā)生持續(xù)變形的機(jī)理分析

3.1 圍巖松動圈發(fā)生機(jī)理

軟巖隧道周邊各點在隧道未開挖之前，其所處的應(yīng)力狀態(tài)為三向壓應(yīng)力狀態(tài)，由于三個主方向的應(yīng)力值

SymbolsA@ 1、

SymbolsA@ 2、

SymbolsA@ 3數(shù)值相差不大，根據(jù)巖石破壞的強(qiáng)度準(zhǔn)則（庫侖—納維爾準(zhǔn)則）可知[2]，巖體不會發(fā)生破壞。

當(dāng)隧道開挖后，一方面因隧道周邊地應(yīng)力重新分布發(fā)生應(yīng)力集中，

SymbolsA@ 1數(shù)值巨增，另一方面

SymbolsA@ 3數(shù)值降低為0，距周邊較近的位置

SymbolsA@ 3也同樣會降低至很小的數(shù)值，根據(jù)公式（1），在隧道圍巖強(qiáng)度較弱的情況下，公式左邊的數(shù)值就會超過公式右邊的數(shù)值，從而導(dǎo)致圍巖破裂，形成圍巖松動圈。

[JZ（][XCimage206.tif；E+4.002mm。47.372mm]〖JZ）〗〖JY〗（1）

3.2 軟巖隧道開挖后松動圈發(fā)展機(jī)理

軟巖隧道開挖后在其周圍形成松動圈，處于松動圈范圍內(nèi)的破碎巖體傳遞地應(yīng)力的方式發(fā)生很大變化，原先由該部分巖體傳遞的地應(yīng)力，絕大部分改道松動圈外圍的穩(wěn)定巖體進(jìn)行傳遞，該部分巖體在力學(xué)作用方面的表現(xiàn)也相應(yīng)地轉(zhuǎn)化為對外圍穩(wěn)定巖體的支撐作用。此時松動圈外圍的穩(wěn)定巖體因松動圈范圍內(nèi)的巖體退出了絕大部分原始地應(yīng)力的直接傳遞而擔(dān)負(fù)起本應(yīng)由松動圈范圍內(nèi)的巖體和開挖前隧道內(nèi)的巖體傳遞的地應(yīng)力，即穩(wěn)定巖體的內(nèi)緣發(fā)生應(yīng)力集中。應(yīng)力集中的結(jié)果是下圖中的

SymbolsA@ 1數(shù)值大幅增加，當(dāng)圖中的

SymbolsA@ 3數(shù)值不能保證足夠大的話，穩(wěn)定圍巖內(nèi)緣的巖體將繼續(xù)發(fā)生破壞，導(dǎo)致松動圈范圍的繼續(xù)增大，而松動圈范圍的擴(kuò)大又將導(dǎo)致穩(wěn)定圍巖內(nèi)緣應(yīng)力集中程度的進(jìn)一步提高[45]，從而導(dǎo)致軟巖隧道的自穩(wěn)能力下降，導(dǎo)致隧道發(fā)生開挖后發(fā)生持續(xù)變形現(xiàn)象。

[JZ][XCimage207.tif]

[BT6]圖1 軟巖隧道圍巖質(zhì)點應(yīng)力狀態(tài)之間關(guān)系示意圖

4 軟巖隧道大變形控制及“雙網(wǎng)+錨噴”初期支護(hù)作用機(jī)理〖ST〗

4.1 軟巖隧道松動圈控制機(jī)理

在支護(hù)有效的情況下，伴隨著松動圈的發(fā)生與發(fā)展，松動圈內(nèi)巖體的碎脹力會急劇上升，此時圖1中的

SymbolsA@ 3數(shù)值將大幅增加，且增長比率會遠(yuǎn)大于

SymbolsA@ 1數(shù)值的增長比率，這樣一來，松動圈外圍邊界的巖體很快就會滿足公式（1）的要求，于是松動圈就不會再繼續(xù)擴(kuò)展下去，隧道的變形也就會停滯下來。由于松動圈范圍得到了控制，外圍穩(wěn)定巖體中應(yīng)力集中的程度就得到了有效控制，此時松動圈與穩(wěn)定巖體交界面邊緣的切向應(yīng)力和松動圈內(nèi)的碎脹力也就穩(wěn)定了下來，支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的壓力也就不再繼續(xù)增加。

4.2 “雙網(wǎng)+錨噴”初期支護(hù)作用機(jī)理

隧道開挖后圍巖應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槎螒?yīng)力狀態(tài)，一般情況下隧道開挖后采用拱架初期支護(hù)就能有效的控制隧道的變形，但對于該軟巖段隧道來說，采用拱架支護(hù)后圍巖變形很大，初支拱架在松動圈碎脹力作用下發(fā)生扭曲，這時根據(jù)軟巖隧道變形原因及控制松動圈擴(kuò)展原理，提出一種“雙網(wǎng)+錨噴”高強(qiáng)初期支護(hù)（圖2），該支護(hù)作用機(jī)理為：隧道第一層初支施工后，隧道碎脹力作用在第一層網(wǎng)上，由于隧道周圍圍巖的自穩(wěn)能力較差，隧道發(fā)生較大的變形，這時第二層網(wǎng)開始承擔(dān)其抵抗隧道變形的能力，這樣就提高了

SymbolsA@ 3數(shù)值（圖1），使公式1左邊小于右邊，使隧道周圍的松動圈得到抑制，同時初支兩層網(wǎng)之間的混凝土在雙層網(wǎng)的作用下強(qiáng)度也明顯提高，這樣軟巖隧道周圍的松動圈就得到控制，隧道大變形被有效抑制。

5 現(xiàn)場監(jiān)測

該隧道軟巖段采用“雙網(wǎng)+錨噴”高強(qiáng)初期支護(hù)后，其累計變形量如下圖3所示，隧道剛開挖后采用單層網(wǎng)支護(hù)，短短兩天隧道累計變形量就達(dá)到9cm左右，變形比較大，施工方馬上調(diào)整支護(hù)方案，在原有支護(hù)的基礎(chǔ)上又加一層錨網(wǎng)，施工完后隧道變形馬上受到的較好的抑制，并趨于收斂。

6 結(jié)論

（1）軟巖隧道開挖后在其周圍形成松動圈，處于松動圈范圍內(nèi)的破碎巖體傳遞地應(yīng)力的方式發(fā)生很大變化，當(dāng)隧道的初期支護(hù)強(qiáng)度不能夠抵抗松動圈圍巖的碎脹力時，隧道周圍松動圈就會不斷擴(kuò)展，這樣軟巖隧道就會出現(xiàn)持續(xù)變形的現(xiàn)象。

（2）通過分析圍巖松動圈擴(kuò)展機(jī)理提出了一種快速抑制軟巖隧道大變形的支護(hù)形式，及“雙網(wǎng)+錨噴”高強(qiáng)初期支護(hù)，該支護(hù)通過雙層網(wǎng)來抑制軟巖隧道的松動圈碎脹力，同時雙層網(wǎng)中間的噴射混凝土在雙層網(wǎng)作用下處于雙向應(yīng)力狀態(tài)，使其強(qiáng)度大幅提高，并通過現(xiàn)場監(jiān)測論證了該支護(hù)形式的有效性。

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