胡智軍HU Zhi-jun

（葛洲壩集團第一工程有限公司，宜昌443002）

0 引言

近些年，隨著我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，國內(nèi)的隧道施工技術(shù)也不斷得到提高，并逐步走向成熟。同時，為適應(yīng)快速發(fā)展的經(jīng)濟建設(shè)，在大量市政工程、公路建設(shè)及鐵路建設(shè)等工程中常會遇到各種類型、不同長度的隧道，其中包括高地應(yīng)力軟巖隧道，在該類隧道的建設(shè)施工過程中，變形控制方法則是整個工程的重點和難點。

1 高地應(yīng)力軟巖隧道的地質(zhì)特性及其變形特點

1.1 高地應(yīng)力軟巖的地質(zhì)特性 ①通常隧道都比較深，在高地應(yīng)力或極高地應(yīng)力場中，圍巖的圍壓比較大；②在抗壓強度方面，巖體非常軟弱，其單軸抗壓強度非常差，本身不具有可靠的承載能力；③圍巖一旦被開挖暴露在空氣中，風(fēng)化速度較快，若支護不及時便會發(fā)生較大形變；④圍巖的防地下水滲透能力較差，雖然部分圍巖在開挖當(dāng)天未發(fā)現(xiàn)有地下水滲出，但1～2天后可見大量地下水滲出。

1.2 高地應(yīng)力軟巖的變形特點 ①變形快：因巖體非常軟弱，自身的承載能力很差，再加上高地極大的應(yīng)力作用，若不及時采取支護措施，圍巖便會快速變形，其變形速率最高可達30mm/d。②變形大：這是因為圍巖受到較高的地應(yīng)力作用，開挖后的隧道會快速釋放地應(yīng)力，并且圍巖變形后的作用力作用在支護上，使支護產(chǎn)生較大變形，其變形量通常均不低于30cm，因此，當(dāng)初期支護出現(xiàn)較大變形后，應(yīng)及時對支護進行加強，以防止初期支護繼續(xù)變形而失穩(wěn)。③變形收斂慢：這是因為圍巖自身的承載能力很差，無法形成自穩(wěn)拱，僅在支護的作用下而得到支承，再加上圍巖釋放應(yīng)力極其緩慢，使得支護在較長的一段時間內(nèi)不能收斂。

2 高地應(yīng)力軟巖隧道圍巖分級

高地應(yīng)力軟巖隧道的設(shè)計與施工技術(shù)要求已超出了國內(nèi)現(xiàn)行的有關(guān)隧道技術(shù)規(guī)范的范疇。《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》（TB10003-2005）中，對于V、W級圍巖單線隧道，規(guī)定初期支護的拱腳水平相對凈空變化量最大為0.2%～5.0%，而對于雙線隧道，其最大為0.1%～3.0%?？梢姡\用現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)對高地應(yīng)力軟巖進行分級是不適用的，所以要針對高地應(yīng)力軟巖隧道，重新制定圍巖的分級標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 地應(yīng)力分級在國內(nèi)及國際上，地應(yīng)力的分級并沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，其分級方法主要包括3種：①數(shù)值法：根據(jù)地應(yīng)力的大小，對數(shù)值進行分段，將其分為若干個等級，如：工程中當(dāng)?shù)貞?yīng)力高于20～30MPa時，稱之為高地應(yīng)力。②應(yīng)力比法：計算出水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力數(shù)值的比，根據(jù)其比值進行分級。如：比值在1～1.5時，定為普通地應(yīng)力；比值在1.5～2時，定為較高地應(yīng)力；當(dāng)比值大于2時，定為高地應(yīng)力。此分級方法包含了水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力兩方面因素。③強度應(yīng)力比法：取巖石的單軸抗壓強度與水平主應(yīng)力最大值的比值來分級，即：Rb/σmax，此分級方法強調(diào)了巖體的抗壓能力。

2.2 高地應(yīng)力軟巖隧道圍巖分級標(biāo)準(zhǔn) 在高地應(yīng)力軟巖隧道的設(shè)計與施工過程中必須要依據(jù)圍巖的分級級別。常見的高地應(yīng)力軟巖有沉積巖和變質(zhì)巖兩種，其中，沉積巖包括：砂巖、泥巖、凝灰?guī)r、頁巖及碳質(zhì)頁巖等，變質(zhì)巖包括：碳質(zhì)板巖、板巖、碳質(zhì)千枚巖、千枚巖等。根據(jù)地質(zhì)的構(gòu)造、巖層厚度、巖層走向、隧道洞軸線夾角、巖石類別等，同時結(jié)合高地應(yīng)力檢測結(jié)果及其它類似隧道的成功經(jīng)驗，并以27cm的C25噴混凝土及間距1榀/m的120鋼架對初期支護進行變形量預(yù)測。

3 高地應(yīng)力軟巖隧道變形控制方法

3.1 準(zhǔn)確的地質(zhì)預(yù)測 準(zhǔn)確的地質(zhì)預(yù)測能夠提前預(yù)知實際的地質(zhì)特性，地質(zhì)特性主要包括圍巖特性及地下水情況，其中圍巖特性包括：圍巖容重、彈性模量、內(nèi)磨擦角及單軸抗壓強度等，通過圍巖的特性曲線、地下水分布情況及支護的特性曲線（即支護結(jié)構(gòu)的臨界失效點）計算出允許變形量，從而制定出施工方案，并確定支護參數(shù)，以達到對高地應(yīng)力軟巖變形的有效控制。支護特性曲線如圖1所示。

圖1 支護特性曲線示意圖

3.2 支護結(jié)構(gòu) 國內(nèi)現(xiàn)行的隧道支護結(jié)構(gòu)大多為圓形、橢圓形、三心或五心圓、馬蹄形，采用有限元方法對受地應(yīng)力作用的支護結(jié)構(gòu)進行分析，不同結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力及應(yīng)力傳遞均大不相同，根據(jù)圓形的結(jié)構(gòu)特點，其內(nèi)部應(yīng)力分布最為均勻，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力傳遞也最為理想，不存在應(yīng)力集中的薄弱環(huán)節(jié)。同時結(jié)合國內(nèi)處隧道工程設(shè)計與施工積累下的工作經(jīng)驗，對于以水平應(yīng)力為主的軟巖，其支護結(jié)構(gòu)選用圓形或橢圓形最為合理，而對于存在活動性水平應(yīng)力的軟巖，其支護結(jié)構(gòu)應(yīng)選圓形。合理的支護結(jié)構(gòu)能夠有效避免支護受力不均，并有效控制變形量。

3.3 施工方法

3.3.1 開挖 對于高地應(yīng)力軟巖應(yīng)采用短臺階開挖方法，同時還要依據(jù)圍巖的特性及斷面面積判斷核心土的預(yù)留與否。臺階不宜過多，臺階過多時會相應(yīng)地增加圍巖的擾動次數(shù)，因此，臺階應(yīng)為上、下臺階，以降低對圍巖的擾動。采用臺階法的目的是為了快速地進行支護，而全斷面法在時間上無法進行快速支護。在采用臺階法開挖時，臺階的高度及長度應(yīng)依據(jù)現(xiàn)場施工配套設(shè)施及所用支護的外開尺寸來定，通常臺階高度宜為2.5～4.5m，長度宜為5～15m。

3.3.2 支護 強支護在高地應(yīng)力軟巖隧道施工中應(yīng)用可有效控制圍巖變形，可以做到立竿見影。在充分了解到監(jiān)控量測數(shù)據(jù)、圍巖特性及地下水情況的前提下，根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)測結(jié)果對支護參數(shù)進行確定，并對支護參數(shù)進行進一步調(diào)整（如超前支護、初期支護及二次襯砌），從而達到圍巖變形有效控制的目的。

對于工程地質(zhì)為高應(yīng)力軟弱圍巖，早封閉技術(shù)至關(guān)重要，可以說是強支護的基礎(chǔ)。這就要求我們合理地控制上、下臺階間的距離，仰拱與掌子面下斷面的距離，二次襯砌與掌子面下斷面的距離；而這些距離的確定主要根據(jù)圍巖質(zhì)量（Q）與距離的關(guān)系（其關(guān)系如圖2所示）、監(jiān)控量測反饋的各種信息與距離的關(guān)系 [日變形速率與距離的關(guān)系（其關(guān)系見圖3）、允許變形量與距離的關(guān)系]、施工運輸方式（有軌運輸或無軌運輸）與距離的關(guān)系和機械配套（不同的機械配套需要的作業(yè)空間不同，不同的機械配套其作業(yè)循環(huán)時間也不同）與距離的關(guān)系。總結(jié)近年來國內(nèi)外高地應(yīng)力下軟弱圍巖施工各工序間的間距，得出:仰拱與掌子面下斷面的距離一般為10～30m，二次襯砌與掌子面下斷面的距離一般為30～80m。在圍巖變形控制過程中，施作到位同樣也尤為重要。在施工過程中，每個環(huán)節(jié)都必須按設(shè)計要求做到施工到位，特別是關(guān)鍵部位和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如錨桿的尺寸和數(shù)量、錨固錨桿的質(zhì)量，噴射混凝土強度及施工厚度是否達到要求，鋼支撐是否貼實、鋼架與圍巖是否有空隙、連接板是否牢固，鋼筋連接是否可靠等?？梢娛┕さ轿煌瑯邮怯行Э刂茋鷰r變形的關(guān)鍵。

圖2 圍巖質(zhì)量（Q）與距離關(guān)系示意圖

圖3 變形速率與距離關(guān)系示意圖

4 結(jié)語

高地應(yīng)力軟巖隧道施工應(yīng)做到“巖變我變”，要根據(jù)圍巖的實際變化情況對施工方法及支護參數(shù)進行及時合理的調(diào)整，以有效控制圍巖變形。雖然在地質(zhì)的超前預(yù)測環(huán)節(jié)中可以借助于紅外線探水儀法、聲波法、電磁波法及地震波法等先進的地質(zhì)探測方法，但目前采用上述單一的任一種預(yù)測方法均缺少足夠的準(zhǔn)確性，因此，我們一方面要進一步提高超前預(yù)測的準(zhǔn)確性，另一方面還要結(jié)合相應(yīng)的工作經(jīng)驗，加強實踐，及時掌握圍巖的變化情況及特性，以制定出合理的圍巖變形控制措施。

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