軟弱圍巖隧道變形規律與施工要點分析

摘要：某鐵路隧道工程所處地層為粉砂質泥砂巖和碳質灰巖，受斷層和古巖溶的影響，巖面會出現比較大的起伏。文章以實際工程為例，對軟弱圍巖隧道變形的基本規律進行了分析，根據施工現場得到的監測信息，對支護參數和施工方案進行調整，保證隧道施工的順利開展，降低了施工成本。

關鍵詞：軟弱圍巖；隧道變形規律；施工要點；鐵路隧道工程；支護參數；施工方案 文獻標識碼：A

中圖分類號：U455 文章編號：1009-2374（2016）27-0115-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.27.054

1 案例介紹

某鐵路隧道工程所處地層為粉砂質泥砂巖和碳質灰巖，兩套地層整體上呈角度不整合接觸。受斷層和古巖溶的影響，巖面會出現比較大的起伏，在255～288m標高兩套地層交錯位置巖溶溝發育，缺乏統一的交界面，溶溝中需要填充軟塑狀黏性土，圍巖中含水率比較高，地層比較軟弱。

2 軟弱圍巖隧道變形機理的有效分析

2.1 從巖體蠕變發展階段進行分析

2.1.1 初始蠕變階段，在此階段蠕變的實際速率會隨著時間的變化而出現下降，巖體以緩慢的速度向開挖空間移動，直到蠕變后期巖體蠕變會慢慢保持穩定

狀態。

2.1.2 等速蠕變階段，巖體蠕變趨于穩定后即達到等速蠕變過程，在此階段蠕變總量會持續增加，而且巖體也會產生不同程度的裂縫現象。

2.1.3 加速蠕變階段，當巖體出現穩定的擴展后即到達加速蠕變階段，這時巖體蠕變速率處于最大化狀態，而且巖體內的裂縫現象也會加劇，使圍巖的整體結構被破壞。

2.2 從長期強度觀點層面進行分析

由于流變特性的影響使得軟弱圍巖的強度隨著時間的變化而出現下降趨勢。據相關報告顯示，圍巖強度與時間的關系曲線見圖1所示，從圖1中可明顯地看出隨著時間的變化圍巖強度在持續下降，當達到某一臨界時間時圍巖強度趨于穩定狀態，從中也說明了圍巖的長期強度值是影響巷道圍巖穩定性的關鍵因素。

巖體自身強度會隨著時間的變化而受到損害，再加之巖土體在蠕變過程中自身也會發生不同程度的變形現象，所以巖土體的蠕變損失主要取決于兩方面的因素：

2.2.1 變形損傷是指巖土體出現持續地變形而對自身結構所造成的傷害。

2.2.2 時間損失效應是指隨著時間的推移，巖土體出現的損傷程度。

2.3 從巖體能量釋放角度分析

按照巖石流變性特征，圍巖流變回彈能量與時間的變化關系如圖2所示。隧道開挖初期圍巖的回彈量最大，以后隨著時間的變化，回彈能量也呈現出下滑趨勢，當達到某一臨界時間后回彈能量趨于穩定狀態，即為wf。

圍巖蠕變造成巖土層內部結構出現裂縫，隨著裂縫的不斷擴大造成圍巖強度降低。

3 軟弱圍巖變形控制工藝措施

3.1 超短臺階

借助超短臺階可減小初期支護閉合所需的時間，盡可能地減少支護結構變形現象的發生。

3.2 核心土

按照施工掌子面的實際狀況對核心土的大小進行適當調整，而且已做出明確規定核心土的面積應大于掌子面面積的一半之多。待掌子面穩定到位后即可對兩側邊墻進行開挖。

3.3 超前支護

通常情況下超前支護有兩種方式：（1）超前小導管；（2）超前管棚。設置超前支護的目的在于對前方圍巖起到一定的保護作用，從而有利于后續施工的順利實施。

3.4 鎖腳

對于地基較為松軟的區域，重視鎖腳施工可大大增強地基的穩定性。

3.5 墊塊、槽鋼

墊塊、槽鋼的功能與擴大基礎基本相同，它一方面可提高拱腳自身的承載力；另一方面也能盡量避免巖土層出現變形現象。

3.6 臨時仰拱（橫撐）

在施工中對極易變形的區域在處理中可采取閉合的方式進行有效施工，以增強結構的穩定性，降低變形等不良現象的發生。

3.7 上下臺階均衡推進

在施工中作為管理人員應做好協調與規劃工作，增強施工的成效性，為順利竣工做出一定的指導。

4 充分運用監控量測方式，保障施工安全運行

4.1 測點的有效埋設

為了方便后期施工人員進行綜合比對分析，所選擇的測量點應處于同點設置如圖3所示：

4.1.1 隧道洞內水平收斂測點。與各洞室地表測點的布置方式相類似隧道上下臺階洞內水平收斂測點也可采取相同的方式進行布設，測點加工時應確保測點與儀器緊密接觸，并且要采取統一的編號，以便于后期檢查。為了避免人為因素所帶來的損害，施工人員可將測點設置在開挖面周圍一定距離內，在進行下一階段開挖前需進行全面記錄，求出有效的數值進行分析。

4.1.2 拱頂下沉測點。拱頂下沉測點的位置與上臺階凈空收斂測點處在同一水平面上，在埋設時應確保測點錨栓與圍巖支護處于穩定狀態。測點應與開挖面保持一定的距離，并做好細致、全面的記錄，待第二階段開挖完成后求其平均值。

4.1.3 應力應變量測。應力應變量測主要包含兩方面內容：（1）圍巖與初期支護間壓力測試，在進行該方面測試時所選擇的斷面應具有一定的典型性，而且在埋設時壓力盒應與圍巖貼合緊密，并采取統一的編號模式，記錄下初始讀數；（2）支護結構內力測試。

4.2 量測頻率與監測頻率

按照施工相關要求，各類測點均應設置在距離開挖面一定距離內，而且要將兩次開挖數值進行準確記錄。監測頻率也要做出嚴格的界定，比如前半個月為一次，以此類推。隨后根據監測頻率的變化對施工過程進行必要的調整，以確保各個階段能順利實施。

4.3 監控量測數據整理及分析

Yk99+325水平收斂值及拱頂下沉值監測斷面在2010年6月26日已埋設完成，所獲取的曲線見圖4所示。從圖4中可明顯地看出水平收斂與拱頂下沉均呈現出明顯的變化，當仰拱閉合后，變化幅度變小，待半個月以后基本趨于穩定狀態。Yk99+325斷面拱頂下沉總沉降值為33cm，與設計要求不相吻合，因此根據相關要求對設計參數進行了必要的調整，對預留變形量進行增大處理，以避免隧道初期支護中不良現象的發生。

圍巖土壓力狀況直接關系著隧道結構的穩定與否，通過圍巖土壓力狀況可以直觀地反映出開挖與支護中圍巖應力場的實際分布情況。所獲取的監測數據見圖5所示。從圖5中可看出在前7天圍巖壓力呈現出明顯的變化趨勢，而隨著時間的推移，圍巖壓力出現緩慢的增長，左拱腰部位是壓力值最大的區域，大約為0.5MPa。

工字鋼應力監測結果表明：在前十天時工字鋼應力出現顯著的變化，隨后工字鋼應力變化幅度變緩，對拱頂、左右拱腰進行受力分析得知最危險的受力點部位是左拱腰部位。

5 結語

綜上所述，圍巖變形主要是因為圍巖流變屬性造成的，圍巖壓力、圍巖變形、二襯和初支之間產生的接觸壓力會不斷處于變化的狀態下，導致結構內力也產生變化，所以設計軟弱圍巖隧道支護結構時，需要對圍巖流變作用進行考慮。本工程通過采取合理的隧道變形控制措施，保證了隧道施工的順利開展，降低了施工成本，提高了施工效率，具有一定的借鑒參考價值。

參考文獻

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作者簡介：樊萬里（1983-），男，陜西咸陽人，中鐵二十局集團第四工程有限公司助理工程師，研究方向：工程測繪技術。

（責任編輯：小 燕）