不良地質段隧道支護襯砌優化方法探討

(四川公路橋梁建設集團有限公司勘察設計分公司 四川 成都 610041)

緒論

我國的公路隧道基本采取新奧法作為設計和施工的方法，支護的施做步驟為先施加初支等變形穩定后再施加二襯。

新奧法原理是充分利用圍巖的自我承載力的特點，并且使用錨桿與初支共同作為隧道襯砌的柔性支護，采取現場監控量測的手段并使用測量得到的結果來控制圍巖的變形，從而達到支護體系與圍巖共同承受荷載的結構體系。

但是對于不良地質段新奧法實施比較困難，例如當隧道處于巖溶段時，不僅會改變隧道圍巖的工程地質條件和水文條件，導致強度等級降低，同時，還會由于存在溶洞對隧道內的圍巖力學性質、物理性質產生影響，進而引起隧道地層剛度與初始應力場的變化，容易導致應力集中，最后因隧道底部溶洞的存在，使得隧道底部填充厚度大、酥松或地下河流給隧道基底處理難得的增加，隧道拱頂裂隙和地面漏斗、落水洞相連接,貫通坍塌可上延至地面[1-4]。

因此研究不良地質段隧道支護襯砌優化方法具有重要意義。

一、不良地質隧道研究設計施工現狀

本次研究不良地質主要分為隧道巖溶及巖溶水，以及石膏巖與膨脹性巖層。

(一)隧道巖溶及巖溶水

針對巖溶及巖溶水，由于巖溶及巖溶水發育的不規則并無規律性，國內隧道建設中也碰到大量的巖溶及巖溶水不良地質問題，也積累了一些工程經驗，但巖溶及巖溶水是目前國內公路、鐵路及市政道路隧道建設中最為棘手的難題[5]。

國內公路隧道建設者的主要應對方案是前期利用工程地質勘查手段力求初步查明巖溶及巖溶水的賦存條件，研究其發育宏觀規律，初步預測巖溶及巖溶水發育區的空間位置，提供隧道建設期間需要重點關注的隧道段落；隧道初步設計及施工圖設計階段，在充分研究隧道巖溶及巖溶水的工程地質和水文地質情況的基礎上，提出針對巖溶及巖溶水不良地質的處治預案。一般根據開挖中揭露的巖溶的空間位置、巖溶的圍巖情況和地下水出露情況和隧道與地下暗河的空間交叉形態，采取注漿或回填封堵，回填加強隧道結構跨越和柱式基礎加強結構跨越等方法；針對巖溶水，根據開挖中揭露的巖溶水的水頭、出水量等具體水文地質情況，結合隧道穿越隧址區環境保護要求、采取泄水洞、加強水溝排放、局部注漿堵水與全斷面注漿堵水等工程措施，隧道施工在加強超前地質預報，采取長期TSP預報、中期地質雷達預報、結合紅外線、瞬變電磁法等綜合物探方法，初步查明隧道開挖掌子面上下左線及前方的水文地質情況，再采取超前鉆探方法進行進一步驗證，測試巖溶水的水壓、水質等參數。

在查明隧道巖溶水的具體賦存情況后，采用數值模擬與理論分析手段對其進行詳細的工程分析，研究隧道及圍巖在工程建設中的穩定性，進而采用工程類比及結構分析方法，得到該不良地質條件下隧道的支護襯砌方案及工程措施，制定該條件下隧道的綜合施工方法[6]。

(二)石膏巖及膨脹性巖層

對于石膏巖地層段和膨脹性巖層段的隧道建設技術，國際上對此可借鑒的資料相對較少，其主要研究的方向為膏巖的生存和存在的概率。

近期主要的研究方向轉移到了石膏對混凝土的腐蝕特性上，主要考慮到石膏對襯砌的危害機理、對隧道施工和運營產生的影響。通過對近期對處于不良地質帶，石膏段圍巖的隧道的建設和實際施工進行研究，展開對處于石膏段的隧道的施工技術、石膏段支護襯砌的腐蝕機理和混凝土配合比設計。

但由于施工方法、石膏巖工程地質和建設標準的差異，其支護襯砌方案及參數差異較大，其一般根據主要工程地質條件，采用數值模擬與理論分析方法對隧道圍巖穩定性進行研究，進而采用工程類比，擬定該不良地質條件下隧道的支護、襯砌方案及相關工程措施，制定該條件下隧道的綜合施工方法。

為應對石膏巖地層隧道建設開挖后產生較大的變形，一般采取增加初支預留變形量的方法，其具體措施為：在二次襯砌與初期支護間增設可吸收變形的輕質混凝土或其他材質的材料，保障隧道結構不產生較大的變形破壞。

二、支護襯砌結構參數優化方法及內容

本次依托工程隧道不良地質洞段支護襯砌設計參數優化重點針對隧道巖溶及突涌水段和石膏巖地層段，主要根據圍巖實際地質條件，提出不良地質洞段的預設計支護參數，工程類比涵蓋全國多條公路隧道類似工程地質條件建設實際，支護襯砌設計參數優化研究根據《公路隧道設計規范》(JTG D70-2004)，按照新奧法設計施工原理，主要針對巖溶及突涌水段和石膏巖地層隧道段的超前支護、初期支護與二次襯砌，主要內容包括：

(一)超前支護：對于不良地質隧道段，適當的超前支護措施可以維持開挖掌子面的穩定，為后續工序提供安全作業條件，進一步保障隧道初期支護施工安全。超前支護設計一般包含超前支護的類型、單管長度、環向布置間距及排距等。

(二)初期支護：根據新奧法設計施工原理，不良地質隧道段初支一般是由噴射混凝土、錨桿、鋼筋網與鋼拱架措施四個部分組成，噴射混凝土設計一般包含厚度及強度等級，錨桿設計一般包含錨桿類型、單桿長度及縱環向布置間距；鋼筋網設計一般包含鋼筋類型及縱環向布置間距，鋼架設計一般包含鋼架類型和鋼架縱向布置間距。

(三)二次襯砌混凝土：同上根據新奧法設計施工原理，隧道一般采用復合式襯砌，在初支的基礎上在增加二襯作為隧道的承載結構，其設計一般包含二襯的類型、厚度、強度等級等。

(四)預留變形量：按照新奧法原理設計施工的隧道，在復合式襯砌的結構設計外，為最大程度的挖掘圍巖的自我承載能力，設計時往往給圍巖與初支保留一部分變形位置。其設計包含根據圍巖的巖性、產狀、地下水、節理裂隙等條件確定其大小。

(五)其它：除以上不良地質洞段隧道的結構優化外，施工中的超前地質預報、監控量測和施工方案等也是非常最要的環節，其設計包含超前地質預報手段和方法、監控量測測點的布置與測試、施工方案等。

三、結論

結合國內外地區不良地質段隧道支護襯砌結構設計施工現狀，對依托工程隧道的典型不良地質情況，提出了穿越不良地質段隧道支護襯砌結構參數優化方法探討思路，為后續不良地質段隧道支護襯砌研究提供支撐。