淺談隧道軟弱圍巖大變形的特征與處治措施

摘 要：通過對軟弱圍巖大變形控制技術的研究現狀、形成機理、軟弱圍巖變形的特征進行研究，提出了在隧道軟弱圍巖大變形控制中應遵循“合理變形，剛柔相濟”的總體設計原則及實行“超前預加固，超短臺階開挖，多重支護，加強二次襯砌，勤測量”的施工控制技術，對軟弱圍巖隧道的設計、施工具有指導意義。

關鍵詞：軟弱圍巖；大變形；長錨桿

近年來，中國的基礎設施建設迅速發展，地下空間的開發利用正在向新的深度和廣度發展，許多具有長、大、深、群特點的隧道工程紛紛上馬。隧道工程在穿越高地應力區及軟弱圍巖體時，常產生軟弱圍巖大變形等地質災害，給工程建設造成了極大的困難。因此，探討軟弱圍巖大變形的特征與處治措施，對隧道工程的順利建設有重要意義。

1 圍巖大變形控制技術的研究現狀

在隧道工程建設過程中，軟弱圍巖大變形對其產生嚴重的影響。國內外關于軟弱圍巖隧道施工技術的研究十分盛行，這些研究主要集中在：（1）變形原因、機制、變形特征、變形預測；支護結構的變形及受力情況，支護結構與圍巖的相互作用；大變形控制、防治措施，支護結構，形式、施工工序等。（2）從大變形隧道的各個方面進行研究。主要研究方面在高地應力下大變形的施工控制、大變形的預測方法、產生變形的原因、特征、分級等。本文將從設計和施工兩方面對軟弱圍巖大變形進行詳細、系統地闡述，分析國內外對軟弱圍巖變形的對策，對軟弱圍巖隧道的設計、施工具有指導意義和參考意義。

1.1 變形的定義

目前大變形未有一個明確清晰的定義。理論上，研究者們注重或者側重某一類型的大變形研究，系統研究很少。因而在工程實踐中，圍巖大變形至今未列入設計規范，導致勘察、設計、施工各方的認識不一致。給施工處理造成了很大的難度。現階段各工程單位根據隧道施工規范要求及新奧法規定，單線隧道正常位移u<13cm，雙線隧道u<25cm，最大允許變形量為洞徑的3%。在隧道施工中，如果初期支護發生了大于25cm（單線隧道）和50cm（雙線隧道）的位移，則判定為大變形。

隧道圍巖大變形可以定義為：隧道及地下工程圍巖的一種具有累進性和明顯時間效應的塑性變形破壞，它既區別于巖爆運動脆性破壞，又區別于圍巖松動圈中受限于一定結構面控制的坍塌、滑動等破壞。

1.2 大變形的形成類型

按照圍巖變形的形成機制將圍巖大變形分為兩類：一類是開挖形成的應力重分布超過圍巖強度而發生的塑性變形，如果介質變形緩慢，就屬于擠壓變形，擠壓變形主要發生在高地應力區的斷層破碎帶或構造帶；另一類是巖石中某些礦物與水發生反應而產生的膨脹變形，膨脹變形主要發生在膨潤土、板巖、千枚巖地段。主要是由于其本身性軟，遇水易軟化，具有一定的膨脹性。

何滿朝教授按照圍巖自身的特征性礦物、變形的破壞特征、力學作用等特點，將軟弱圍巖變形破壞機制分為與深部軟巖本身分子結構的化學性質有關，與力源有關，與洞室結構同巖體結構面的組合特性有關的三個方面，將深部軟巖（深度大于500m）按變形力學機制歸為三類，即物化膨脹類、應力擴容類和結構變形類。

陳宗基教授從圍巖的收斂變形機理將圍巖的大變形機制分為塑性楔體、流動變形、圍巖膨脹、擴容橈曲五類。據國內外隧道施工經驗，圍巖及初期支護產生的變形種類主要有：膨脹變形、擠壓變形、松弛變形和高地應力引起的軟弱圍巖變形。

2 軟弱圍巖大變形的特征

通過對烏鞘嶺隧道、印度海代爾引水隧道、奧地利阿爾貝格隧道、辛普倫隧道、家竹箐隧道等國內外典型的大變形隧道實例歸納，得出大變形的基本特征：（1）發生大變形段，隧道埋深相對較深，圍巖的物質條件為強度低的軟巖類，在結構上巖體具原生結構的特點，這類圍巖也包含了軟巖中具有膨脹性的巖石。（2）圍巖環境條件為不同程度地存在高地應力問題，由于圍巖強度低，形成了很高的應力強度比。（3）地下水的存在，對軟巖的軟化作用在圍巖大變形中發揮很重要的作用，圍巖變形破壞的模式主要為塑性流動、彎曲變形。（4）圍巖變形量較大，持續的時間長，可以在開挖或在隧道運營一段時間后發生。往往表現為初期支護破裂、鋼拱架扭曲，侵入隧道限界，二次混凝土襯砌的破裂和剝離、混凝土底板的折斷翹等。

3 軟弱圍巖大變形的處治技術措施

從上面講述的軟弱圍巖的形成機理與特征來看，軟弱圍巖大變形是一種危害程度大、整治費用高的工程地質災害。所以我們應該從設計和施工兩個方面對其進行控制與處治。

3.1 設計總體原則和理念

設計應采用“優化洞型，選擇合理斷面；措施得當，控制變形；先柔后剛，以柔克剛；預留變形，謹防侵入凈空；封閉成環，防止局部變形過大”的總體設計原則，將“先柔后剛，以柔克剛”的設計理念貫穿于隧道結構設計中去。即開挖后先設置柔性支護，以便于圍巖釋放地應力，從而發揮圍巖的自承作用，使圍巖和支護結構共同承受圍巖的荷載和變形，同時增加二襯強度，使二襯也可承受部分圍巖壓力。

3.1.1 優化洞型，選擇合理斷面。在保證結構安全的前提下，應優先采用馬蹄形曲墻仰拱襯砌斷面，后選擇橢圓形襯砌斷面，在可能發生大變形的高地應力區，則優先采用橢圓形襯砌斷面。

3.1.2 措施得當，控制變形。高地應力、地下水發育和軟弱圍巖是軟巖大變形的內在因素。高地應力和地下水發育的情況是無法改變的，但可以通過加固圍巖和允許適當的局部變形等措施來控制軟巖的大變形。通過國內外相關工程的類比，長錨桿是主動控制軟巖大變形的重要手段。設計應按照“錨桿打入圍巖松動圈外穩定層不少于2m”的原則確定錨桿的長度，以形成合力的圍巖加固圈。同時雙層支護也是控制軟巖大變形的有效手段之一，設計按照“第一層錨桿承受絕大部分圍巖壓力和變形，第二層支護使圍巖趨于穩定”的思想確定噴錨和型鋼參數，使二襯施作前圍巖初期支護體系處于穩定狀態。此外，可采用可縮鋼架和噴鋼纖維混凝土等措施釋放局部變形，以達到控制整體變形的目的。

3.1.3 剛柔相濟。是指先施作柔性初期支護體系，再施作剛性二襯結構，允許二襯承受適當的圍巖荷載或主要以錨噴網鋼筋砼、長錨桿和型鋼鋼架等組合的柔性支護結構和圍巖共同作用，承受圍巖釋放的絕大部分應力和變形。

3.1.4 預留合理的變形量。在高地應力和地下水發育的條件下，軟巖發生不同程度的大變形，確定開挖輪廓線外必定要預留合理的變形量，以預防初期支護變形后侵入二襯凈空。同時，適當的預留變形量可釋放地應力，有效減少二襯承受的圍巖荷載。

3.1.5 封閉成環，防止局部變形過大。臨時仰拱應緊跟掌子面，仰拱若不能和拱墻一起施作，也應在拱墻施作后及時施作，不應滯后過多。這樣可及時封閉成環，有效增強結構的剛度和受荷能力，防止局部變形過大。可使用圓順的環形或橢圓形結構，有效優化結構的荷載分布，增加結構的安全性。

3.2 施工原則與注意事項

隧道工程軟弱圍巖施工應遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、早封閉、快襯砌、勤量測”的施工原則，及時對開挖后的軟巖在應力釋放一定程度后進行支護。支護應遵循“先放后抗、先柔后剛”的支護原則，才能既保證隧道結構的安全，又確保圍巖不侵入凈空。在施工過程中應注意以下事項：

3.2.1 減少對圍巖的擾動。施工時應盡量減少誘發圍巖變形的不利因素，控制圍巖變形的發展。具體可從兩方面進行控制：一是嚴格控制爆破參數，采用減弱振動控制爆破技術，可有效地減少爆破對圍巖的擾動；二是嚴格控制循環進尺，采用預支護或徑向注漿等輔助工法，對軟弱圍巖進行超前預支護，加固破碎圍巖，約束圍巖的變形。

3.2.2 多重支護。先利用長錨桿控制軟巖的大變形，再采用錨噴網柔性支護和工字鋼支撐（當圍巖級別較差時，可進行雙層錨噴和雙層支護）。在限制圍巖變形的同時允許釋放部分位移，以充分發揮圍巖自身的承載力。

3.2.3 超短臺階法開挖。即上臺階不超過5m，下臺階距離仰拱不大于15m，上臺階距襯砌不超過50m，及時支護，可有效減緩圍巖變形速率，盡早封閉成環，可控制軟巖大變形。

3.2.4 加強監控量測。對工序干擾、爆破等施工應加強量測，防止突變產生塌方，同時通過量測情況指導施工。

4 結語

（1）現行的設計與施工技術規范對工程中遇到的軟巖大變形問題指導意義有限，軟弱圍巖大變形是施工中遇到的特殊地質問題，不應采用現行的圍巖級別進行劃分，應針對高地應力、地下水發育的特點，基于擠壓流變效應對大變形進行專項設計分級和施工控制。（2）在軟弱圍巖隧道設計中，我們應該堅持“合理變形，剛柔相濟”的設計原則。（3）施工軟弱圍巖隧道應實行“超前加固、超短臺階開挖，多重支護、加強二次襯砌”的施工控制理念。（4）長錨桿加固一般來說錨固段越長越好，但隧道施工中實際操作困難，不便于垂直巖面打進，傾斜施作的效果、時效性值得研究。

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作者簡介：李小林（1982- ），男，漢，湖南衡陽人，工程師，主要從事巖土、鐵路等方面的設計和管理工作。