大跨度软弱围岩隧道变形控制技术

大跨度软弱围岩隧道变形控制技术

陈文博

中铁一局集团有限公司 陕西省西安市 710054

摘要：当前针对大跨度软弱围岩隧道变形难题时，需要结合各类工程中出现的变形问题，以此整合产生变形的原因，为了能够更清晰的解决此类技术难题，本文以某一个工程为基础，结合此类隧道问题，对隧道变形问题进行分析，以此解决了施工地的实际情况，将复杂的地质条件简化，再结合隧道施工的需求，对技术难题进行了解决，基于此也确保了施工的质量。

关键词：大跨度；软弱围岩；隧道变形；控制技术

0引言

对于围岩而言，软弱是它最大的特性，其次就是开挖跨度大，因此此类围岩的施工很难控制质量，在稳定性方面也出现了各类问题。如果在施工过程中出现了变形问题，塌方的概率较大，还会发生边仰坡垮塌事故，以此降低工程施工质量，从而阻碍工程施工进度。其中结构高跨较小的隧道，很容易出现结构不稳定的问题，由于扁平状开挖所以整体稳定性很难保持，由于围岩是集中应力，在施加压力后松弛现象逐步增大，所以当围岩出现应力超支问题后，需要支护结构提供应力，让其能够保持稳定性，最终提高隧道施工的安全问题。

1工程概况

大跨度隧道指的是跨度为12-14m的隧道，本次工程采用大跨度软弱围岩隧道变形控制技术对其施工进行支持，具体工程概况如下：隧道位于一个村落境内，为单洞双线隧道，进口里程为DIK4+868，出口里程为DIK6+000，全长1132m。施工现场位于低山丘陵地区，地形有一定起伏问题，地表整体均被植被覆盖，并且在施工环境周围存在大量耕地。隧道的最大深度在五十三米左右，在隧道建设周围涵盖了某部队战术的训练地，周围还有环城公路，因此隧道施工难度较大，需要考虑的内容较多。环城公路位于施工区域内，公路地下管线较多，并且错综复杂，整体管线布置较为密集，其中不仅涵盖了天然气管线，还包括通信管线、雨水管线，此类管线全部分布在公路的两侧，可为隧道施工带来难度。因其隧道身下有环城公路并且还涉及到了人行天桥，其中涵盖的建筑物较多，施工难度较大。各类建筑物情况统计如表1所示。

建筑物情况统计表1

在建设区域内，土层是黏土，并且是第四系全新统坡洪积层，其中第四系全新统冲洪积层中的黏土，涵盖了砂岩、砾岩，而且岩层产状小于十九度。在地质勘探过程中我们还发现，地下水类型是裂隙水，其中基岩裂隙水在施工地的分布较广，一般情况下此类型水域会分布在较浅部位，并且此次施工区域也涵盖了基岩风化带，其中风化的裂痕和构造分布在裂缝中，但施工地的水位和水量会受到季节降雨的影响，随着降雨水量会发生一定变化。隧道进口部分采用大跨路堑式明洞衬砌，填土高度不高于四米。其余进口段间距在五米到八米范围内，其中渐变段的长度控制在四百六十米左右。此类施工工作需要综合考虑进行分析，确保能够充分应对大跨度截面隧道施工区域内的不良地质条件，减少工程风险。

2大跨度软弱围岩隧道变形控制方法

针对当前大跨度软弱围岩隧道施工工作而言，其中施工方法起到决定性作用，如果施工方式选择不能满足实际需求，在施工过程中机会出现各类变形问题，基于此针对施工方法和相应措施，相关施工人员需要结合各类技术，对此项内容进行深化，以此降低围岩隧道变形问题发生概率，以此提高相关施工质量。

2.1控制爆破

围岩在未经过外力打击时，一直处于应力状态，但伴随着隧道开挖工作开始后，围岩会一直被向前推，并且还会受到爆破开挖问题的影响，此时应力场平衡被扰乱，甚至平衡问题被打破，其中周围岩体也会受到应力的冲击，很多应力不能均匀在一个点上，因此整体应力被调整的难度较小。此类问题尤其针对软弱围岩隧道施工而言，在开挖工作开始后，很多岩石会松动，尤其在塑性区域内，影响范围较广，围岩中力学能力在不断下降，所以应力分布的结果逐渐超出了围岩自身的承受能力，因此也就造成了变形问题。

炮眼爆破法又被叫做浅眼爆破法，可以起到控制爆破的作用，具体是在岩石中进行一定数量炮眼的开挖，所有炮眼应保证长度在4米以下，直径不超过58毫米，之后，通过填装药量、堵塞、起爆完成控制。根据炮眼的作用以及位置的区别，炮眼分为周边眼、辅助眼以及掏槽眼，而周边眼又包括底眼、帮眼以及顶眼，控制爆破示意图见图1：控制爆破效果图如图2。

掏槽眼通常情况下位于工作面的中下部，其可在自由面的基础上利用槽腔为其他炮眼增加新的自由面，降低岩石夹制的影响，有利于后续爆破效果的提高。掏槽眼是基础炮眼，是最先开挖、起爆的炮眼。通常情况下，掏槽眼比其他炮眼深150～250毫米，装药结构为连续装药。掏槽眼的爆破对循环进尺或炮眼利用率有影响作用。掏槽眼通常位于巷道断面中央底板附近，有利于打眼时对方向的掌握；在存在显著易爆软弱夹层时，掏槽眼应位于软弱层中。由于爆炸能量释放方向通常为抵抗方向，所以掏槽眼装药量受抵抗方向影响，抵抗方向与自由面有关，自由面为需爆破岩石和空气接触面，炸药药包中心与自由面最短距离是最小抵抗线，当处于同一自由面，最小抵抗线受角度影响；当有两个自由面，W2>W1，最小抵抗线为W1。

周边眼通常情况下位于沿隧道最外一圈，其可以对于隧道断面的成形轮廓进行控制，相比较而言，周边眼装药量最小，装药方式通常为间隔装药或者是不耦合装药。周边眼的爆破对围岩完整程度、稳定性及隧道断面成形质量有影响作用。周边眼与掏槽眼的爆破直接决定隧道爆破效果。周边眼通常位于巷道轮廓线上，硬岩位于轮廓线外，与轮廓线外接；软岩位于轮廓线里，与轮廓线内切。炮眼直径和炮眼间距为正比关系，岩石抗拉强度和炮眼间距为反比关系。如为砾岩或砂岩，周边眼间距在400～500 mm之间；如为破碎地带、层理明显地带、节理发育地带、裂隙地带，周边眼间距可适当减小；如在煤层，周边眼密度应增加。为方便打眼，周边眼应向上或向外偏斜，通常坚硬岩层中偏斜角为3°～5°。

辅助眼是处于周边眼与掏槽眼之间的所有炮眼的统称，根据隧道断面大小不同，具体炮眼圈数可调整，其可对掏槽眼爆出的槽腔进行进一步扩大，便于后续周边眼的爆破，因此，辅助眼装药量多于周边眼装药量而少于掏槽眼装药量，装药结构为连续装药。辅助眼应在掏槽眼、周边眼布置完成后布置，以槽洞为中心，辅助眼进行层层布置，最小抵抗线计算方式与掏槽眼类似，在使用毫秒爆破法时，炮眼间距及邻近系数应合理扩大，邻近系数通常应大于0．8，且各层交错排列。

图1 控制爆破示意图

图2控制爆破效果图

2.2多层次支护

多层支护一共需要支护两次，第一次本成为初支护，如果围岩较好选择挂网喷锚支护即可，如果围岩不好则可以选择钢拱架支护在喷锚即可；后期支护被称为二次衬砌，主要应用台车进行浇筑，以此提高支护的稳固性。多层次强支护施工，主要支撑的界面是开挖断面，开挖断面的支护工作，需要紧贴支护岩层，尤其是较为松散的岩层，随着第一层支护工作的结束，继续施工还会出现变形现象，基于此需要多层次的支护工作。多层次强支护工作要结合力学参数问题，以此降低变形问题发生的概率，同时结合了力学参数的支持，施工区域也会形成压密区。随着第二层支护工作的开始，此次支护工作需要利用钢架对其进行支持，初期支护工作的强度较高，围岩发生形变后反力会加强，此时岩体力学参数被加速提升。随着此项施工工作的不断推进，初期支护成环，此时压密区就会受到挤压作用力，从而达到稳定状态，其此时围岩变形的速度就会减少，整体岩体力学参数也在逐渐减小，所以围岩和支护形成了平衡的状态，因此发生变形的概率逐渐下降。在整个支护过程中，围岩变形概率逐渐下降，在多层支护后，围岩应力逐步得到了转移。多次支护如图3所示。

土方开挖后，释放土层应力，常出现坍塌及变形情况，应利用初支进行支撑，提高进一步施工安全性，保证作业空间。在岩层自稳性好的情况下，使用柔性初支；在软弱易塌的情况下，使用刚性拱架。

图3多次支护

2.3台阶法施工

台阶法施工灵活多变并且整体实用性较强，一般采用两层台阶的方式进行施工。不同施工段落间台阶法施工时，台阶分别按照段落控制。并且在应用台阶法施工后，隧道断面会以此成型，后续结合多层支护的方法对隧道围岩变形情况进行改善，以此也减少了其他支护方式的支持，从而完善支护工序。如果大跨度隧道施工选择了分断面施工方式，那么其中如果拆除了临时支护结构，后续会对整体平衡问题造成影响，并且还破坏了结构的平衡，此情况制约了围岩自身的稳定能力，后续隧道形成变形的概率较大，此时对变形问题进行控制，整体效果不为明显，并且临时支护也不能在发挥出自身作用。而台阶法的支持，还需要结合对仰拱、二衬的综合施工而实现，可以配合控制爆破+多层次强支护共同施工，综合施工技术应用在大跨度软弱围岩隧道施工工作中，可以降低隧道发生变形的概率，还能提高整体施工工作质量，让其发挥出相应的作用，最终形成相应的经济效果。

两台阶法以人工配合机械开挖为主，配合预支护和预加固。开挖前利用超前水平钻进行超过3个的钻孔的开挖，具体钻孔位于两侧向掘进方向和开挖面上台阶顶部，钻孔搭接长度为2米，深度应超过6米，应保证钻孔有外插角。开挖前对于两侧开挖边线和隧道洞身外3米的水文状况通过地质雷达进行探测，探测测线应在隧道埋深方向探测深度25米内拱脚及拱顶部位，线路方向相邻的两次探测搭接长度超过5米。

上台阶利用人工配合机械进行环形拱部的开挖，开挖面需进行核心土预留，核心土断面应该为上台阶开挖断面面积的一半，且核心土应存在坡度，在存较大孤石在或硬岩时，进行局部爆破或风镐处理，不允许带水作业。上台阶循环施工，台阶长度不超过1倍洞径，通常为5～7米。下台阶在上台阶初期支护稳定且喷射混凝土达设计强度70%时可进行作业，下台阶隧底及侧墙进行交错开挖，禁止两侧同时悬空，交错距离应为一个循环长度。上下台阶循环交替施工。

3 隧道围岩扩大变形途径

3.1挖岩位移分析

在挖岩工作开始时，拱顶和拱腰工作可以让岩石发生变形问题，在开始施工时，最大值会随着施工状态而发生变化，最大值越大变形概率越大，在二者均稳定后，才可以让施工保持在稳定状态下。围岩沉降问题是施工中常见的问题之一，随着施工平稳上升，扩挖工作可以进行，沉降变形的概率完全与初期支护工作相关联，但此类问题不能完全被初期支护工作所控制，在阻止围岩沉降问题时，采用支护技术能够起到一定作用，在支护方面还需结合沉降角度对柔性支护内容进行综合考虑。在完成初期支护之后，围岩沉降的变形的问题不能再次发生，所以可以继续开挖台阶，其中沉降也会逐渐上升，一般情况下上升会有四厘米左右的量，而在下台阶完成整体支护后，变形问题逐步得到稳定。在下台阶围岩开挖工作结束后，其所产生的沉降问题，并不能影响到扩挖量，但如果负荷作用逐渐加大，沉降量也会随之加大，开挖每满一米后，拱顶会随之下降六十八厘米，其中拱腰也会下降六十三厘米，而拱脚会下降三十二厘米，综合分析我们不难看出所有沉降工作一般幅度在三厘米左右^[3]。

为了规避挖岩位移相关操作人员可以选择加设支撑的方式减少位移，按照设计要求将其开挖段落进行分段，没开挖一两段后开启支撑，使其纵向间距达到四米。

3.2初期支护位移分析

在进行支护之前，沉降值分析难度应该从初期支护外侧轮廓线进行，其中拱脚处的沉降值直接反映了沉降变形问题，具体情况均反应在拱脚方面。在围岩方面开始扩挖工作后，拱顶和拱腰会出现大幅度的沉降问题，具体沉降在三厘米左右，如果下台阶完成初期支护后，开挖会逐步走向稳定，并且不再出现沉降问题，其中拱顶的沉降值也会逐渐下降。在进行下台阶开挖第二天后，拱顶和拱腰的沉降变量发生变化，整体沉降值达到六厘米。其中拱顶沉降值保持在七厘米左右，拱腰沉降值在八厘米左右，最大沉降值可以达到十厘米。在进行扩挖工作后，拱腰和拱顶随着扩挖量的不断变化，沉降值也会逐步发生变化，沉降值随着扩挖量的增加而减少。在拱脚处沉降量与拱顶和拱腰有一定差异性，它会随着扩挖量的增加而上升，因此拱脚沉降问题常有发生，并且影响力度较大。

初期支护位移的控制方案我们可以结合实际的设计方案提高整体设计的准确度，以此降低位移情况发生的概率，并且融入现代化信息技术，提高其中涉及到各类数据信息准确性，以此让其作为初期支护的数据基础，规避位移情况的发生。

4结论

综上所述，针对大跨度软弱围岩隧道变形问题，相关施工人员为解决此类问题需要综合进行考虑，结合实际地质情况，使用综合施工技术，对其进行支持，以此降低软弱围岩隧道发生变形的概率。

参考文献：

[1]刘立明.大跨度软弱围岩隧道变形控制技术[J].四川建筑,2021,41(03):208-210+214.

[2]赵勇. 隧道软弱围岩变形机制与控制技术研究[D].北京交通大学,2019.

[3]史作璟. 天池坪隧道变形控制基准研究[D].兰州交通大学,2019.