談軟巖隧洞圍巖穩(wěn)定分析及施工方法

張 偉

(山西省水利水電工程建設(shè)監(jiān)理公司，山西太原 030000)

0 引言

改革開放以來，我國的交通事業(yè)穩(wěn)步前進(jìn)，取得了令人矚目的成績。交通事業(yè)的發(fā)展得益于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，也促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。在新千年，我們的經(jīng)濟(jì)發(fā)展勢頭正處于上升態(tài)勢，更應(yīng)該抓住機(jī)會，深化改革，利用交通改變地區(qū)之間發(fā)展不平衡的現(xiàn)狀。在中西部山區(qū)，要實(shí)現(xiàn)交通的全面進(jìn)步較為困難，因?yàn)檫@里地形復(fù)雜，山區(qū)面積較大，需要大量的隧道式建筑，我們的工作人員不畏艱險，克服一切困難，未辜負(fù)黨和國家給予的殷切期望。據(jù)不完全統(tǒng)計，截止到2010年年底，我國建成的鐵路隧道總長度已經(jīng)超過7 000 km，公路隧道總里程數(shù)超過3 000 km，而目前，全國軌道交通規(guī)劃線路總長超過4 000 km，其中需要建設(shè)隧道的線路占了相當(dāng)大的比例，另外包括西部大開發(fā)的鐵路，公路隧道，地鐵，地下公用設(shè)施，頂管機(jī)械及其他西氣東輸，水電站工程等，1年也有450 km的隧道建設(shè)量。我國到2020年前規(guī)劃建設(shè)5 000座隧道，長度超過9 000 km，在取得驕人成績的同時，我們憧憬著未來，也背負(fù)著挑戰(zhàn)。如何在地形復(fù)雜的山區(qū)做好隧道的建設(shè)工作，事關(guān)經(jīng)濟(jì)發(fā)展全局，尤其是很多地區(qū)的巖石穩(wěn)定性較差，更需要我們投入大量的精力來研究并且施工。本文即對軟巖地區(qū)的隧洞圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并探討了其施工方法，希望能為相關(guān)施工單位提供參考。

1 影響圍巖穩(wěn)定性的因素

隧道開挖前，首先要對隧道地區(qū)的地質(zhì)條件有詳細(xì)的了解，尤其是隧道開挖以后，對周圍巖石的穩(wěn)定程度分析，要做出一個正確的分級和評價。隧道圍巖的分級較為復(fù)雜，大多是基于工程實(shí)踐的基礎(chǔ)，對所掌握的資料進(jìn)行歸納統(tǒng)計分析，再通過定量定性分析，結(jié)合數(shù)據(jù)模型而計算出來。要使隧道的建設(shè)順利通暢，首先一定要確保圍巖的穩(wěn)定性。因此，影響隧道圍巖穩(wěn)定性的因素應(yīng)該要盡可能的全面分析到位。

1.1 地質(zhì)因素的影響

巖土體結(jié)構(gòu)狀態(tài)是長時間地質(zhì)運(yùn)動的產(chǎn)物，在地質(zhì)因素的影響中起著主要作用。

1)圍巖的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

處于原始狀態(tài)的巖土體，在長期的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動的作用下，產(chǎn)生各種結(jié)構(gòu)面、形變、錯動、斷裂等使其破碎，在不同程度上喪失了其原有的完整狀態(tài)。因此，結(jié)構(gòu)狀態(tài)的完整程度或破碎狀態(tài)，在一定程度上是表征巖土體受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動作用的嚴(yán)重程度。對隧道圍巖的穩(wěn)定與否起著主導(dǎo)作用。實(shí)踐指出，在相同巖性的條件下，巖體愈破碎，隧道就易于失穩(wěn)。因此，在各種分級方法中，都把巖體的破碎程度作為分類的基礎(chǔ)指標(biāo)。

2)巖石的工程性質(zhì)。

在圍巖分級中，巖石的堅固性或強(qiáng)度都是以巖石的單軸飽和極限抗壓強(qiáng)度為基準(zhǔn)，這是因?yàn)樗脑囼?yàn)方法簡便，數(shù)據(jù)分散性小，且與其他物性指標(biāo)有著良好的互換性。依巖石試件抗壓強(qiáng)度進(jìn)行巖石分級的基準(zhǔn)。巖石的強(qiáng)度因風(fēng)化作用和水的作用會大大降低。風(fēng)化時，巖石產(chǎn)生風(fēng)化裂隙使水易于浸入，巖體濕潤，減少了巖石晶粒間的聯(lián)系，因而強(qiáng)度減小，故試驗(yàn)時多以濕飽和強(qiáng)度為基準(zhǔn)。

3)地下水的影響。

隧道施工的大量實(shí)踐證明，水是造成施工塌方、使隧道圍巖喪失穩(wěn)定的重要原因之一。因此，在隧道圍巖分級中水的影響是不容忽視的。

1.2 施工因素的影響

人為的因素也是造成隧道喪失穩(wěn)定的重要條件，其中隧道的形狀和尺寸，尤其是跨度影響較為顯著。實(shí)踐證明，在同類圍巖中，跨度愈大，隧道圍巖的穩(wěn)定性就愈差。例如，大塊狀巖體是指裂隙間距在0.4 m～1.0 m左右的巖體。這是對中等跨度隧道(B=5 m～15 m)而言的，跨度較大(大于15 m)或較小(小于5 m)，巖體的破碎程度就不同。因此，有的分級就明確指出分級的適用跨度范圍。

在施工因素中，支護(hù)結(jié)構(gòu)的類型及架設(shè)時間也對隧道圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。其中比較重要的是隧道開挖后，圍巖在無支護(hù)條件下的允許暴露時間及無支護(hù)地段的長度，也就是圍巖的自穩(wěn)時間，因此，有的圍巖分級就是以這個時間進(jìn)行分級的。隧道自穩(wěn)時間是指從開挖后到頂部開始發(fā)生可以察覺到的移動、松弛時為止所經(jīng)歷的時間。實(shí)際上它是巖石類型、隧道未支護(hù)地段長度、隧道寬度以及開挖時圍巖被擾動、破壞程度的函數(shù)。

此外，施工方法也有影響，在同類巖體中，采用普通爆破法施工和控制爆破法施工，采用礦山法施工和盾構(gòu)法或掘進(jìn)機(jī)施工，采用大斷面開挖和小斷面分部開挖，對隧道穩(wěn)定性的影響都不相同。

2 工程概況

某隧洞設(shè)計洞徑為9.5 m，為圓形有壓洞，現(xiàn)場地質(zhì)勘察顯示，該地區(qū)的上覆巖體厚度為40.0 m～45.0 m，巖石的性質(zhì)主要包括中泥盆統(tǒng)薩阿爾明組下亞組灰?guī)r、火山角礫巖及上第三系中新統(tǒng)桃樹園組砂質(zhì)泥巖等等。隧洞洞徑較大，埋深較淺，砂質(zhì)泥巖段圍巖強(qiáng)度低，對開挖施工比較敏感，施工期的圍巖穩(wěn)定是一個極為重要的問題，對隧洞開挖施工過程中的圍巖應(yīng)力、變形分布和穩(wěn)定性進(jìn)行分析，為設(shè)計和施工提供依據(jù)和參考。

3 引水隧洞開挖卸荷計算分析

根據(jù)工程地質(zhì)資料分析，工程區(qū)構(gòu)造應(yīng)力很小，隧洞開挖計算中不考慮構(gòu)造應(yīng)力等因素的影響，以自重應(yīng)力場作為初始應(yīng)力場。開挖一個區(qū)域后，將開挖后的應(yīng)力場與初始應(yīng)力場進(jìn)行比較，確定開挖面附近的圍巖的卸荷區(qū)分布情況以及不同區(qū)域圍巖的卸荷量，根據(jù)卸荷量的量級對卸荷區(qū)域進(jìn)行劃分，對不同卸荷區(qū)域的巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

4 開挖施工方法建議

如前所述，施工會對隧道的穩(wěn)定性造成一定程度的影響，所以在施工方法的選擇上一定要仔細(xì)認(rèn)真。在本工程中，由于地質(zhì)條件較為復(fù)雜，巖體幾乎處于破碎狀態(tài)，圍巖自穩(wěn)能力差，而且開挖孔徑大，形成成洞難度較大，如果采用全斷面直接開挖的話很明顯是行不通的。經(jīng)過認(rèn)真的思考與協(xié)商，本工程采用了上下導(dǎo)洞開挖的形式。所謂上下導(dǎo)洞開挖，就是將導(dǎo)洞布置在隧道的頂部，斷面開挖對稱進(jìn)行。在上導(dǎo)洞開挖的時候又分四個區(qū)域進(jìn)行開挖，保留核心土，先開挖頂部，再開挖左右兩側(cè)導(dǎo)洞，盡量縮短鋼支撐和一次噴錨支護(hù)的時間;而且，爆破開挖時，嚴(yán)格控制裝藥量和單響藥量，以防止過大的震動對圍巖的影響;同時，嚴(yán)格限制每個循環(huán)的開挖進(jìn)尺，對于圍巖自穩(wěn)能力較差，開挖面形成以后，先噴護(hù)一層混凝土后再出渣。開挖后及時進(jìn)行錨噴支護(hù)和布置鋼支撐對圍巖進(jìn)行強(qiáng)支護(hù)，抑制不良地段圍巖產(chǎn)生較大的變形甚至塌方等危險。

5 結(jié)語

隧道的建設(shè)是一項龐大而復(fù)雜的工作，不但會動用到大量的人力物力，而且在施工過程中充滿了危險性，所以對其各種因素的考慮更要徹底而全面。而作為施工的基礎(chǔ)之一，巖石的穩(wěn)定性對整個隧道的施工至關(guān)重要。要想保證整個項目的順利完成，并且在后續(xù)使用中有著良好的運(yùn)營效果，除了做好安全性、穩(wěn)定性分析，還要保證施工過程中的質(zhì)量控制。總之，隧道的建設(shè)工作量大，難度高，一定要考慮周全，做到科學(xué)安全施工。

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［2］鄧華鋒，李建林，易慶林，等.軟巖高邊坡開挖卸荷變形研究［J］.巖土力學(xué)，2009(6):13-15.

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［4］李建林，劉 杰，王樂華.多因素作用下隔河巖電站廠房高邊坡變形機(jī)理及巖體穩(wěn)定性研究［J］.巖土工程學(xué)報，2007(9):81-83.