隧道软弱围岩变形机制及控制技术应用研究

闫立来

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

随着我国经济的快速发展，我国的基础设施建设也有了巨大成就。而在我国大规模隧道建设中，由于软弱围岩的存在，使得在修建隧道时出现围岩变形大、易发生坍塌的现象，大大减缓了施工的进度，严重制约着工程的工期，因此软弱围岩隧道的设计和施工一直成为隧道建设中的难题[1]。现一工程实例：某隧道设计为双线单洞隧道，隧道的开挖断面为80 m2左右，隧道长2880 m；在地势上隧道的进口较低，出口高，相对高差达160 m，隧道最小埋深处为7 m，地形起伏较大，地表上沟谷发育，下切较深，表1为围岩土层物理参数表。在开挖时发现，隧道所处地层不遇水时较为密实，稳定性好，但是一旦遇到水就具有塑性流变状态，软化现象明显，使得承载能力急剧降低，而且卵石土层填充差，没有胶结，出露后极易引起滑塌，使得还没来得及做好初期支护，围岩已经发生溜塌。为了解决该工程中软弱围岩施工速度慢和易发生滑塌的问题，结合工程实例，本文拟采用相应控制技术进行超前处理，分别从软弱围岩变形机制、控制方案设计、施工工艺及控制效果分析等方面进行应用研究，以期为相关工程提供指导作用和借鉴意义。

1 软弱围岩变形机制

软弱围岩具有其自身的特点，如易风化、强度低、软弱面多、胶结程度差等；从力学角度来讲软弱围岩的单轴抗压小于25 MPa，通常这类岩石包括千枚岩、泥岩等；从软弱围岩的组成上来讲，松散软弱岩层通常含有膨胀性黏土矿物、泥质等。要了解软弱围岩的变形机制[2]，需要先对软弱围岩的变形特征和强度特征进行研究。

1.1 变形特征

对软弱围岩隧道的变形特征的研究，可以有效针对变形的规律来进行技术控制，主要包括以下几点：

a）塑性变形是隧道在开挖时极易产生的现象，尤其是在初期其变形量较大，而且变形速率也大。经实测数据表明，该隧道在开挖时软弱围岩洞壁位移可以达到数十厘米，而且在初期支护时会发生严重的破裂，位移值甚至会达到100 cm。

b）变形持续时间长。由于软弱围岩蠕变的结果，其在开挖后的很长一段时间内，支护或衬砌上的压力一直在变化。例如页岩和泥岩等变化非常明显，通常没有规律；相反如砂岩等坚硬的岩石，其达到变形稳定仅需要很短的时间，蠕变变形很小，图1为软弱围岩和坚硬围岩蠕变特征的区别。

图1 软弱围岩和坚硬围岩蠕变特征

c）隧道初期开挖时会产生塑性变形，如果采取错误的支护方式或者支护效果不佳时极易产生塑性区，随着软弱围岩周边应力的变化塑性区不断发展，最终会使得围岩在很短时间内与支护结构接触产生巨大压力，很有可能使得变形不断发展致使支护发生破坏，造成严重后果。

1.2 强度特征

通常围岩完整性越好，其强度越大，而软弱围岩通常较为松散或完整性差，故对软弱围岩强度特征的研究工作，对在今后工程中遇到的软弱围岩而采用的针对性控制方案能起着很好的指导作用。对于软弱围岩，其强度特征包含以下几个方面。

a）在其他条件相同时，构成围岩的岩石强度与围岩强度有着线性关系，即岩石强度越大，则围岩的强度越大。

b）地下水一直是软弱围岩强度影响较为严重的因素。由于软弱岩石的特殊性，当其遇到地下水后，会对岩层的物理性质、力学性能等产生很大影响。在物理性质方面，当遇到地下水后，其含水量逐渐上升，泥化和软化现象严重，岩层的状态也从固态最终向塑态转化；在力学性能方面，由于岩层状态改变，大大降低了其黏聚力，增大了围岩的变形，最终使得软弱围岩的强度降低。

c）当围岩中存在断层、挤压破碎带等控制性软弱结构面时，结构面的产状和强度会直接影响到隧道围岩的强度。

1.3 变形机制及控制原则

围岩的变形机制一般有多种情况和多个方面，这主要由岩石的复杂性决定的，多数情况下变形机制主要可以分为以下两个方面。

a）材料变形机制。当围岩变形时通常是经过弹性变形、塑性变形及黏性变形来实现材料变形的一系列过程，故材料变形主要包括这3种变形。

b）岩层结构变形。层状围岩的弯曲变形、软弱夹层的挤出变形、块状围岩的滚动变形以及土砂围岩的挤密或者松弛变形及结构面的滑动变形均为岩层结构变形的形式。

在控制变形围岩总变形的前提下，应该根据具体的原则来控制不同类型的围岩变形，具体见表2。

表2 不同类型围岩的变形控制原则

2 控制方案设计

为了解决该隧道软弱围岩即将造成的滑塌危害，并增加隧道施工的安全性，采用初期支护结合超前支护的方式对该隧道进行处理，开挖采用快挖快支的台阶法施工。

为更好控制超前变形量，超前支护采用水平旋喷桩进行超前支护，桩径为60 cm，桩间距设置为40 cm，桩长为18 m；另外掌子面采用长18 m、孔间距1.5 m梅花型布置的玻纤锚杆旋喷桩。

初期支护采用Ⅰ25a工字钢，设置的间距为50 cm；C30喷射混凝土厚33 cm，钢筋网采用φ8钢筋，网格的尺寸为20 cm×20 cm。要注意在每一台阶开挖后立即用喷射混凝土封闭掌子面，随后及时施做初期支护。

必要时要打设超前小导管，布置位置按照隧道拱顶120°范围内均布，环向间距为40 cm，型号采用φ42、δ=4 mm且长度为4 m的导管。

3 施工工艺

在软弱围岩施工时，结合该隧道实例施工情况，为了更好地在该隧道中采用台阶法[3]对软弱围岩进行施工，超前支护采用水平旋喷桩超前支护工艺，掌子面采用玻璃纤维锚杆加固桩工艺对隧道进行加固处理，同时结合锁脚旋喷桩工艺减少沉降。图2为常用超前支护方式的分类。

图2 超前支护分类

3.1 水平旋喷桩超前支护工艺

由于水平旋喷超前支护可以采用专用的机械进行施工钻孔，可以实现多面层及大断面的开挖，减少施工时间并提高效率，同时对机械回转钻杆速度的设定可以有效增加开挖时的安全性，并实现高压喷射水泥和切削围岩的改良效果施工方法。同时为了保证初期支护[4]的稳定性，在钢架拱脚地层专门设计了拱脚桩以控制沉降，再加上水平玻璃纤维旋喷注浆能够形成连续的改良体，使其具有较好的加固效果。从水平旋喷注浆的机理分析，该注浆方式不仅可以增强桩体之间的咬合力，而且通过有效挡泥挡水的方式维护成桩，很好地改善了流沙掏空现象。

3.2 掌子面玻璃纤维锚杆加固桩工艺

掌子面是隧道开挖不断向前推进的工作面，图3为掌子面的推进和变形概念图。掌子面玻璃纤维锚杆加固桩施工顺序如下：放线定位→钻孔→旋喷、下锚杆→浆液配制→喷浆。

图3 掌子面的推进和变形概念图

在成桩时要对以下几个方面进行严格控制以保证质量：桩径设计值、临桩咬合情况、桩体是否侵线及桩体强度等，在具体施工时还要考虑不同旋喷压力、后退速度、浆液配比、钻杆转速等因素，同时为了达到最佳的效果，需要根据实际的施工环境调整各种指标和参数。另外在施工时要考虑以下几点施工技术[5]要点。

a）采用钻机钻孔到设计深度后，为了有利于锚杆锚固，需要进行旋喷加固，为有效控制旋喷压力扩散区域，保证旋喷后不影响掌子面的稳定状态，根据加固范围选用的旋喷桩直径为400 mm，加固的孔底为15 m，同时旋喷顺序原则上采取由外到内约束-发散、集中性的方式。

b）为方便进一步的施工，在孔底旋喷段施做尽量采用φ400 mm加固体，为了保证加固效果，必须将玻璃纤维下至旋喷桩孔底，同时需要严格检查其是否到底，若未到底应采用扩孔方式到底，为防止串浆和漏浆现象，应采取间隔跳孔施工。

3.3 锁脚旋喷桩工艺

锁脚旋喷桩的打设是为了保证开挖过程中拱架落脚处围岩的稳定性，采用的锁脚旋喷桩桩径为60 cm，打设的方向范围是隧道两侧下方32°～46°，同时打设的位置在中、下台阶拱脚处。为了使桩体的抗弯、抗折能力以及韧性得到增强，应该在旋喷后埋设用槽钢焊接成整体的钢管和拱架，从而使拱架在软弱围岩中找到着力点，并达到减小压强和减缓沉降的目的。

3.4 降水工艺

由于软弱围岩的岩层中存在粉细砂层，该岩层的自稳性差，当其遇到水后会产生流沙现象，从而引起整体沉降和安全隐患，故在粉细砂层中降水措施是非常关键的部分，在无水情况下可以减弱流动性，自然塌落程度也会明显减小。由于软弱岩层中渗透系数小，为了达到在该岩层中良好的降水目的，采用轻型井点、超前真空孔及垂直深井3种降水方法处理，称为三级降水法[6]。同时为保证后续施工的降水效果，需要辅助利用真空泵形成负压以达到降水向外排泄的目的，从而保证整个降水系统处于密封的情况。

4 控制效果分析

a）从实际工程看，通过采用水平旋喷桩超前支护、掌子面玻璃纤维锚杆加固桩工艺，经现场检测发现，在软弱岩层中尤其是粉细砂层内成桩情况良好。在施工的旋喷压力下仅有个别桩位呈椭圆形，并没有断桩的情况出现，表明施工效果基本符合设计要求，同时旋喷桩的咬合情况也良好。

b）结合该隧道施工后的监测数据，经过锁脚旋喷桩工艺加固处的初期支护变形量均在允许范围内，表明锁脚旋喷桩工艺可以有效减小初期支护的变形量，同时保证开挖施工的安全性。

c）通过降水工艺，在实施过程中发现经过三级降水的相互结合以及真空泵辅助封闭作用，在实际施工开挖作业时均无水，表明抽压密封性好，同时三级降水的效果明显。

在整个隧道施工过程中，软弱围岩段并未出现因为变形破坏的现象，表明初期超前支护效果和变形控制效果良好。根据监控量测的变形资料显示，取代表性测点测量其拱顶下沉位移变形，具体曲线图见图4。

图4 隧道代表性测点拱顶下沉量监测曲线图

从图4可知，量测位移只有18 mm，表明采用的超前控制技术不仅控制了围岩的变形，而且明显减少了拱顶沉降量，同时缩短了施工时间，提高了效率。

5 结语

结合工程实例，为解决隧道中软弱围岩施工速度慢及易发生滑塌的问题，采用相应控制技术进行超前处理，分别从软弱围岩变形机制、控制方案设计、施工工艺及控制效果分析等方面进行应用研究。结果表明：超前控制技术不仅控制了围岩的变形，而且明显减少了拱顶沉降变形量，实现了软弱围岩中采用台阶法施工的可能，加快了施工速度，为相关工程提供了指导作用和借鉴意义。在针对不同工程采用该法时，要结合具体地质条件及其他条件要求具体分析，以便达到最佳效果。