隧道軟弱圍巖變形機制與控制技術研究

李登新

（重慶兩江新區公共租賃房投資管理有限公司）

隧道軟弱圍巖變形機制與控制技術研究

李登新

（重慶兩江新區公共租賃房投資管理有限公司）

在隧道建設中，軟弱圍巖隧道設計與施工是困擾廣大隧道建設者的重大難題，由于軟弱圍巖變形大，一旦設計施工不當就會導致隧道發生坍塌事故，嚴重影響隧道的安全通車。有效解決上述問題的關鍵在于分析和研究隧道軟弱圍巖的變形機制和發展規律，從而采取針對性控制技術。鑒于此，本文將對隧道軟弱圍巖的變形機制進行深入系統的研究，進而提出可行性控制策略。

隧道；軟弱圍巖；變形機制；控制技術

近年來，我國鐵路隧道建設發展迅速，已建成隧道長度和在建隧道長度均領先于其他國家，成為名副其實的隧道大國。雖然我國在鐵路隧道建設規模和數量上占有絕對優勢，但是在隧道施工技術和安全質量控制上與發達國家相比仍然存在較大差距。

一、隧道軟弱圍巖變形機制與變形規律研究

（一）隧道軟弱圍巖變形機制

圍巖變形指隧道周邊的巖體發生的變形，圍巖變形的復雜性取決于地質體的復雜性，具體表現在以下幾個方面：（1）組成巖體的礦物成分異常復雜，既包括堅硬的石英、金剛石，也包括軟弱的石膏、滑石等。（2）巖體結構具有不連續性，常常出現層理、斷層、不整合等地質構造。（3）巖體的密度分布往往是不均勻的，多以土石混合和軟硬互層為主[1]。（4）隧道圍巖具有不穩定性，極易受到周邊環境的影響而產生軟化、膨脹或其他變化。上述圍巖的復雜性必然會導致圍巖變形機制的復雜性。圍巖變形機制可以分為材料變形和結構變形，材料變形又包括彈性變形、塑性變形、黏性變形三種，而結構變形又包括閉合變形、滑動變形、滾動變形、彎曲變形等幾種。下面本文將詳細介紹隧道軟弱圍巖材料變形、結構變形及相應的本構關系。

彈性變形是軟弱圍巖變形中最常見的一種變形表現，指材料受到外力作用而產生的變形，其最大特點為撤除外力作用后可立即恢復[2]。從微觀角度分析，軟弱圍巖的彈性變形主要表現為內部微觀粒子在外力作用下發生的轉動和分離，從宏觀角度分析，上述微觀粒子的改變會導致圍巖形態和體積的改變。塑性變形指材料受到外力作用后產生的變形，塑性變形在撤除外力后不能恢復到之前的狀態。塑性變形的本構關系改變可以分為彈性階段和塑性階段兩個過程，當材料變形進展到塑性變形之后，其結構變形不僅受到外力作用狀態的影響，還受到變形歷史的影響。黏性變形指材料在受到外力作用的瞬間沒有發生改變，但隨著時間的推移而逐漸增大的變形表現，因此，黏性變形的應變速率與時間呈正比，在隧道工程建設中，軟弱圍巖的變形和失穩都表現為明顯的時間效應，這是因為軟弱圍巖與其他圍巖類型相比具有流變性，在外力條件不變的情況下，巖石會隨著時間的推移發生蠕變，大量的工程測試表明，含有較多泥質填充物的軟弱圍巖其流變性更加顯著。黏性變形的本構關系可以表述為：。其中，η指黏滯系數，t指變形時間[3]。

在結構變形方式中，本文將以滑動變形為例分析其變形機制。軟弱圍巖滑動變形指巖體結構面沿著連續、層理等不連續界面發生滑動而引起的臨空面變形。滑動變形是塊狀軟弱圍巖的主要變形形式，這是因為隧道周圍的塊狀圍巖會向著臨空面逐漸移動。巖體的滑動需要有充足的滑動空間，而滑動空間又與周圍巖體的限制有關，因此，滑動變形收到；臨空面巖體大小的影響。軟弱圍巖滑動變形的本構關系可以表述為：。其中，ηk為黏滯系數，uS為滑動變形量，t為變形時間，σS-σT可由接觸面的抗滑應力變形公式計算得出[4]。

（二）隧道軟弱圍巖變形規律

隧道軟弱圍巖的變形規律取決于圍巖應力調整的結果和外在表現，而圍巖應力調整則是一個三維動態過程，因此，隧道軟弱圍巖的變形隨時間和空間發生變化，根據工程監測數據和數值模擬分析可知，軟弱圍巖變形可分為掌子面的超前變形、擠出變形、后方變形三種，這三部分變形往往同時發生，因此，圍巖支護的目的就是抑制掌子面的這三種變形，從而避免發生圍巖松弛情況。

二、隧道軟弱圍巖變形控制技術研究

隧道安全施工的前提是保證圍巖的穩定，針對軟弱圍巖隧道施工，可以用圍巖的變量衡量隧道圍巖的穩定性，那么軟弱圍巖的變形控制也就是確保圍巖的穩定性。

（一）隧道軟弱圍巖變形控制原則

軟弱圍巖隧道變形控制的整體原則為將圍巖變形控制在容許范圍內，也就是滿足：u≤uS，其中，u為隧道施工后圍巖的總變形量，uS為圍巖容許變形量，也就是變形控制標準。隧道圍巖的總變形量與掌子面超前變形、擠出變形、后方變形有關，因此，圍巖總變形量可以表述為：u=uf+ui+um，其中，uf、ui、um分別代表掌子面超前變形量、擠出變形量、后方變形量[5-6]。只有掌子面超前變形量、擠出變形量、后方變形量總和不大于圍巖容許變形量才能確保軟弱圍巖隧道施工的安全性。隧道開挖過程中，所遇到的圍巖類型不同，自穩性較強的軟弱圍巖可以在隧道施工初期提供充足的支護時間，另一類穩定性較差的軟弱圍巖，由于其自身的穩定時間較短，沒有多余的時間設置初期支護，那么就要嚴格限制圍巖的變形，確保圍巖變形在容許的范圍內。

（二）隧道軟弱圍巖變形控制方法

了解了隧道軟弱圍巖的變形控制原則，下面本文將詳細介紹圍巖變形的控制方法。圍巖變形部位不同，所采取的控制方法也有所不同。掌子面的超前變形控制方法主要為超前支護，按照構造類型不同，可以將超前支護分為梁構造和拱形構造兩類，梁構造采用鋼管和高壓噴射工藝改良圍巖，大口徑鋼管主要有壓入式短鋼管、鋼管剛背板、短超前支護等，大口徑鋼管主要指管棚。軟弱圍巖的擠出變形控制方法有留核心土、噴射混凝土、圍巖注漿加固、改變掌子面形狀等，其中，改變掌子面形狀是應用范圍最廣的一種變形控制方法，英國在許多鐵路和公路隧道中都采用了這種施工工藝，在傾斜的掌子面上進行開挖施工，取得了預期的效果。這種方法不僅可以減少現場人員的施工風險，而且還可以減少地表的下沉，提高混凝土耐久度。掌子面后方變形可以采取兩種方法加以控制，一是調整隧道開挖所釋放的荷載，二是提高初期支護的承載能力。這兩種方法均可以有效控制后方變形，只是從開挖和支護兩個不同的角度進行變形控制。

結論：

當西方國家已發展形成新型隧道技術理論體系時，我國還處于半經驗、半理論的階段，尤其是軟弱圍巖變形和控制方面仍然缺乏系統的研究，設計和施工缺乏針對性，難以保證施工安全性。因此，在隧道建設的新階段，只有不斷加強軟弱圍巖系統研究，提升設計和施工水平，才能促進我國鐵路隧道建設的飛速發展。

[1]鄧伯科. 雁門關隧道富水段軟弱圍巖初期支護開裂變形控制技術[J]. 鐵道標準設計,2013,01:97-100.

[2]余偉健,馮濤,王衛軍,等. 軟弱半煤巖巷圍巖的變形機制及控制原理與技術[J]. 巖石力學與工程學報,2014,04:658-671.

[3]周毅,李術才,李利平,等. 地層條件對超大斷面隧道軟弱破碎圍巖施工影響過程規律的數值模擬分析[J]. 巖土力學,2011,S2:673-678.

[4]李小坤. 滇中紅層軟弱圍巖隧道變形開裂原因分析及處治措施研究[J]. 隧道建設,2012,01:88-93+102.

[5]李利平,李術才,趙勇,等. 超大斷面隧道軟弱破碎圍巖漸進破壞過程三維地質力學模型試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報,2012,03:550-560.

[6]李利平,李術才,趙勇,等. 超大斷面隧道軟弱破碎圍巖空間變形機制與荷載釋放演化規律[J]. 巖石力學與工程學報,2012,10:2109-2118.

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1007-6344（2015）10-0332-01