李永乐
（中铁二十二局哈建集团三公司）
摘要：软弱破碎围岩对隧道大变形的破坏较为普遍，洞室开挖后围岩变形较大。对隧道施工状况以及变形机理分析表明：此软弱围岩需要采用预支护和加强初期支护措施来承载施工期间的主要荷载（全部土压力、部分水压力），以控制围岩变形，到达围岩平衡稳定。
关键字：软弱围岩 大变形 变形机理 支护措施
引言 隧道施工中大变形大多出现在地质情况较复杂的软弱围岩之中。国内外出现大变形的隧道屡见不鲜，比如陶恩（Tauern）隧道1970-1975修建，最大位移120cm，最大位移速度达20cm/d；现在牡绥铁路工程施工中的兴源隧道最大沉降量147cm，最大位移速度达14cm/d，隧道围岩表现为整体下沉，见附图二，严重威胁人身安全以及施工进度，增加工程预算。本文通过对之前隧道变形的工程经验以及对较成熟的理论研究，提出了加强预支护等相关措施将隧道变形控制在弹性变形阶段。
1 概述
兴源隧道隧道出口Ⅴ级围岩地段施工开挖揭示地层岩性为中生代白垩系下统（K1）炭质泥岩。隧道出口开挖掌子面多表现为潮湿、渗水，岩体为全风化状态，多呈粉末、泥状，极松散软弱，自稳能力极差；详见附图一《兴源隧道出口掌子面岩层照片》
附图一 《兴源隧道出口掌子面岩层照片》
监控量测数据显示：拱顶累积下沉均在40cm～50cm左右，最大沉降量发生在DK412+285-DK412+275段，此段围岩喷射混凝土出现剥落，并伴有不规则环向裂纹，裂缝宽8-36mm。施工预留沉降增加至60cm，监控量测数据显示最大沉降量147cm。（详见图三DK412+270净空断面图）
附图二 《兴源隧道出口DK412+276断面轮廓》
0.25000.2000DK412+270拱顶沉降速率分析图速率（m/d)0.15000.10000.05000.0000-0.05007月24日8月3日8月13日8月23日拱顶沉降速率9月2日9月12日日期 2011年
日期 8.232011.7.24-8.7-项目 8.13-8.22 -8.28.6 8.12 5 日最大沉降量（cm） 累计沉降量（cm） 上台阶施做里程 中台阶施做里程 下台阶施做里程 14 57 11 3 9 128 DK412 +253 8.26-9.22 2.5 147 DK412+251 备注 101 114 DK412 DK412+267 +259 DK412+259 DK412+275 DK412+308 DK412 +271 DK412 +292 DK412+260 DK412+282 DK412 +260 DK412+258 DK412 +272 DK412+265 附图三《DK412+270监控量测分析图》进尺里程以7.24、8.7、8.13、8.23、8.26日期为界点 2 隧道围岩变形影响因素
2.1 工程地质因素
在隧道围岩变形诸多地质因素之中，岩体的性质是内外动力地质作用的结果，主要以岩块的坚硬程度和结构特征表现出来。岩体强度主要取决于软弱结构面的抗剪强度，岩体的结构特征主要取决于结构面的发育程度。因此影响隧道稳定性的地质因素可以最终归纳为岩块的坚硬程度、岩块的完整程度、结构面性质和空间组合、地下水及地应力等。
对于兴源隧道的围岩情况，全风化的炭质泥岩，呈散体结构，结构面交错复杂。而散体结构岩层一般经受十分剧烈的构造运动后由断层泥、岩粉、压碎的岩石碎屑、碎块等组成，岩层走向和倾向变化极不规则。这类围岩强度低，几乎没有自稳能力。这种围岩开挖后，地应力重新分布，若没有及时且强有力地支护，围岩很快由弹性变形进入松弛变形，出现失稳现象。 2.2 设计及施工因素
隧道围岩失稳变形除了受地质条件的影响外，还受设计施工的影响。设计施工影响主要是指隧道的断面形状、尺寸、埋深、开挖方法、施工工序、支护形式等工程活动的影响。 2.2.1 断面形状、尺寸及埋深
对于相同类型的隧道，开挖空间越大，开挖时释放荷载越大，开挖后的二次应力也相应增大，导致围岩变形显著，而兴源隧道出口设计断面面积为143m³，因有预留量，实际开挖断面有169m³。兴源隧道出口软弱破碎的围岩，因其没有较大的抗力，故而软弱围岩受影响较大。隧道埋深对围岩变形的研究表明：埋深较浅的，水平主应力普遍大于垂直主应力，大变形数据模拟表明，受非静水应力场作用的隧道，当地应力水平足够高，对于软弱破碎围岩，最大位移方向将会与最大主应力方向正交，而不是与它平行，而兴源隧道目前还处于浅埋段，故而变形主要表现为拱顶沉降；埋深较深的围岩变形大多表现为两侧拱墙内移变形。 2.2.2 开挖方法
隧道开挖后由于应力重分布，应力场发生变化。施工中采用不同的开挖工法对开挖后围岩的二次、三次应力有很大的影响。针对软弱围岩一般采用分部开挖，优点是每次的应力变化不大，缺点是由于扰动次数过多，易造成围岩变形累计增加。由附图三可知，DK412+270断面上台阶新开挖后沉降量最大，中台阶、下台阶开挖到此时，下沉量会凸显，直至仰拱施作完毕成环后才趋于稳定。
2.2.3 支护结构
由于支护结构的作用，减小了围岩塑性圈的范围。因此，支护结构直接影响围岩的应力和变形，限制了隧道开挖引起的围岩变形，使收敛变形逐渐减小。破碎围岩开挖后自稳能力差，如果快速、及时的施加支护系统，可以迅速给松动岩体提供支护抗力，减小对深部岩体的传递，也能有效降低围岩的变形。 同时根据施工经验可得出，洞室开挖后支护结构在其应力、应变的变化特征与原始围岩平衡状态下岩性等方面相似，若要其洞室稳定，那么支护结构就要发挥原始围岩平衡状态时的力学要求及围岩特性。据此可以提出很多支护措施的理念。举例说明：洞室开挖后，围岩情况为：岩体风化不均匀，洞室中部岩石为强风化或弱风化，强度高，拱墙附近岩石强风化至全风化，岩石间解理面光滑且围岩较破碎，自身强度不高（中部岩石强度远大于拱墙岩石强度）；洞室未开挖之前岩体处于平衡状态，若山体内部压应力极大，而拱墙围岩由于岩体摩擦系数低等自稳能力较差，并且强度低的岩石无法承担其应力，所以中部强度较高的岩石地应力极大，此时中部岩石承担了稳定洞室平衡的关键。若开挖后为使其围岩稳定，那么该支护结构就要承担类同中部岩体的抗应力，如果支护结构强度低于原中部岩石强度就会出现初支开裂甚至拱架扭断等现象；此种围岩的支护措施可以增大拱墙围岩摩擦系数，改善拱墙围岩受力性，加强初支支护强度等。 2.2.4 施工工序
隧道主要施工工序，如开挖、初期支护、仰拱及二衬等工序是影响隧道变形的主要因素。隧道区岩体极易受到施工扰动而发生相应的变形。 2.2.5 邻近施工以及各部位距离
隧道初期支护后，变形逐渐趋于稳定，但由于受后期施工影响，围岩变形表现为小幅震荡变化特征。对于兴源隧道出口自稳能力很差的围岩受后续施工尤为显著，若仰拱与掌子面的步距过长，造成远离仰拱断面纵向变位大，引起周围地层的扰动，塑性区增大，使拱脚位置附近受力大而失稳。比如兴源隧道DK412+270段仰拱距离掌子面58m，以致洞室开挖后拱顶会迅速下降，围岩变形压力迅速转化为松弛压力，围岩进入松弛状态，及很快从非稳定平衡状态进入失稳状态。 2.2.6 时间因素
有研究表明：围岩开挖后与时间等有着函数关系。对于软弱破碎的围岩，特别是粘土质岩、泥岩等有明显的流变性质。洞室开挖后会有明显的拱顶沉降；原始围岩随着时间的增加，风化程度也会随着围岩与温度、湿度接触后加剧。详见附图四.
附图四 Ⅳ、Ⅴ级围岩稳定距离/时间正态分布参数
类别
Ⅳ级围岩上台阶 Ⅳ级围岩下台阶 Ⅴ级围岩上台阶 Ⅴ级围岩下台阶 注：
o/m 77.90 42.12 87.11 54.03 o/m 32.78 19.07 42.70 26.33 o/d 45.80 21.00 46.05 31.42 o/d 22.32 8.27 19.53 9.81
o为位置参数，o为标准参数。
从上面可以得出仰拱、二衬与掌子面的距离要求以及施做完毕的时间要求。
3 隧道围岩变形支护原理及技术
3.1 隧道预支护原理
隧道稳定基本原理：“充分发挥围岩的自承能力、保持平衡稳定、基本维持原始状态”是目前隧道建设的指导思想。对于隧道开挖施工过程，我们可以理解为：基本维持围岩的原始状态和充分发挥围岩的自承能力，到达全过程平衡稳定，使地下工程开挖与支护过程消耗能量最小。
根据预支护原理，其实质是初期支护要强，承受部分水压和全部土荷载，二衬作为安全储备，初期支护和二衬共同承担特殊荷载。 3.2 围岩变形支护技术措施
支护设计和施工控制的基本要求是：因势利导，控制塑性变形区域的扩展，从而降低了围岩应力的集中程度，并使应力集中区向围岩深部转移，有利于减小围岩变形。根据围岩特性与支护结构的关系，下面根据围岩变形的因素以及预支护原理提出以下的支护措施：
（1） 隧道断面要预留足够的变形量，允许围岩产生一定的变形。
（2） 围岩钻爆采用“多打眼，少放药”的原则。软弱围岩隧道多采用台阶法施工，上台阶施工时，拱
部采用光面爆破，岩石自重有利于周边眼的开裂，降低炸药消耗，降低耗能，有利于围岩保持原始状态，减少了对围岩的扰动。
（3） 多重支护。软弱围岩变形量比较大，此种围岩应采用先柔后刚的双层初期支护形式。开挖预留量
调为60cm，一层柔性支护，使围岩有一定的变形，适度释放岩体应力和卸压作用；初期支护完毕后，围岩沉降收敛到达25cm或喷射混凝土开裂后，实施第二次刚性支护，补喷混凝土，控制变形，保持岩体不致失稳。详见附图五。而过早的支护第二层支护，若地应力较大，很可能致使两层支护开裂的现象.详见附图六。同时根据围岩情况，若围岩呈散体结构无自稳能力的，且日沉降量较大，那么可以增大预留量，缩短上台阶长度，控制在3米左右，若围岩变形速率过大要据现场情况及时支护.见图七。考虑到上台阶拱脚薄弱位置以及施工经验，双重支护建议一次性支护到中台阶。
已做仰拱或二衬520m二次刚性支护310m一次柔性支护
附图五 《 二次支护示意图》
（4） 控制工序间隔距离。目前软弱围岩开挖多采用台阶法，根据结构力学分析以及施工经验表明，上
台阶长度为一个洞径较好，即控制在7～10m左右；中、下台阶开挖两侧相互错开3～4m。为了因应力分布不均匀而产生失稳现象，中、下台阶避免在同一侧开挖施工，同时中、下台阶距离控制在8～10m范围左右。目前兴源隧道开挖部位按此进行施工，取得了较为显著的效果，沉降量减小；对于变形量大的隧道，必须保证仰拱与掌子面的距离控制在40m范围以内，如果距离过大，会因纵向拉力增加对上台阶拱脚位置产生不利影响，导致沉降加大。根据附图四数据显示，上台阶稳定距离在80m左右，所以二衬施作控制在距掌子面80m以内。但如果采取支护措施围岩仍不稳定的应提前施作二衬，且应予加强。
（5） 控制关键工序间隔时间。隧道开挖、出渣、初期支护、仰拱和拱墙混凝土衬砌等，是控制施工的
关键环节，根据施工情况，开挖一般为4h，出渣2h，初期支护11h，仰拱施作24h，拱墙施作需要3d。可知：上台阶一个循环约为17h。若衬砌类型为Ⅴb，钢架间距为0.6m，上台阶每进尺为一榀，按仰拱距离掌子面为35m计算可知：35÷﹙24÷17*0.6﹚=41d。仰拱施作6～7d强度达到设计强度的75%，监控量测数据表明：软弱围岩仰拱施作后一周之后沉降趋于稳定。此数据与表1中稳定时间相吻合。就目前兴源隧道而言，仰拱施作过早，对没有稳定的下台阶形成较大的抗力以及剪切力，造成了喷射混凝土的脱裂现象。因此严控上台阶进尺，在保证仰拱与掌子面安全距离的同时，控制仰拱施作时间，对兴源隧道软弱围岩的稳定非常重要。
（6） 创新工艺。兴源隧道创新工艺：在超前小导管内填塞锚固剂并插入φ22螺纹钢筋，在型钢中部按
标准间距钻孔。其效果明显,抗弯变形的能力得到加强，最大挠度仅为3cm，拱部下沉较小；结合
结构力学，隧道拱脚位置为受力薄弱环节，因此可以考虑在上、中台阶的拱脚处增设“大拱脚”或在相邻两榀拱架拱脚处增设纵向工字钢连接，前者增大了受力面积，后者形成类似“板梁”，
使拱架成为一体，共同起到抗力作用。见附图八。
（7） 圆形开挖断面。当埋深较大时，地层中水平构造应力较大，根据地下工程结构理论，圆形断面要
比扁圆断面更能有效地将地应力分解消耗。
（8） 二衬支护加强。通过案例可知，对于变形较复杂的岩体，二衬可以通过增厚或加筋等使其得到强
化并及时施加，对围岩施加高强度的支护。
以上支护措施印证了隧道采用“短进尺、弱爆破、强支护、早成环、勤量测、衬砌紧跟”的施工原则，实现“发挥围岩自承能力”、“保持平衡稳定”、“基本维持围岩原始状态”的基本目标，以达到控制软弱破碎围岩变形稳定的最终目的。
参考文献
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