软弱围岩隧道变形规律与施工要点分析

摘要：某铁路隧道工程所处地层为粉砂质泥砂岩和碳质灰岩，受断层和古岩溶的影响，岩面会出现比较大的起伏。文章以实际工程为例，对软弱围岩隧道变形的基本规律进行了分析，根据施工现场得到的监测信息，对支护参数和施工方案进行调整，保证隧道施工的顺利开展，降低了施工成本。

关键词：软弱围岩；隧道变形规律；施工要点；铁路隧道工程；支护参数；施工方案 文献标识码：A

中图分类号：U455 文章编号：1009-2374（2016）27-0115-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.27.054

1 案例介绍

某铁路隧道工程所处地层为粉砂质泥砂岩和碳质灰岩，两套地层整体上呈角度不整合接触。受断层和古岩溶的影响，岩面会出现比较大的起伏，在255～288m标高两套地层交错位置岩溶沟发育，缺乏统一的交界面，溶沟中需要填充软塑状黏性土，围岩中含水率比较高，地层比较软弱。

2 软弱围岩隧道变形机理的有效分析

2.1 从岩体蠕变发展阶段进行分析

2.1.1 初始蠕变阶段，在此阶段蠕变的实际速率会随着时间的变化而出现下降，岩体以缓慢的速度向开挖空间移动，直到蠕变后期岩体蠕变会慢慢保持稳定

状态。

2.1.2 等速蠕变阶段，岩体蠕变趋于稳定后即达到等速蠕变过程，在此阶段蠕变总量会持续增加，而且岩体也会产生不同程度的裂缝现象。

2.1.3 加速蠕变阶段，当岩体出现稳定的扩展后即到达加速蠕变阶段，这时岩体蠕变速率处于最大化状态，而且岩体内的裂缝现象也会加剧，使围岩的整体结构被破坏。

2.2 从长期强度观点层面进行分析

由于流变特性的影响使得软弱围岩的强度随着时间的变化而出现下降趋势。据相关报告显示，围岩强度与时间的关系曲线见图1所示，从图1中可明显地看出随着时间的变化围岩强度在持续下降，当达到某一临界时间时围岩强度趋于稳定状态，从中也说明了围岩的长期强度值是影响巷道围岩稳定性的关键因素。

岩体自身强度会随着时间的变化而受到损害，再加之岩土体在蠕变过程中自身也会发生不同程度的变形现象，所以岩土体的蠕变损失主要取决于两方面的因素：

2.2.1 变形损伤是指岩土体出现持续地变形而对自身结构所造成的伤害。

2.2.2 时间损失效应是指随着时间的推移，岩土体出现的损伤程度。

2.3 从岩体能量释放角度分析

按照岩石流变性特征，围岩流变回弹能量与时间的变化关系如图2所示。隧道开挖初期围岩的回弹量最大，以后随着时间的变化，回弹能量也呈现出下滑趋势，当达到某一临界时间后回弹能量趋于稳定状态，即为wf。

围岩蠕变造成岩土层内部结构出现裂缝，随着裂缝的不断扩大造成围岩强度降低。

3 软弱围岩变形控制工艺措施

3.1 超短台阶

借助超短台阶可减小初期支护闭合所需的时间，尽可能地减少支护结构变形现象的发生。

3.2 核心土

按照施工掌子面的实际状况对核心土的大小进行适当调整，而且已做出明确规定核心土的面积应大于掌子面面积的一半之多。待掌子面稳定到位后即可对两侧边墙进行开挖。

3.3 超前支护

通常情况下超前支护有两种方式：（1）超前小导管；（2）超前管棚。设置超前支护的目的在于对前方围岩起到一定的保护作用，从而有利于后续施工的顺利实施。

3.4 锁脚

对于地基较为松软的区域，重视锁脚施工可大大增强地基的稳定性。

3.5 垫块、槽钢

垫块、槽钢的功能与扩大基础基本相同，它一方面可提高拱脚自身的承载力；另一方面也能尽量避免岩土层出现变形现象。

3.6 临时仰拱（横撑）

在施工中对极易变形的区域在处理中可采取闭合的方式进行有效施工，以增强结构的稳定性，降低变形等不良现象的发生。

3.7 上下台阶均衡推进

在施工中作为管理人员应做好协调与规划工作，增强施工的成效性，为顺利竣工做出一定的指导。

4 充分运用监控量测方式，保障施工安全运行

4.1 测点的有效埋设

为了方便后期施工人员进行综合比对分析，所选择的测量点应处于同点设置如图3所示：

4.1.1 隧道洞内水平收敛测点。与各洞室地表测点的布置方式相类似隧道上下台阶洞内水平收敛测点也可采取相同的方式进行布设，测点加工时应确保测点与仪器紧密接触，并且要采取统一的编号，以便于后期检查。为了避免人为因素所带来的损害，施工人员可将测点设置在开挖面周围一定距离内，在进行下一阶段开挖前需进行全面记录，求出有效的数值进行分析。

4.1.2 拱顶下沉测点。拱顶下沉测点的位置与上台阶净空收敛测点处在同一水平面上，在埋设时应确保测点锚栓与围岩支护处于稳定状态。测点应与开挖面保持一定的距离，并做好细致、全面的记录，待第二阶段开挖完成后求其平均值。

4.1.3 应力应变量测。应力应变量测主要包含两方面内容：（1）围岩与初期支护间压力测试，在进行该方面测试时所选择的断面应具有一定的典型性，而且在埋设时压力盒应与围岩贴合紧密，并采取统一的编号模式，记录下初始读数；（2）支护结构内力测试。

4.2 量测频率与监测频率

按照施工相关要求，各类测点均应设置在距离开挖面一定距离内，而且要将两次开挖数值进行准确记录。监测频率也要做出严格的界定，比如前半个月为一次，以此类推。随后根据监测频率的变化对施工过程进行必要的调整，以确保各个阶段能顺利实施。

4.3 监控量测数据整理及分析

Yk99+325水平收敛值及拱顶下沉值监测断面在2010年6月26日已埋设完成，所获取的曲线见图4所示。从图4中可明显地看出水平收敛与拱顶下沉均呈现出明显的变化，当仰拱闭合后，变化幅度变小，待半个月以后基本趋于稳定状态。Yk99+325断面拱顶下沉总沉降值为33cm，与设计要求不相吻合，因此根据相关要求对设计参数进行了必要的调整，对预留变形量进行增大处理，以避免隧道初期支护中不良现象的发生。

围岩土压力状况直接关系着隧道结构的稳定与否，通过围岩土压力状况可以直观地反映出开挖与支护中围岩应力场的实际分布情况。所获取的监测数据见图5所示。从图5中可看出在前7天围岩压力呈现出明显的变化趋势，而随着时间的推移，围岩压力出现缓慢的增长，左拱腰部位是压力值最大的区域，大约为0.5MPa。

工字钢应力监测结果表明：在前十天时工字钢应力出现显著的变化，随后工字钢应力变化幅度变缓，对拱顶、左右拱腰进行受力分析得知最危险的受力点部位是左拱腰部位。

5 结语

综上所述，围岩变形主要是因为围岩流变属性造成的，围岩压力、围岩变形、二衬和初支之间产生的接触压力会不断处于变化的状态下，导致结构内力也产生变化，所以设计软弱围岩隧道支护结构时，需要对围岩流变作用进行考虑。本工程通过采取合理的隧道变形控制措施，保证了隧道施工的顺利开展，降低了施工成本，提高了施工效率，具有一定的借鉴参考价值。

参考文献

[1] 王祥秋，杨林德，高文华.软弱围岩蠕变损伤机理 及合理支护时间的反演分析[J].岩石力学与工程学 报，2004，（5）.

[2] 彭立敏，刘小兵.交通隧道工程[M].长沙：中南大 学出版社，2003.

[3] 关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京：人民交通 出版社，2003.

作者简介：樊万里（1983-），男，陕西咸阳人，中铁二十局集团第四工程有限公司助理工程师，研究方向：工程测绘技术。

（责任编辑：小 燕）