軟弱圍巖隧道大變形的產(chǎn)生原因及控制

李達(dá)昌，宋俊潔

（1.中鐵三局集團(tuán)有限公司，太原030001；2.山西大秦物流有限公司汽車物流分公司，太原030600）

1 工程概況

關(guān)西隧道全長(zhǎng)4 843 m，采用單洞雙線斷面形式，三臺(tái)階法施工。隧道最大埋深約198 m，最淺埋深8 m。設(shè)斜井一處，斜井位于線路前進(jìn)方向右側(cè)，與隧道正洞交于DK108+950，斜井全長(zhǎng)554 m，綜合坡度為10.4%，采用無(wú)軌運(yùn)輸雙車道斷面。其中，關(guān)西隧道出口段位于淺埋段稀土采礦區(qū)，巖性主要為凝灰?guī)r砂巖夾疑灰質(zhì)頁(yè)巖、干枚狀板巖等，全～弱風(fēng)化，全風(fēng)化，受稀土礦草酸采礦工藝影響，原巖結(jié)構(gòu)化學(xué)反應(yīng)后基本破壞，節(jié)理裂隙較發(fā)育，受力復(fù)雜，易產(chǎn)生大變形。

2 軟弱圍巖隧道大變形的關(guān)鍵原因

采礦區(qū)淺埋段圍巖受外部環(huán)境的影響較大，主要存在受草酸剝蝕的問題，隧道內(nèi)圍巖大幅度變形?；咎卣骷捌涑梢蛑饕校?/p>

1）變形覆蓋范圍廣、速度快。軟巖在短時(shí)間內(nèi)快速變化，水平收斂300～400 mm，拱頂下沉150～200 mm。局部板巖地段含豐富的炭質(zhì)，且伴有較大流量的地下水，受自身特性以及水體侵蝕的雙重作用，板巖存在明顯的變形現(xiàn)象，具有持續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)。

2）變形的時(shí)間及分布較為特殊。圍巖變形具有持續(xù)性，在長(zhǎng)期的作用下將形成臨空面，局部在施作二襯后依然有明顯的變形。圍巖變形無(wú)明顯的分布規(guī)律，缺乏對(duì)稱性，采取支護(hù)措施后，各段圍巖的變形差異性較為顯著。相比于拱頂下沉速度而言，早期圍巖的破壞程度更深，無(wú)論是水平收斂速度還是變形速度均較大。

3）圍巖變形具有重復(fù)性。在落實(shí)初期支護(hù)工作后，總體上圍巖具有趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，但隨著施工進(jìn)度的持續(xù)推進(jìn)，圍巖依然存在變形現(xiàn)象，且以爆破施工場(chǎng)景下的圍巖變形量最為明顯，不利于支護(hù)的平衡性與穩(wěn)定性。由此表明，隧道圍巖的變形并非在完成支護(hù)作業(yè)后便停止，而是在后續(xù)施工中重復(fù)發(fā)生，由此加大變形的控制難度。

4）圍巖性質(zhì)不穩(wěn)定，遇水軟化。以炭質(zhì)片巖較為明顯，其在遇水后存在軟化現(xiàn)象，地下水滲流區(qū)域的變形量顯著加大。

鑒于上述所提的圍巖變形特征，進(jìn)一步探究其成因：隧道施工現(xiàn)場(chǎng)的軟巖分布范圍廣、數(shù)量多，具有沿著片里面蠕動(dòng)滑動(dòng)的特性，期間伴有不同程度的軟質(zhì)巖流變化；且圍巖構(gòu)造的完整性不足，強(qiáng)度相對(duì)較低，導(dǎo)致其變形和流變現(xiàn)象持續(xù)發(fā)生；圍巖的抗剪切強(qiáng)度低，遇爆破等施工振動(dòng)后失穩(wěn)現(xiàn)象進(jìn)一步加?。坏刭|(zhì)構(gòu)造特殊，易發(fā)生扭曲變形現(xiàn)象，此過(guò)程中形成豐富的節(jié)理和摩擦鏡面，再次破壞圍巖的完整性。在多重因素的共同作用下，圍巖持續(xù)變形且造成較大范圍的不良影響。

3 軟弱圍巖隧道大變形的控制措施

以隧道圍巖變形的特點(diǎn)及成因?yàn)榱⒆泓c(diǎn)，結(jié)合工程質(zhì)量要求以及現(xiàn)場(chǎng)施工條件，探討軟弱圍巖大變形的控制措施。

3.1 淺埋稀土采礦區(qū)圍巖大變形的控制

對(duì)于局部淺埋稀土采礦區(qū)圍巖受草酸剝蝕的情況，技術(shù)人員從現(xiàn)場(chǎng)采集巖石及水樣，轉(zhuǎn)至實(shí)驗(yàn)室內(nèi)展開試驗(yàn)，探尋在草酸剝蝕條件下的圍巖受力特性，同時(shí)分析草酸在與混凝土接觸后所產(chǎn)生的化學(xué)變化，作為混凝土質(zhì)量控制的參考依據(jù)，由此確定圍巖的變形控制方案，盡可能削弱草酸剝蝕。具體還可對(duì)施工場(chǎng)地的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行合理抽象并建立地質(zhì)模型，采用有限差分軟件建立相應(yīng)數(shù)值模型，以此對(duì)圍巖變形控制措施進(jìn)行驗(yàn)證。

而對(duì)于泥灰質(zhì)砂巖，考慮層面造成的橫觀各向同性，可采用遍布節(jié)理模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，計(jì)算出原設(shè)計(jì)支護(hù)條件下圍巖的變形和采用控制措施后的圍巖變形情況。而初期支護(hù)只能緩解圍巖變形速率，不能控制變形的增長(zhǎng)，反而二襯剛度較大，能有效控制變形持續(xù)發(fā)展，降低變形速率，在此情況下要及時(shí)施作二次襯砌。而圍巖的長(zhǎng)期強(qiáng)度值是影響圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，巖體自身強(qiáng)度會(huì)隨著時(shí)間的變化而受到損害，再加之巖土體在蠕變過(guò)程中受力情況不一樣，自身也會(huì)發(fā)生不同程度的變形現(xiàn)象。

3.2 斜井進(jìn)正洞三岔口快速施工技術(shù)控制

3.2.1 挑頂施工

隧道斜井進(jìn)入正洞挑頂施工為項(xiàng)目全流程中的重點(diǎn)內(nèi)容，斜井與正洞所形成的交叉區(qū)域以Ⅳ級(jí)圍巖居多，XDK0+030～XDK0+007段采用復(fù)合襯砌，XDK0+007～XDK0+000在施作襯砌的基礎(chǔ)上，于初期支護(hù)鋼架上施作仰拱。引入臺(tái)階法，有序組織斜井進(jìn)正洞的施工作業(yè)。

分階段考慮，確定具體的施工方法：

1）斜井施工至XDK0+007處，設(shè)置I18鋼架，共7榀。

2）斜井與正洞交叉口處，以正洞開挖輪廓線為參照基準(zhǔn)，斜井緊貼該處設(shè)置，配套2榀I32a型鋼鋼架，于上、下兩端分別安裝鎖腳錨桿用于支撐拖梁；參考正洞中心線，鋼架與之呈平行布置的關(guān)系，高度與斜井開挖高度控制標(biāo)準(zhǔn)相同。型鋼鋼架主體結(jié)構(gòu)成型后，焊接2榀I32a型鋼橫梁，通過(guò)橫梁、錨桿的共同作用給正洞鋼架提供落腳平臺(tái)。為保證拖梁與支撐架的穩(wěn)定性，用I18型鋼斜撐加固，以免在施工期間發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

3）挑頂采用過(guò)渡導(dǎo)坑施工，噴錨網(wǎng)支護(hù)，寬6 m、高4 m，橫梁處設(shè)置長(zhǎng)度為3 m的φ22 mm砂漿錨桿。拱架成型后于拱頂處安裝20 cm×20cm的φ8 mm鋼筋網(wǎng)片和3 m長(zhǎng)的φ22 mm砂漿錨桿，制備適量C25混凝土用于該處的噴射作業(yè)，厚度按12 cm控制。

3.2.2 正洞上臺(tái)階施工

施工斷面尺寸為寬6 m、高4 m，先從右邊墻開始施工，再逐步向左邊墻推進(jìn)，過(guò)渡到坑每循環(huán)進(jìn)尺2 m，到達(dá)左邊墻后正洞拱頂成型，設(shè)置正洞上臺(tái)階鋼拱架，確保右邊墻落腳在拖梁上，左邊墻落腳在下臺(tái)階圍巖上。

在完成正洞挑頂上臺(tái)階的施工后，按照間隔循環(huán)的方式有序向進(jìn)口、出口處施工。以實(shí)際施工進(jìn)度為準(zhǔn)，跨過(guò)斜井?dāng)嗝?.2 m后，開始從斜井處向正洞處推進(jìn)，目的在于形成中臺(tái)階工作面。施工期間，若中臺(tái)階達(dá)到8 m則轉(zhuǎn)至下臺(tái)階施工環(huán)節(jié)，當(dāng)其達(dá)到10 m后施作仰拱，在較短的時(shí)間內(nèi)封閉支護(hù)體系，若無(wú)誤則開始施工正洞。

3.3 軟巖隧道快速施工及成套工裝控制

軟弱圍巖的施工以臺(tái)階法為主導(dǎo)，以銑挖機(jī)為主要施工設(shè)備，在預(yù)留土多級(jí)反壓的基礎(chǔ)上確保下臺(tái)階可一次成型，由此縮短中途間隔時(shí)間，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

3.3.1 參數(shù)控制

上臺(tái)階：挖機(jī)作業(yè)半徑、臨時(shí)初支臺(tái)架的尺寸均會(huì)對(duì)機(jī)械參數(shù)帶來(lái)較顯著的影響[1]，以該方面的情況為立足點(diǎn)，結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)，從技術(shù)可行性的角度展開論證，將上臺(tái)階的長(zhǎng)度設(shè)為5 m、高度設(shè)為3.5 m；

中臺(tái)階：結(jié)合濕噴機(jī)械手的基本特性（長(zhǎng)7.8 m、高3.28 m）以及上臺(tái)階的參數(shù)選定結(jié)果，確定中臺(tái)階的基本參數(shù)，高度H中=4.1 m、長(zhǎng)度L中＞7.5 m+10.5 m=18 m；

下臺(tái)階及仰拱：遵循一次開挖成型的原則，高度4.64 m、長(zhǎng)度≤12 m。

3.3.2 施工方法

以前述確定的各臺(tái)階尺寸參數(shù)（包含長(zhǎng)度、高度）為主要依據(jù)，為最大限度地降低圍巖的受擾程度，采取預(yù)留土多級(jí)反壓的方法。施工期間對(duì)各級(jí)臺(tái)階開挖面施加反向推力，目的在于提高該部分的穩(wěn)定性。相較于超短臺(tái)階法，項(xiàng)目所設(shè)置的臺(tái)階長(zhǎng)度可適當(dāng)增加，通過(guò)此方式降低各臺(tái)階的擾動(dòng)性影響；充分利用斜角反壓土，經(jīng)過(guò)修整后形成機(jī)械作業(yè)平臺(tái)，采用高性能的機(jī)械設(shè)備，達(dá)到高效施工的效果。挖機(jī)優(yōu)先對(duì)臺(tái)階中部開挖形成反壓土，再協(xié)調(diào)好生產(chǎn)要素，確保下臺(tái)階及仰拱可一次開挖成型，若無(wú)誤則及時(shí)噴射混凝土，盡早封閉成環(huán)。

3.4 軟弱圍巖變形的施工監(jiān)測(cè)及動(dòng)態(tài)化控制

軟弱圍巖隧道的施工環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)很有必要，引入先進(jìn)的信息技術(shù)，創(chuàng)建隧道監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)，在現(xiàn)場(chǎng)合理布設(shè)測(cè)點(diǎn)，根據(jù)所得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判斷圍巖變形的發(fā)生機(jī)理以及具體表現(xiàn)，從而獲得能較準(zhǔn)確反映實(shí)際情況的沉降量-時(shí)間曲線圖，以便用于預(yù)測(cè)在后續(xù)開挖過(guò)程中圍巖的最終位移值和各階段的變化速率及穩(wěn)定情況，詳見圖1。

圖1 監(jiān)控測(cè)量下地表沉降擬合曲線變化示意圖

為提高信息的流通效率，建立了反饋機(jī)制，打破信息溝通壁壘，以信息為工作指導(dǎo)，提高施工的可控性。表1為監(jiān)測(cè)施工中的量測(cè)頻率記錄。

表1 量測(cè)頻率

通過(guò)儀器檢測(cè)，變形數(shù)值復(fù)合要求。因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)和記錄對(duì)隧道的變形控制有極大的輔助作用。

4 結(jié)語(yǔ)

在軟弱圍巖地質(zhì)條件下開展隧道項(xiàng)目時(shí)難度較大，軟弱圍巖自身的穩(wěn)定性不足，加之施工的干擾，易出現(xiàn)大范圍變形的情況。本文從軟弱圍巖的變形原因切入，探討控制措施，希望所提措施的內(nèi)容可為類似工程提供參考，以提高軟弱圍巖特殊環(huán)境中的隧道施工水平。