松散围岩隧道力学特征及其超前支护措施研究

杨建周　谷松博　郁圣维

(蒙冀铁路有限责任公司，内蒙古呼和浩特　010010)



松散围岩隧道力学特征及其超前支护措施研究

杨建周谷松博郁圣维

(蒙冀铁路有限责任公司，内蒙古呼和浩特010010)

摘要松散围岩易发生掉块、坍塌和大变形，是隧道建设中难度最大而又经常遇到的一类围岩。介绍松散围岩的分类及其工程地质评价，研究松散围岩的力学特征，在此基础上提出松散围岩隧道超前支护的主要形式，并对不同形式的超前支护进行对比分析。

关键词松散围岩隧道力学特征超前支护

1松散围岩的力学特征

1.1松散围岩的分类

松散围岩是指结构比较破碎或者黏聚力比较小的岩土体，一般包括破碎围岩、未成岩的围岩、全风化围岩、砂层和砂砾层围岩、砂层黏土层互层围岩、黄土或黄土为主体的土质围岩、断层破碎带等构成的围岩等。

松散围岩不同于软弱围岩，软弱围岩的主要特征是“软”，即围岩的变形模量E比较小，如公式(1)所示，在同等应力状态下，软弱围岩的变形较大。因此，软弱围岩隧道出现的主要地质问题是大变形以及大变形引起的支护结构破坏。

(1)

松散围岩的主要特征是“散”，即围岩的黏聚力c比较小，如公式(2)和公式(3)所示，在同等应力状态下，松散围岩的抗剪强度和抗压强度都较小。因此，松散围岩隧道出现的主要地质问题是掉块、坍塌等强度问题。

(2)

(3)

根据围岩的坚硬程度，松散围岩可以分为两大类：坚硬松散围岩和软弱松散围岩(如表1)。

表1　松散围岩分类

注：表中Rc表示围岩中单个岩快的单轴饱和抗压强度；Kv为岩体的完整性指数；c表示围岩或者裂隙的黏聚力。

1.2松散地层的力学特征

(1)坚硬松散围岩

坚硬松散围岩是指岩石比较坚硬，但节理裂隙比较发育，岩体比较破碎，即岩石的变形模量E比较大，而黏聚力c比较小。这类围岩在隧道开挖后易发生掉块、坍塌等破坏，但是一旦超前注浆加固或喷射混凝土等初期支护施工完成后，围岩相互挤密，自承载能力迅速提高，隧道荷载将主要由围岩自身承担。初期支护和二次衬砌所受荷载较小，围岩和隧道的变形较小，而且变形主要出现在开挖初期，后期变形很小。针对这类围岩，隧道应采用柔性支护体系，充分发挥围岩的自承载能力，开挖前应进行超前支护，开挖后及时进行初期支护，待初支稳定后进行二衬浇筑。

(2)软弱松散围岩

软弱松散围岩是指岩石比较软，而且裂隙发育、结构破碎，即岩石的变形模量E和黏聚力c都比较小。这类围岩在隧道开挖后易出现围岩大变形以及由大变形引起的喷层开裂掉块、钢拱架扭曲，甚至二衬开裂。该类围岩自承载能力很小，支护结构承担的荷载将逐渐增大，直至达到隧道开挖前围岩的初始应力值。若支护结构不能提供足够的支撑力，围岩变形将随时间持续增大，并引起支护结构变形破坏。针对这类围岩，隧道应采用刚性支护体系，及时控制围岩的变形，开挖前进行超前支护，开挖后及时进行初期支护，二衬也应及时浇筑(如表2)。

表2　不同类型松散围岩的力学特征及其支护措施

2松散围岩隧道超前支护形式

不管是坚硬松散围岩还是软弱松散围岩，采用超前支护加固工作面前方围岩是松散围岩隧道施工的主要手段。目前，松散围岩隧道超前支护的主要类型包括地层注浆加固、超前管棚和水平旋喷桩加固。

2.1注浆加固

对于埋深不大，且地表地形比较平缓的松散地层，可以对隧道上方及隧道周边范围内的松散围岩进行注浆加固。一般来说，随着埋深的增大，对施工机具和注浆技术的要求随之增高，施工成本也随之增大。因此，地表注浆深度不宜过大，一般小于50 m，且根据松散地层土体的性质，采取合适的注浆材料和注浆方式。

松散围岩的注浆方式主要包括充填注浆、裂隙注浆、渗透注浆、脉状注浆、挤密注浆等，各注浆方式的浆液类型如表3所示。

表3　松散围岩的注浆方式及浆液类型

2.2超前管棚

超前管棚支护是沿开挖轮廓周线钻设与隧道轴线平行的钻孔，而后插入不同直径的钢管，并向管内注浆，固结管周边的岩体，在预定的范围内与钢架形成棚架的支护体系。

超前管棚对松散围岩的支护作用主要表现在管棚在隧道纵向上的梁效应，即在隧道纵向上构成管棚的每一根钢管，都类似于一根横梁，工作面前方围岩及后方钢拱架是横梁前后两端的支撑点，防止了围岩的松弛和崩塌。在隧道横向上，由于钢管与钢管之间存在间隙，所以管棚在隧道横向上的成拱效应并不理想，细颗粒的松散砂土以及地下水会从钢管之间的缝隙渗漏流出。因此，对于细颗粒的松散砂土或者极软岩以及富水地层，应增加超前小导管等辅助措施，或者选用水平旋喷桩等其它超前支护结构。

管棚通常可分为长管棚和短管棚。短管棚：长度小于10 m的小钢管，一次超前量小，基本上与开挖作业交替进行，占用循环时间较大，但钻孔安装或顶入安装较易。长管棚：长度为10～45 m，直径较粗，一次超前量大，单次钻入或打入长钢管作业时间较长，但减少了安装钢管次数，减少了与开挖作业之间的干扰。

2.3水平旋喷桩

水平旋喷注浆是利用机械进行钻孔，从钻杆前端喷射固化浆液(一般为水泥浆液)。同时，钻杆以一定速度边旋转边提升，高压射流使一定范围内的土体结构破坏，并强制与固化液混合，凝固后便在土体中形成具有一定性能和形状的固结体。高压旋喷桩法可分为单管、二重管、三重管和多重管等方法，其加固形状也多种多样。

水平旋喷桩对松散围岩的支护作用主要表现在水平旋喷桩在隧道横向上的拱效应，即在隧道横向上，水平旋喷桩相互咬合搭接，形成一个壳体支护结构，充分利用拱效应支护围岩，同时具有防渗止水作用。

水平旋喷技术由高压喷射注浆技术发展而来，在地层适应范围上，与高压喷射注浆基本类似。不仅如此，水平旋喷技术适应范围还受水平旋喷所采用的喷射方式(单管、双管、多重管等)影响。可适用于处理淤泥、淤泥质土、流塑、软塑或可塑黏性土，以及粉土、砂土、黄土、素填土和碎石土等松散地层。对于含大粒径块石、大量植物有机质、以及地下水流速过大和已涌水的场地，应根据现场适用结果确定其适用性。

3三种超前支护形式对比分析

为了对比分析地表注浆、管棚和水平旋喷桩三种超前支护对松散围岩的加固效果，采用FLAC3D数值模拟软件对各种支护进行模拟计算。以南宁至广州铁路大山头隧道为例，对比分析各种超前支护的加固效果。

3.1设计参数

南宁至广州铁路设计时速为250 km，双线电气化铁路。线路位于广东广西境内，全线共有隧道103座，特别是位于广东广西交界地区长度较短的隧道群，埋深浅，地质上多为花岗岩地层，且全风化层厚度大，施工过程中多次发生初期支护下沉侵限。

大山头隧道位于广东省云浮市郁南县平台镇，起讫里程IDK267+150～IDK268+028，全长878 m(不含19 m明洞)，最大埋深43 m，隧道内纵坡为单项上坡，坡度为4.004‰。洞身主要穿越第四系冲洪积层、第四系残坡积层、燕山中期花岗岩等，花岗岩全风化，呈饱和黏土状，结构松散，饱和单轴抗压强度Rc<30 MPa，围岩黏聚力c<0.5 MPa，围岩级别为V或VI级，为典型的软弱松散围岩。

2011年元月10日，隧道内正在进行下导支护作业，围岩初支出现异响。经观察，隧道初支发生开裂变形，上导拱部初支沿二衬接头处(IDK267+662)发生整体断裂下挫，初支己侵入净空1.6 m，地表出现坍塌错台，最大达2.4 m。

为了控制围岩变形，分别设计了地表注浆、管棚和水平旋喷桩三种支护方案，各方案支护参数如下。

(1)地表注浆

注浆范围为隧道中线两侧各16 m，地表面向下30 m范围内，如图1所示。注浆管采用φ70、厚5 mm的PVC打孔塑料管，管壁每隔15 cm交错布眼，孔眼直径为10 cm。注浆管间距1.5 m×1.5 m，梅花形布置。注浆浆液采用水泥水玻璃双液浆。为确保注浆效果，防止地下水下渗，对洞内部分段进行径向局部补注浆加固，加固圈为3 m，注浆材料为HSC。

图1　地表注浆加固范围(单位：m)

(2)管棚

采用φ108管棚，管棚长为20 m，布置在拱部120°范围内，管棚的环向间距一般为40 cm，外插角2°～3°。

(3)水平旋喷桩

水平旋喷桩直径600 mm，间距400 m，长度20 m，沿隧道开挖轮廓线环向布置在拱部120°范围内，水平旋喷桩旋喷压力45 MPa，浆液采用P·O425普通水泥。

3.2加固效果

通过对三种超前支护方案的数值模拟，得到三种支护形式下隧道拱顶、仰拱及工作面的变形，如表4及图2、图3所示，得到如下结论：

(1)采用地表注浆方案时，隧道顶拱最大沉降8.22 mm，隧道仰拱最大隆起变形10.81 mm，工作面最大鼓出变形4.34 mm。

(2)采用管棚方案时，隧道顶拱最大沉降6.15 mm，隧道仰拱最大隆起变形16.36 mm，工作面最大鼓出变形7.47 mm。

(3)采用水平旋喷桩方案时，隧道顶拱最大沉降5.20 mm，隧道仰拱最大隆起变形15.38 mm，工作面最大鼓出变形7.30 mm。

对比分析表明，水平旋喷桩支护下拱顶沉降变形最小，管棚次之，地表注浆加固下拱顶沉降大，说明水平旋喷桩支护对控制松散围岩拱顶沉降效果最好，管棚次之，地表注浆效果相对较差。由于水平旋喷桩和管棚支护只设置在拱部120°范围内，边墙及仰拱没有设置水平旋喷桩和管棚，因此，水平旋喷桩和管棚支护下仰拱隆起变形较大，分别为15.38 mm和16.36 mm，而地表注浆加固下仰拱的隆起最小，为10.81 mm。说明在极软岩地层，为了控制仰拱隆起变形，不仅在拱顶要设置水平旋喷桩或管棚，边墙及仰拱也需要设置。

地表注浆提高了工作面前方围岩力学性能，因此地表注浆加固下工作面鼓出变形最小，为4.34 mm，而水平旋喷桩和管棚支护下工作面鼓出变形分别7.30 mm和7.47 mm，说明地表注浆对控制工作面变形效果最好。如果采用水平旋喷桩或者管棚，则需要增加工作面锚杆，以控制工作面变形。对比分析水平旋喷桩和管棚两种支护形式，水平旋喷桩对拱顶沉降、仰拱隆起及工作面鼓出变形的控制效果优于管棚。不同超前支护类型的对比分析如表5所示。

表4　各工况开挖隧道围岩各项变形参数　mm

表5　不同超前支护类型的对比分析

图2　不同支护形式下围岩的竖直向变形

图3　不同支护形式下隧道工作面的鼓出变形

4结束语

松散围岩是指结构比较破碎或者黏聚力比较小的岩土体，一般包括破碎围岩、未成岩的围岩、全风化围岩、砂层和砂砾层围岩、砂层黏土层互层围岩、黄土或黄土为主体的土质围岩、断层破碎带等构成的围岩等。

根据围岩的力学性质，松散围岩可划分为坚硬松散围岩和软弱松散围岩两大类。坚硬松散围岩是指岩石比较坚硬，但节理裂隙比较发育，岩体比较破碎，即岩石的变形模量E比较大，而黏聚力c比较小，这类围岩易发生掉块、坍塌等破坏，围岩采用注浆等加固措施后自承载能力迅速提高。坚硬松散围岩隧道应采用柔性支护体系。

软弱松散围岩是指岩石比较软，而且裂隙发育、结构破碎，即岩石的变形模量E和黏聚力c都比较小，这类围岩易出现围岩大变形，围岩自承载能力很小，支护结构所受荷载较大。软弱松散围岩隧道应采用刚性支护体系。

注浆加固、超前管棚和水平旋喷桩是目前松散围岩隧道采用的主要超前支护形式，对比分析三种超前支护形式可知，水平旋喷桩支护对控制松散围岩拱顶沉降效果最好，管棚次之，地表注浆效果相对较差；但地表注浆对控制仰拱隆起和工作面鼓出变形的效果要优于水平旋喷桩和管棚。因此，在松散围岩，尤其是软弱松散围岩中采用水平旋喷桩和管棚时，不仅要在拱顶120°范围内设置水平旋喷桩或管棚，在边墙及仰拱也需要设置，同时应设置工作面锚杆，以控制工作面鼓出变形。对比分析水平旋喷桩和管棚两种支护形式，水平旋喷桩对拱顶沉降、仰拱隆起及工作面鼓出变形的控制效果优于管棚。

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收稿日期：2016-02-02

第一作者简介：杨建周(1966—)，男，2000年毕业于西南交通大学隧道与地下工程专业，高级工程师。

文章编号：1672-7479(2016)03-0028-04

中图分类号：U451+.1； U455.7

文献标识码：A

Mechanical Characteristics of Loose Rock Mass and its Advance Support for Tunnels

YANG JianzhouGU SongboYU Shengwei