木寨嶺隧道軟巖大變形的機理分析及處理措施★

韋 云 張 璐 胡子揚 谷 宇 楊江坤 閆名卉

(河北大學建筑工程學院,河北 保定 071000)

0 引言

隨著我國經濟的高速發展，我國交通的發展進入了一個黃金時期，目前我國已經成為世界上隧道和地下工程發展速度最快的國家，隧道運輸也成為我國交通運輸的主要方式。隨著建造的隧道數量的增多，隧道長度的不斷增加，再加上很多隧道都會穿過山地，導致隧道所在地的地質條件愈加復雜，隧道面臨的問題也逐漸增加，這些問題會降低隧道結構的安全性，縮短隧道的使用壽命。

在修建隧道過程中，我國面臨的問題是隧道多處于軟巖高地應力區。對此，很多學者對此方面有深入的研究。沙鵬等[1]利用現場實時監控，在隧道的高地應力層狀圍巖下勘察，總結出了初期支護、圍巖壓力、二襯接觸壓力的分布規律，為工程提出了有利的施工措施;孫利民等[2]對深部軟巖隧道的支護技術進行了探索，分析了其破壞原因，認為采用超細水泥注漿來加固圍巖，同時利用錨網索噴和高強度U型鋼支護，達到了預期的支護效果；李鴻博等[3]通過在現場系統全面地監測了高地應力軟巖隧道圍巖與支護結構的應力與變形，分析了隧道的圍巖大變形機制與應力特征;田鵬[4]在蘭新鐵路對高地應力軟巖隧道圍巖壓力及二襯接觸壓力進行了現場監測，獲得了隧道支護在時間和空間上的受力變化。

結合隧道所處地區的地質條件，確定出隧道的主要病害形式，并提出有效的防止和治理措施，是避免工程事故的發生，保障隧道正常使用的重要措施。

本文以木寨嶺隧道[5]為例，結合當地地質條件，總結出圍巖工程特性，掌握隧道的主要破壞形式，提出相應的防治措施，這對確保隧道順利安全施工有著極其重要的意義。

1 工程概況

木寨嶺隧道位于甘肅省定西市漳縣、岷縣，總長1 710 m，是雙洞單線分離式特長隧道。木寨嶺隧道為全國鐵路高風險隧道之最，同時也是地質條件最差的隧道，巖石成分都是一些強度極其差的，如黏質黃土、沙質黃土、泥巖、板巖、斷層壓碎巖等。由于隧道所處的地區屬于高地應力區，使得隧道在修建過程和使用過程中非常容易變形。并且加上巖石成分較軟，使得圍巖的穩定性非常差，易發生大變形。

1)施工過程中的危害：在木寨嶺隧道中，病害主要是軟巖大變形。由木寨嶺隧道所在地的地質條件可知，該地有著大量的炭質板巖。這一地質情況是出現大變形最重要的因素。在結構內力的作用下，炭質板巖會與水相融，這直接使巖石變軟，出現不同程度的膨脹現象。膨脹會使得節理破壞，巖層被毀壞。同時，與水相融后重量增加，使得掌子面上方的圍巖無法承擔巖石上部的重量，圍巖立即失穩變形發生塌落大變形。

2)危害分析：首先，由當地的地質情況可知，隧道不僅處于高地應力區，而且還受到褶曲和斷層帶的作用，這些作用使得結構內力增大。同時與水相融的炭質板巖會使巖層毀壞。隨著隧道不斷開挖，地應力不斷放出，再加上圍巖等級較差，原有的結構不能與日益增加的地應力相抗衡，使得隧道發生破壞；其次，該地的巖石類型大部分屬于軟巖，遇水成泥，穩定性非常差，支護結構在施工時雖然達到了要求，但是隨著地應力的發展，襯砌結構不足以抵抗地應力的發展，最終導致了塌方大變形。

2 治理措施

由當地的地理地質條件可以得出，隧道出現大變形的原因主要有兩方面：一是有膨脹性礦物的存在，同時又有水的存在，這時，就會有膨脹的現象產生。 在圍巖擠壓褶皺的部位，地下水位很大，這時若有易與水相融的礦物，如隧道中的炭質板巖，遇水變泥，從而使隧道的周邊產生較大變形；第二點則是擠壓性變形，由于隧道周圍的巖石強度較低，隧道的洞室在開挖后，在洞室周邊的巖石將會因為處在塑性區而遭到破壞，這是因為塑性區內的巖體會受到剪切和擠壓作用，從而出現了大變形。

針對這些大變形破壞，現階段常規的治理措施主要有：

1)加強超前支護：超前支護是可以使得隧道工程的開挖工作安全進行的一種治理方法。超前支護主要運用在斷層破碎帶、軟巖和塌方段，同時對其進行注漿，能夠對大變形起到一定的控制作用。如果用大管棚難以施作地方，超前支護可以采用雙層小導管進行注漿。除此之外，在無水段和滲水地段可以分別采用注水泥漿和注水泥水玻璃雙液漿。

2)注漿加固：將能固化的漿液注入裂隙或空隙中，能夠起到防滲和加固的作用。在初期支護期間，如果出現大變形侵限、仰拱隆起、襯砌開裂、塌方等問題，首先應進行注漿，使旁邊的巖石能夠固結，把圍巖的穩定性提高，防止軟弱圍巖發生變形。對于無水或貧水地的地方可以用單液漿注漿，富水地方采用雙液漿注漿。

但是現階段的使用方法還存在著很多不足，施工也有很多不便的地方。由于軟弱圍巖在高地應力的作用下很容易發生擠壓變形，應力處于復雜的狀態，塑性區內的巖體同時受到剪切和擠壓作用，使得圍巖中的質點往開挖施工的方向進行移動，導致了隧道發生大變形。

若在施工時設置變形縫，由于巖石與水融合后，會有一定程度的膨脹。而變形往往是因為巖石沒有足夠的空間，才會向外鼓出，出現較大的變形。若能夠提前預留出足夠大小的變形縫，會給巖石膨脹提供出足夠的空間，減小巖石之間的擠壓，可以防止因為巖石向外鼓出而引起的變形。變形縫還可以防止滲水，阻礙了軟泥地區遇水塌陷的危害。一般情況下，可將變形縫設置在軟硬巖變化處和明暗分界處，一般每30 m處設置一道，見圖1。

3 結語

在木寨嶺隧道出現的病害，大多數都是變形問題，因此，是否能夠抑制變形的發展，是保障隧道在施工過程和使用過程中維持穩定的重要因素。前文所提到的幾種處理變形的措施，在木寨嶺隧道中，能夠解決一些現有大變形問題，并為以后的隧道修建過程中所遇到的病害問題，提供一定的經驗，有效的預防并減少因隧道結構的破壞造成的財產損失。

除了在隧道變形后要進行治理外，更主要的還是預防隧道變形。原因在于隧道發生大變形后，需返工處理,在嚴重地增加成本的同時，也會拖延工期。不僅如此，隧道大變形后，會伴隨有更繁瑣的后期施工，花費的人力物力也更多。為了避免這一系列事情的發生，總結經驗教訓,采取預防措施對于隧道工作者們是必不可少的。除此之外，在后續隧道施工中應加強施工地質工作,準確了解隧道所處的地質條件,優化施工開挖方案，以確保施工安全順利，從而減小隧道破壞所造成的損失。

參考文獻:

[1] 沙 鵬，伍法權，李 響，等.高地應力條件下層狀地層隧道圍巖擠壓變形與支護受力特征[J].巖土力學，2015，36(5):1407-1414.

[2] 孫利民，孫利軍.深部高應力軟巖層大硐室聯合支護技術[J].中州煤炭，2011(11):70-71.

[3] 李鴻博， 戴永浩，宋繼宏，等.峽口高地應力軟巖隧道施工監測及支護對策研究[J].巖土力學，2011，32(S2):496-501.

[4] 田 鵬.高地應力軟巖隧道圍巖壓力及二襯受力特征研究[J].鐵道標準設計，2016,60(8):108-112.

[5] 吳發展.木寨嶺隧道右線出現塌方處理[J].青海交通科技，2016(4)：107-108，114.