隧道軟巖大變形施工技術(shù)研究

譚光輝

（江西省交通投資集團(tuán)項(xiàng)目管理公司，江西南昌 330006）

0 引言

在現(xiàn)代交通和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，隧道作為重要的交通通道和地下工程，在連接城市、提升交通效率方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，隧道建設(shè)往往面臨復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，其中軟巖地層的大變形性質(zhì)成為一項(xiàng)顯著挑戰(zhàn)。軟巖地層的高可塑性和易變形特點(diǎn)，容易引發(fā)隧道變形、塌方等安全隱患，嚴(yán)重影響施工進(jìn)展和隧道的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。因此，為了在軟巖地層中確保隧道施工的順利進(jìn)行和安全運(yùn)營(yíng)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)隧道軟巖大變形施工技術(shù)的關(guān)注。對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行相關(guān)研究，并尋找出一種全面的解決方案，以便最大限度地減少軟巖地層對(duì)隧道施工帶來的負(fù)面影響[1]。

1 軟巖大變形隧道工程概況

位于我國(guó)南方地區(qū)的某隧道項(xiàng)目在地質(zhì)勘查階段發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重的軟巖地質(zhì)情況，這為項(xiàng)目的建設(shè)帶來巨大的挑戰(zhàn)。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況和各項(xiàng)數(shù)據(jù)的綜合分析，工程團(tuán)隊(duì)最終決定采用軟巖大變形控制技術(shù)來解決這一難題。該隧道項(xiàng)目的總長(zhǎng)達(dá)13500m，最大埋深超過1000m，而隧道入口處地質(zhì)特點(diǎn)復(fù)雜，呈三層系統(tǒng)板巖薄層板狀結(jié)構(gòu)，每層厚度不超過5cm，層與層之間的結(jié)合性較差，巖層強(qiáng)度也相對(duì)較低，同時(shí)還含有大量地下水，且?guī)r層的走向與隧道的挖掘方向基本一致。

2 隧道工程變形特點(diǎn)

該隧道項(xiàng)目面臨著嚴(yán)峻的軟巖變形問題，這種問題不僅呈現(xiàn)出迅速的發(fā)展趨勢(shì)，而且變形情況無法受到有效控制。尤其在隧道開挖施工后，巖層的變化顯得尤為明顯。經(jīng)過對(duì)隧道變形問題的綜合總結(jié)與深入分析，發(fā)現(xiàn)其具有以下顯著特征：

第一，變形過程具有極快的速度，尤其是在開挖作業(yè)后，隧道變形問題呈現(xiàn)出加重態(tài)勢(shì)，拱頂沉降幅度急劇變化，水平位移速度迅猛，因此容易導(dǎo)致累積問題的出現(xiàn)。

第二，變形情況在不同位置上呈現(xiàn)出明顯的差異，這種不均勻現(xiàn)象的存在，并不呈現(xiàn)對(duì)稱分布，而是使局部區(qū)域受到極大影響。從實(shí)際的勘測(cè)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)整個(gè)隧道工程的左右兩側(cè)存在明顯的變形差異，特別是在初期支護(hù)工作完成后對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行變形測(cè)量，更是證實(shí)了巖層變形的不均衡情況。

第三，變形現(xiàn)象的持續(xù)時(shí)間相當(dāng)久，且難以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。從工程開工至竣工的全程，巖層變形一直未曾消散，且對(duì)工程產(chǎn)生的影響逐漸加大。

結(jié)合監(jiān)測(cè)中心所獲取的數(shù)據(jù)，清晰地發(fā)現(xiàn)隧道拱頂區(qū)域的沉降與水平位移現(xiàn)象尤為突出，變形速度極快。若繼續(xù)施工，一旦拱頂施工完成，將引發(fā)更加嚴(yán)重的拱頂沉降與變形問題，會(huì)極大地危及隧道工程的質(zhì)量，甚至可能引發(fā)塌方等重大安全隱患，造成嚴(yán)重后果[2]。

3 隧道工程變形原因分析

3.1 地質(zhì)因素

該隧道項(xiàng)目位于我國(guó)南方地區(qū)，該地區(qū)年降雨量較高，地下水資源豐富，使得巖石容易遇水膨脹，并且膨脹情況較為顯著。隧道建設(shè)區(qū)域的巖石特性頗為獨(dú)特，主要以炭質(zhì)板巖為主，這種巖石在水分影響下會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致迅速崩解，任何與水接觸的巖石都會(huì)因膨脹而體積擴(kuò)大，其膨脹力也會(huì)相應(yīng)增加，此現(xiàn)象會(huì)對(duì)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)造成顯著影響。除了水的影響，地理位置也對(duì)隧道建設(shè)有著重要影響。由于隧道工程位于高原地區(qū)，高地應(yīng)力對(duì)巖石產(chǎn)生顯著作用，而巖石自身硬度不足，因此變形問題尤為嚴(yán)重。一旦開始吸水后，連續(xù)開挖很容易形成松動(dòng)圈。設(shè)計(jì)方案選擇的支護(hù)方式難以應(yīng)對(duì)巖石變形所帶來的影響，無法抵消因吸水引起的膨脹力。這種情況下，支護(hù)結(jié)構(gòu)容易受損，從而干擾項(xiàng)目正常進(jìn)行。此外，圍巖還受到時(shí)空效應(yīng)的影響，開挖過程中容易出現(xiàn)蠕變位移問題，隨著開挖深入，問題還會(huì)逐漸加劇。受到持續(xù)的力學(xué)性質(zhì)影響，巖石強(qiáng)度持續(xù)下降。因此，隧道工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)不僅要應(yīng)對(duì)巖石自身的重力，還需承受變形壓力的作用，使得現(xiàn)場(chǎng)存在較高的潛在危險(xiǎn)性。

3.2 設(shè)計(jì)因素

在隧道項(xiàng)目建設(shè)過程中，周邊環(huán)境的巖石狀況呈現(xiàn)出軟巖特征，這是長(zhǎng)時(shí)間自然環(huán)境作用的結(jié)果。隧道工程現(xiàn)場(chǎng)存在的突出問題是隨著施工的持續(xù)推進(jìn)可能引發(fā)巖石發(fā)生塑性變形反應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)嚴(yán)重受損，無法達(dá)到既定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在這種情境下，最初設(shè)計(jì)的初期支護(hù)體系抗壓能力不足，難以控制巖石的變形速度，因此無法滿足預(yù)期運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 施工因素

在隧道施工現(xiàn)場(chǎng)，存在支護(hù)結(jié)構(gòu)未及時(shí)封閉或巖石裸露的情形，這將對(duì)巖石性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。在隧道開挖過程中，巖石裸露的情況時(shí)有出現(xiàn)，而施工區(qū)域地下水逐漸增多，一旦巖石與水接觸，就會(huì)觸發(fā)膨脹性變形反應(yīng)。若在開挖后未及時(shí)封閉巖面，可能導(dǎo)致風(fēng)化和崩解現(xiàn)象，從而引發(fā)超挖現(xiàn)象，使松動(dòng)圈范圍逐漸擴(kuò)大。這種情況下，巖石的強(qiáng)度無法滿足隧道工程所需，且支護(hù)效果也難以達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，這就可能導(dǎo)致巖石變形的加劇[3]。

4 隧道工程變形控制技術(shù)

4.1 應(yīng)用超前支護(hù)技術(shù)

該隧道項(xiàng)目堅(jiān)持不損壞圍巖結(jié)構(gòu)的理念，在現(xiàn)場(chǎng)施工中盡量避免造成圍巖破壞的問題，防止給巖石變形帶來嚴(yán)重的負(fù)面影響，以此加強(qiáng)對(duì)變形量的控制。

第一，在隧道進(jìn)口部位確定施工序列，明確超前支護(hù)的實(shí)施時(shí)機(jī)。一般而言，應(yīng)在開挖進(jìn)口附近的地方，預(yù)先設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)，確保巖體在開挖過程中得到及時(shí)支撐。

第二，根據(jù)巖體特性和地質(zhì)條件，設(shè)置鋼架、錨桿、網(wǎng)片等支護(hù)結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)巖體的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。應(yīng)根據(jù)巖體的不同變形特點(diǎn)，選擇適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)方式，確保其與巖體的緊密結(jié)合。

第三，進(jìn)行鉆孔或鑿眼作業(yè)，為支護(hù)結(jié)構(gòu)的安裝創(chuàng)造條件。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，預(yù)先在巖體中鉆孔，然后將錨桿、網(wǎng)片或其他支護(hù)材料插入孔中，以便將支護(hù)結(jié)構(gòu)與巖體連接起來。

第四，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和施工步驟，將預(yù)先準(zhǔn)備好的支護(hù)材料安裝在巖體上。此舉可能涉及鋼架的安裝、錨桿的固定以及網(wǎng)片的鋪設(shè)，因此應(yīng)確保支護(hù)結(jié)構(gòu)與巖體之間有著穩(wěn)固的連接。

第五，進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)的固定和加固，確保支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠牢固地固定在巖體上，以便承受巖體變形帶來的力量。此舉可能需要進(jìn)行錨固作業(yè)，因此應(yīng)將支護(hù)結(jié)構(gòu)與巖體更緊密地結(jié)合，以提升整體的穩(wěn)定性。

第六，在超前支護(hù)結(jié)構(gòu)完成安裝和固定后，通過監(jiān)測(cè)巖體的變形情況，及時(shí)了解巖體的變化趨勢(shì)，判斷超前支護(hù)的效果。如果發(fā)現(xiàn)巖體變形仍然在可控范圍內(nèi)，說明超前支護(hù)措施起到了預(yù)防作用。

4.2 噴射混凝土控制技術(shù)應(yīng)用

由于選擇使用單循環(huán)作業(yè)的方式可以避免軟巖變形量過大[4]。因此，現(xiàn)場(chǎng)開挖作業(yè)環(huán)節(jié)要采取短進(jìn)尺的方式，保證初步支護(hù)作業(yè)施工能夠形成閉環(huán)，以此盡量減少單循環(huán)的長(zhǎng)度，防止由于單循環(huán)作業(yè)過大而造成拱架承載壓力過大的情況。

第一，選擇科學(xué)的混凝土配合比，確?；炷恋膹?qiáng)度和耐久性滿足工程要求。同時(shí),應(yīng)備好噴射設(shè)備，包括噴射機(jī)、輸送管道等。

第二，清理隧道壁面，確保表面光滑且無雜物。清除可能影響噴射效果的障礙物，為噴射作業(yè)創(chuàng)造良好的施工環(huán)境。

第三，預(yù)噴射層的作用是增加基巖與混凝土噴射層的附著力，確保噴射層能夠緊密地黏附在巖壁上。因此，可通過噴射混凝土，在基巖表面形成堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)層。

第四，首先需要將事先準(zhǔn)備好的混凝土通過專用的噴射機(jī)噴射到隧道壁面上，從而形成一層均勻且緊密的混凝土覆蓋層。這一層混凝土的噴射厚度通常會(huì)根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求和圍巖條件進(jìn)行確定，一般在5cm 左右。施工過程中，噴射混凝土技術(shù)的應(yīng)用步驟非常關(guān)鍵。首先，施工人員需要確保混凝土的配合比和質(zhì)量能夠達(dá)到工程要求，以確保噴射后的混凝土具備足夠的強(qiáng)度和黏結(jié)性。其次，噴射機(jī)需要準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)隧道壁面，以保證混凝土噴射的位置準(zhǔn)確無誤。再次，噴射過程中，施工人員需要保持一定的噴射速度和厚度，以確保能夠形成均勻且緊密的混凝土覆蓋層。

第五，混凝土層噴射施工完畢后，應(yīng)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和加固，以提高混凝土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性?？蛇M(jìn)行刷涂加固材料，或者進(jìn)行局部修補(bǔ)，以便確保整個(gè)噴射混凝土層的質(zhì)量[5]。

4.3 錨桿預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用

錨桿預(yù)應(yīng)力技術(shù)在隧道工程變形控制中起著關(guān)鍵作用，通過施加預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性，能夠抑制巖體的變形，確保隧道施工的安全和穩(wěn)定。

第一，在隧道工程中，針對(duì)不同的地質(zhì)條件和工程要求，設(shè)計(jì)合理的錨桿布置方案和預(yù)應(yīng)力大小顯得尤為重要。設(shè)計(jì)人員需要綜合考慮地質(zhì)情況、隧道形狀、支護(hù)要求等因素，以確定最佳的錨桿布置方式。應(yīng)通過分析巖體的穩(wěn)定性和變形情況，計(jì)算錨桿的數(shù)量和長(zhǎng)度，同時(shí)應(yīng)合理預(yù)估預(yù)應(yīng)力力量的大小，以確保錨桿能夠提供足夠的支護(hù)效果和變形控制能力。

第二，在錨桿預(yù)應(yīng)力技術(shù)的實(shí)施過程中，保障錨桿能夠牢固地嵌入巖體中至關(guān)重要。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，首先需要對(duì)隧道壁面進(jìn)行徹底的清理工作。具體應(yīng)清除巖體表面的雜物、泥土和松散物質(zhì)，為錨桿的安裝創(chuàng)造良好的工作環(huán)境。同時(shí)，必須特別注意清除可能影響錨桿固定效果的障礙物，如大塊巖石碎片或其他障礙物。以此確保錨桿的固定效果不受干擾，使其能夠充分地承擔(dān)預(yù)應(yīng)力力量，增強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性。

第三，應(yīng)根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的錨桿布置方案，在隧道壁面鉆孔，并將錨桿嵌入孔內(nèi)。通常可采用螺旋鉆孔機(jī)或其他適用的設(shè)備，將錨桿牢固地固定在巖體中。

第四，通過液壓泵等設(shè)備，施加預(yù)先計(jì)算好的預(yù)應(yīng)力，使錨桿產(chǎn)生拉力，這種拉力作用于巖體，能夠增強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性，抑制巖體的變形。需要注意的是，在施工中要根據(jù)巖體的性質(zhì)和變形情況調(diào)整預(yù)應(yīng)力的大小。

第五，錨桿的固定端需要保證固定在相應(yīng)的位置上且不發(fā)生松動(dòng)，可使用鋼板、錨桿套管等設(shè)備進(jìn)行固定，在鋼板固定好之后，需要在錨桿上安裝錨桿套管。具體操作時(shí)，首先應(yīng)將錨桿從套管的一端插入，直至套管的底部與鋼板平齊。其次，套管的長(zhǎng)度要足夠覆蓋錨桿的一定部分，以確保錨桿在巖體內(nèi)部得到有效固定。需要注意的是，一旦錨桿和套管安裝好，就可以進(jìn)行錨桿的固定工作。再次，在套管的另一端，可使用膠水或其他固定材料將錨桿牢固地黏結(jié)在套管內(nèi)部，以此增加錨桿與套管的連接強(qiáng)度，防止錨桿在套管內(nèi)部松動(dòng)或滑動(dòng)。最后，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)錨桿施加預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力的大小和施加方式要根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整，以保證錨桿能夠有效地傳遞預(yù)應(yīng)力到巖體中，增強(qiáng)支護(hù)效果。

4.4 地下凍結(jié)技術(shù)應(yīng)用

地下凍結(jié)技術(shù)是一種常用于地下工程中的施工技術(shù)，其通過將地下水或土壤中的水分凍結(jié)成固態(tài)，從而形成凍結(jié)圍護(hù)層，以達(dá)到支護(hù)、固結(jié)或隔離的目的。第一，在施工前，需要對(duì)地下環(huán)境進(jìn)行勘查，了解地下水位、土壤特性以及可能存在的隱患。根據(jù)勘查結(jié)果，確定凍結(jié)范圍、凍結(jié)深度以及所需的凍結(jié)劑。第二，在地下工程的周圍區(qū)域進(jìn)行鉆孔施工。鉆孔通常通過鉆機(jī)進(jìn)行，深度和數(shù)量則應(yīng)根據(jù)具體工程情況而定。鉆孔的作用是注入凍結(jié)劑并排除孔內(nèi)空氣，以確保凍結(jié)劑能夠充分接觸地下水或土壤。第三，將凍結(jié)劑注入鉆孔中。凍結(jié)劑通常為鹽水或抗凍劑混合物,凍結(jié)劑的注入會(huì)降低周圍土壤或地下水的溫度，使其逐漸凍結(jié)成固態(tài)。第四，凍結(jié)劑注入后，需要一定的時(shí)間來降低地下環(huán)境的溫度，使其凍結(jié)成凍結(jié)體，冷卻周期的長(zhǎng)短取決于凍結(jié)劑的種類和濃度，以及地下環(huán)境的溫度。第四，在冷卻周期內(nèi)，需要進(jìn)行凍結(jié)效果的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)?？梢酝ㄟ^溫度計(jì)、水位計(jì)等儀器監(jiān)測(cè)地下環(huán)境的溫度和水位變化，以確保凍結(jié)效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在凍結(jié)體形成并達(dá)到預(yù)定的固結(jié)效果后，可以進(jìn)行工程施工，如地下挖掘、基坑開挖等。凍結(jié)體將提供臨時(shí)的支撐和穩(wěn)定，防止周圍土壤塌方或水位上升。第五，工程施工完成后，需要進(jìn)行解凍處理。通過停止注入凍結(jié)劑或?qū)χ車h(huán)境加熱來解凍凍結(jié)體,解凍后，地下環(huán)境將恢復(fù)到正常狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隧道工程建設(shè)施工中，極易遇到軟巖大變形的情況，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工造成嚴(yán)重的危害和影響，影響隧道施工安全性，甚至?xí)斐蓢?yán)重的事故。因此，隧道軟巖大變形施工中，應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)勘查工作、分析各種影響因素、制訂完善的施工方案和措施，從而更好地提高隧道施工的安全性和穩(wěn)定性，滿足隧道運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，確保交通通行的順暢與安全，推動(dòng)我國(guó)工程領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展。