隧道軟弱圍巖大變形的分析與處治

鄭寰宇 梁露 黃春龍

摘要：文章闡述了圍巖大變形的概念，介紹了圍巖的變形機制和變形規律，分析了圍巖大變形的成因，并針對軟弱圍巖掌子面前方變形、掌子面擠出變形和掌子面后方變形情況，總結提出了與之相對應的處治措施，為今后隧道穿越軟弱圍巖施工提供借鑒。

關鍵詞：軟弱圍巖;大變形;處治

This article describes the concept of large deformation of surrounding rock，introduces the deformation mechanism and deformation law of surrounding rock，analyzes the causes of large deformation of surrounding rock，and then，regarding the deformation in front of the work face of weak surrounding rock，the extrusion deformation of work face，and the deformation behind the work face，it summarizes and proposes the corresponding treatment measures，thus providing the reference for the construction of tunnel passing through the weak surrounding rock.

Weak surrounding rock;Large deformation;Treatment

0 引言

隨著近幾年國家經濟的發展，交通建設不斷向山區延伸，隧道大規模修建，隧道穿越軟弱圍巖的情況越來越多。由于軟弱圍巖地質的復雜性及不良性，隧道在軟弱圍巖施工時，常常會出現因隧道圍巖變形量大、變形速率快導致隧道初期支護變形侵限，甚至發生坍塌的情況。一旦發生此類情況，將嚴重拖延隧道施工工期，且其處治難度大、處理風險高、處理費用高昂。在隧道建設中，如何處治軟弱圍巖大變形值得我們研究和探討。本文通過分析圍巖的變形機制、變形規律和大變形成因，總結提出了對應軟弱圍巖隧道掌子面前方、掌子面擠出及掌子面后方等變形的一系列處治措施。

1 大變形定義

圍巖變形是指隧道周邊巖體變形，大變形是相對正常變形而言的，指超過了圍巖的正常變形而致使支護破壞或者侵限的變形。在隧道開挖后，由于受力狀態的變化，圍巖都會產生一定的變化，在公路隧道設計中，均根據各類圍巖和新奧法復合式襯砌結構的特點，制定了相應的初期支護預留變形量以解決隧道施工中圍巖的正常變形。但有時隧道圍巖的變形量超過了常規的初期支護預留變形量，造成初期支護變形、損壞、侵限，甚至是坍塌，這一類的變形稱為大變形。

2 變形機制

隧道圍巖變形機制主要由材料變形與結構變形兩個方面組成。其中材料變形包括彈性變形、塑性變形、黏性變形等;而結構變形包括結構面的張開或閉合與滑動變形、層狀圍巖的彎曲變形、塊狀圍巖的滾動變形、土砂圍巖的擠密或松弛變形、軟弱夾層的擠出變形等。其中，塑性變形、黏性變形及結構變形是軟弱圍巖的主要變形。

3 變形規律

隧道開挖后，導致圍巖應力的調整，而應力的調整引起圍巖同時出現了掌子面前方、掌子面擠出和掌子面后方等三種位移。掌子面前方先行位移的位移值及位移范圍與圍巖條件相關，圍巖越差，位移值和位移范圍越大。一般條件下，產生位移的范圍為1.0～1.5倍隧道跨徑，位移值占總位移的20%～30%，軟弱圍巖甚至能達到50%以上;掌子面在隧道開挖過程中，也會出現掌子面擠出變形;掌子面后方的位移在初始階段位移速度和位移量值都比較大，一般在距掌子面1～2倍隧道跨度處位移基本收斂，軟弱圍巖中該收斂距離會更長。

4 大變形成因

隧道施工過程中，軟弱圍巖產生大變形的原因主要有：圍巖的特性、地應力條件、地下水影響、施工和設計因素等幾個方面。軟弱圍巖開挖后，由于其強度低，具有一定膨脹性或不利的構造條件，容易松弛而發生塑性變形，這是大變形的基本條件。隧道開挖后，初始應力狀態調整，受高地應力作用，軟弱圍巖屈服、破壞是大變形的重要原因。地下水的軟化、崩解作用使巖石強度、巖體結構強度、結構面間摩擦系數大大降低，加劇了軟弱圍巖的塑性變形。在設計和施工方面，斷面形狀受力不合理、爆破擾動、初期支護強度不足、初期支護封閉時間滯后等情況也將會導致出現大變形。

5 大變形處治

隧道軟弱圍巖大變形的處治關鍵是控制掌子面前方變形、掌子面擠出變形和掌子面后方變形的發展，通過科學的開挖方法和合理的支護措施均能有效地控制大變形。

（1）掌子面前方的變形控制主要采用超前支護的措施。常用的超前支護有超前錨桿、超前小導管、管棚、水平旋噴注漿等。

（2）掌子面擠出變形控制普遍采用預留核心土、掌子面噴錨支護以及掌子面前方注漿加固圍巖等措施。

（3）掌子面后方變形控制主要采用由錨桿、鋼筋網、噴射混凝土、鋼拱架等組合而成的初期支護和合適的開挖方法做到少擾動、早封閉。在特殊的情況下，還可以使用長錨桿、預應力錨桿（或錨索）、雙層初期支護等措施加強初期支護。針對軟弱圍巖隧道基腳下沉、基底鼓起的情況，可考慮通過加強鎖腳錨桿（或錨管）、增設臨時橫撐或仰拱、擴大拱腳、底部注漿或旋噴樁、樹根樁、鋼管樁等方法來處理。

6 工程實例

廣西賀州至巴馬高速公路（都安至巴馬段）弄莫隧道右線YK362+515～YK362+531段穿越軟弱圍巖，設計圍巖級別為Ⅴ級，埋深約160 m。原設計支護結構為間距40 cm的42 mm小導管超前支護，由Ⅰ18 mm工字鋼（間距75 cm）、 C25噴射混凝土厚度24 cm、8 mm鋼筋網間距20×20 cm、長度350 cm的25 mm中空注漿錨桿間距120 cm（環向）×75 cm（縱向）組成的初期支護， 45 cm厚的C30防水混凝土二襯襯砌。在上臺階施工中出現圍巖大變形（拱頂下沉和周邊位移達到11 cm/d），將已施工完成的上臺階初期支護擠壓開裂破壞。大變形出現后，對掌子面進行反壓回填，在該段打設37根間距50 cm的108 mm大管棚（每根大管棚長度為18.5 m）進行超前支護，初期支護拱架調整為Ⅰ20 b工字鋼（間距50 cm），并采用108 mm鋼管深入基巖作為鎖腳錨桿，使圍巖大變形得到了有效控制，成功穿越了此段軟弱圍巖。

在修建新關角隧道穿越斷裂構造、層狀構造等軟弱地層時，也發生了圍巖大變形的情況。遭遇大變形后，根據變形的嚴重程度采用了相適應的處治措施。當圍巖發生變形，變形值超過一定數值后，先采用了42 mm小導管徑向注漿對圍巖進行補強加固;當小導管徑向注漿后圍巖變形仍沒有收斂，但初期支護還未開裂破壞或侵限時，在初期支護工字鋼拱架拱圈起拱線處加設159 mm熱軋無縫鋼管頂住工字鋼拱架做橫撐加固;當圍巖的變形發展至初期支護開裂破壞或侵入二次襯砌結構時，對開裂破壞或侵入二次襯砌結構的初期支護采取逐榀拆除更換處理。為了確保安全，適當地加強重新施工的初期支護，并留有足夠的預留變形量以防止初期支護再次變形侵限。在特殊地段甚至還采取了雙層初期支護：第一層初期支護剛度較大，設置Ⅰ20 a工字鋼拱架（@50 cm），噴射28 cm厚的混凝土;當第一層初期支護變形達到10 cm時，迅速架立Ⅰ16工字鋼拱架（@50 cm），噴射20 cm厚的混凝土作為第二層初期支護，第二層初期支護的工字鋼拱架設置在第一層初期支護工字鋼拱架同一橫斷面上，以共同抵抗圍巖的變形擠壓。

7 結語

隧道軟弱圍巖開挖后，圍巖變形量大、變形持續時間長，掌子面前方變形范圍大，開挖初期掌子面后方變形速率快。根據新奧法的原理，軟弱圍巖的變形控制宜采取剛柔結合的控制方式，預留適當的變形量允許圍巖發生一定的變形，加強超前支護和初期支護，把圍巖變形控制在允許范圍內，讓超前支護控制圍巖荷載的釋放，讓初期支護承擔圍巖釋放的全部荷載，讓二次襯砌作為支護結構的安全儲備控制圍巖殘余變形。為避免軟弱圍巖隧道大變形的發生，在隧道修建過程中，應特別重視減小圍巖塑性變形，及時進行支護以減小圍巖應力釋放，加強支護結構早期剛度以抵抗圍巖塑性變形。

參考文獻：

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