基于監測技術的軟弱圍巖茜坑隧洞設計施工原則

李 東，黃志懷

（珠江水利委員會珠江水利科學研究院，廣東 廣州 510611）

茜坑隧洞全長322 m，設計為有壓自流隧洞，水壓差14.5～19.0 m，設計斷面為城門洞型，斷面尺寸為2.5 m×2.7 m，采用新奧法施工。茜坑隧洞圍巖為花崗巖，圍巖穩定性差，極易塌方。隧洞全段均為不良地質條件。下面根據工程建設需要，針對軟弱圍巖隧洞工程不良地質條件下的新奧法施工，給出了軟弱圍巖隧洞的設計和施工原則。

1 軟弱圍巖隧洞設計原則

軟弱圍巖茜坑隧洞洞體開挖卸荷后變形量大，空間效應與時間效應均較明顯，圍巖結構復雜，地層含水量大，設計工作必須根據監測結果采用動態設計的原則，根據圍巖變形規律確定開挖方式、開挖程序、開挖進尺、一次支護參數、永久襯砌參數和時機。為此應采用如下設計原則：

1）根據初設階段提供的地質條件、沿線的地層巖性、結構設計特點和運行要求，進行專門的施工期和運行期的安全監測設計，定期適時開展監測工作，并根據地質條件變化，及時調整監測項目和監測布置。

2）現場設計代表應根據監測結果，及時調整隧洞的開挖進尺，調整一次支護參數。

3）根據監測數據需要對設計做出重大調整時，應進行現場試驗或理論計算進行驗證。

4）現場設計應與施工、地質、監測有機配合，做到調整及時有效。

5）為了信息處理及時，監測單位應向設計、施工、監理、地質、建設單位監測報告，以監控指標為標準，發現異常時，及時進行預測預報，設計及時做出相應的對策。

6）施工地質和監測應進行跟蹤工作，必要時應做超前預測預報。

2 軟弱圍巖隧洞施工原則

2.1 關于隧洞開挖的安全規定

1）盡可能采用非爆破方法開挖，主要目的是不擾動圍巖，保護圍巖固有的自穩能力。

2）短進尺，就茜坑隧洞而言，隧洞開挖循環進尺不得大于1.5 m，變形特大的洞段不得大于0.5 m，循環進尺按設計要求及時調整。

3）采用分步開挖方式，先開挖上導洞，上導洞領先下導洞3～5 m，下導洞每循環進尺與上導洞相同。

4）下導洞開挖分左右兩側進行，一側領先另一側1～2個循環，目的為減緩變形速率，防止變形突然釋放。

5）開挖時，變形釋放量應控制在30%以內。

6）地下水發育的部位，需要采用導水封閉控制措施。

7）嚴格控制開挖輪廓尺寸，每開挖一個循環后立即進行測量，繪制開挖圖和地質素描圖。

2.2 關于一次支護

1）一次支護必須在開挖后立即施作，開挖一個循環支護一個循環，支護沒完成之前，不得進行下個循環開挖。

2）一次支護施工的程序是：安裝超前小導管開挖→安裝格柵拱架→第一次噴射混凝土→布置鋼筋網、綁扎連接筋→第二次噴射混凝土→視需要滯后1～2個循環，第三次噴射混凝土。

3）一次支護完成后，在設計的觀測斷面安裝監測儀器，并立即開展監測工作，監測儀器安裝位置與掌子面距離不大于1.0 m。

4）格柵拱架的間距應和開挖進尺一致，上導洞格柵拱架安裝后，以鎖腳錨干固定，系統錨干或超前導管應與格柵拱架焊接，下導洞格柵拱架應在底板開挖控制線以下0.5 m設置0.5 m×0.5 m的混凝土基座，基座混凝土強度等級為C20。

5）一次支護的格柵拱架、鋼筋網、噴混凝土、連接筋、系統錨桿、鎖腳錨桿、超前導管必須按工程質量檢查標準進行質量控制。

6）依據監測結果，設計單位應及時調整一次支護的相關參數。

7）根據變形監測結果，確定是否需要進行二次臨時支護，并確定其方案和支護參數。

2.3 關于永久襯砌時間的確定

按永久性水工建筑物結構受力最小的原則，隧洞的永久襯砌應該在圍巖變形全部釋放后施作較為合理。實際上GB50087-2001[1]《錨干噴射混凝土支護技術規范》與SL279-2002[2]《水工隧洞設計規范》均有相應的規定，例如GB50087-2001第5.3.5條規定：

1）隧洞周邊水平收斂速度小于0.2 mm/d；拱頂或底板垂直位移速度小于0.1 mm/d。

2）隧洞周邊水平收斂速度，以及拱頂或底板垂直位移速度明顯下降。

3）隧洞位移相對值已達到總相對位移量的90%以上。

SL279-2002第6.6.4條也規定：采取了支護或加固措施的圍巖，根據其穩定狀況，可不計或少計圍巖壓力。

在一些軟巖隧洞工程中，永久襯砌施作時間也是按上述原則確定的，為了防止襯砌過多地承擔剩余的變形壓力，規定隧洞周邊徑向位移速率小于0.1 mm/d,斷面周邊位移達到總位移量的90%，在必須同時滿足上述兩條件下，開始永久混凝土襯砌。

對于具有大變形和流變效應明顯的軟巖而言，要達到上述標準需要較長時間，一次支護需要較大剛度，否則會發生圍巖失穩，甚至發生較大塌方。在這種隧洞施工過程中，發生較大塌方的主要原因除沒有采用信息化設計與施工外，永久襯砌選擇的時間不甚合適，也是原因之一。

在茜坑隧洞，根據監測結果分析，當距開挖面2.5倍洞徑時，圍巖的“空間效應”變形基本完成，超過2.5倍開挖洞徑后，圍巖變形主要來源于“時間效應”，2.5倍洞徑以后的剩余變形大小，主要取決于圍巖的流變特性。

對于Ⅳ類圍巖而言，巖體變形的時間效應較小，時間效應曲線衰減也較快，20 d后圍巖變形速率已小于0.1 mm/d，并已接近穩定狀態，在此之后圍巖剩余變形一般小于1.0 mm,所做的混凝土襯砌承受的圍巖變形壓力一般小于20 kPa。

對于全風化類圍巖，雖然其流變效應較大，開挖至3倍洞徑之后，盡管空間效應引起的變形已經完成，仍有一定的時間效應引起的變形，由于一次支護較強的約束，30 d內圍巖變形速率小于0.1 mm/d。所以，對于流變效應較大的圍巖，采用剛度較大的格柵拱架噴混凝土支護限制時效變形是必要的。否則，仍需要采用早襯砌措施提供抗力來限制這種變形，避免造成大的危害。

一般地講，一次支護和二次混凝土襯砌之間仍有一定的徑向接觸壓力，對于流變效應較大的圍巖，一次支護在工程初期發揮了重要的作用，二次混凝土襯砌對隧洞的長期穩定性也起到必不可少的作用。

3 結語

1）根據初設階段提供的地質條件、沿線的地層巖性、結構設計特點和運行要求，進行專門的施工期和運行期的安全監測設計，定期適時開展監測工作，并根據地質條件變化，及時調整監測項目和監測布置。

2）為了確保隧洞施工安全，防止圍巖失穩，杜絕塌方事故，應嚴格執行“短進尺、勤監測、快支護”的原則。

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