软弱围岩隧道变形及其控制技术相关分析

张琨玮

中国电建集团成都勘测设计院有限公司四川成都611130

摘要：隧道围岩大变形常表现为断面缩小、拱顶下沉、周边收敛、基底隆起等现象，导致成洞困难或初期支护严重破坏。隧道穿越埋深大、地应力高、岩体软弱等地质环境时，在开挖方法不当、支护抗力不足或不及时的情况下容易发生大变形。

关键词：软弱围岩；隧道变形；控制

引言

围岩是指受隧道开挖影响而发生应力状态改变的周围岩土体。根据岩土体的强度，可将围岩分为坚硬围岩和软弱围岩两大类，软弱围岩主要包括软弱、破碎、富水等不良地质条件下的围岩，但不包括岩溶、瓦斯等特殊的围岩。隧道穿越高地应力区及遇到软弱围岩体时，常产生软弱围岩大变形等相关地质灾害，对隧道软弱围岩大变形的有效合理防治与控制愈显紧迫与重要。

1软弱围岩隧道变形概述

随着我国经济的高速发展，各项基础设施建设正在快速地推进。我国是一个地形地质复杂多样的国家，在山区进行交通工程建设不可避免的会遇到大量软岩隧道，并且埋深也在不断加大，随之带来了诸多问题，隧道大变形破坏就是其中之一。目前，关于隧道大变形仍没有一种学界公认的统一定义，根据前人的著述，其特点可描述为：深埋地下结构中表现出了与时间、岩体结构、水文地质条件、围岩岩性密切相关的特性，并受施工过程中的各种因素扰动的影响，这些因素反过来又影响施工和结构物长期运营的变形，比如交通隧道的变形。其中，软弱围岩隧道的时效特性正引起工程界的高度重视。软弱围岩具有明显的流变特性，与时间有着密不可分的关系，长期的工程实践表明，软弱围岩的变形和破坏并不是隧道运营初期立即完成的，而是经历很长时间不断变形的积累，出现大变形以致失稳和破坏。

2隧道大变形原因分析

2.1围岩软弱

一般影响软弱围岩变形的主要因素是围岩的性质，包括围岩级别，围岩结构，地应力，岩体的力学性质、隧道埋深等。软弱围岩是隧道发生大变形的内在因素，。例如，某工程中，围岩为粘土夹岩溶角砾，粘土松软，含水量高，角砾棱角分明，围岩十分软弱，用地质锤可轻松剥离。由于隧道右侧围岩强度低，开挖后硐室周边由三维应力状态转变成二维应力状态，洞周切向应力急剧增大，围岩强度应力比减小，使右侧围岩发生塑性破坏而向内挤入。围岩自身强度较低，对地下水敏感度高，隧道洞身开挖后围岩产生塑性变形松动圈范围大，作用在初期支护的压力较大，围岩变形持续的时间比较长。同时，通过采取适宜的超前预加固控制变形技术，还能够对隧道掌子面前方围岩变形情况进行有效的控制，进而避免发生掌子面坍塌现象。此外，对于断层破碎带以及软弱地层，尤其是在含有丰富的水源时，必须要对围岩进行超前加固施工，进而改善地层，保证隧道施工的安全。

2.2支护强度低

对于软弱围岩隧道，开挖后支护应尽早封闭成环，对于围岩压力持续增加，变形收敛时间长的隧道，应趁早施工二衬，利用模筑混凝土刚度大的特点，对控制持续变形有良好的效果。某工程隧道上台阶开挖后及时施作了初支，喷层厚度已达到要求，但上台阶拱脚锁脚锚管长度仅为2m，并没有穿过松动区，也没有注浆加固，因此不能充分发挥锁脚作用，故水平收敛很大。此外，格栅拱架刚度较低，拱架间距较大（1m），不能有效抵御拱脚剪力作用。

2.3水的影响

地表河流、冲沟与隧道距离较近，隧道上方冲沟附近发育有溶蚀漏斗，地表水可沿岩溶通道进入地下。围岩软弱松散，在地下水位以下处于饱和状态。在隧道开挖前该处岩土体中地下水位保持恒定，隧道开挖后地下水向坑道内渗流从而使隧道右侧地下水位降低，施作初期支护后由于喷混凝土有一定的阻水作用，阻断了右侧围岩地下水的渗流通道，使隧道右侧地下水位回升，故出现隧道左侧边墙干燥而右侧边墙湿润滴水的现状。同时，右侧拱墙支护结构承受静水压力的作用、。由于围岩含有黏土，遇水易发生膨胀、软化，从而使围岩自承能力迅速降低而压力不断增大，因此围岩和初支变形也表现为持续的发展。在地下水的作用下，围岩体积膨胀、强度降低，使得右侧初期支护同时承受膨胀压力与静水压力，变形不易控制。、

3围岩大变形控制处理措施

3.1加强超前地质预报工作

一般情况下，在软弱围岩隧道施工过程中，都会遇到隧道开挖揭示地质情况与工程设计提供的地质存在较大差异的状况。基于此，除了需要在设计阶段加强地质勘察工作之外，还必须在施工阶段进行超前地质预报工作。之后还需按照超前地质预报设计方案的要求，对超前地质预报中涉及的细则进行详细的编制，然后才可开展地质预报工作。同时，对于那些地质较为简单的地段，可以采用以地质编录为主的途径进行相应的施工，并依据掌子面开挖揭示的地层岩性、地质构造以及节理裂缝发育情况等来分析与判断围岩的稳定性。而对于地质较为复杂地段的施工，应在完成地质编录工作的情况下，进行物探超前地质预报，进而为之后勘察资料的对比与分析工作提供基础与便利，最终实现提升预报质量与精度的目的。此外，对于那些特浅埋地质复杂地段，可通过水平钻孔等途径，明确掌子面前方地质情况，然后采取合理的开挖方式来保证工程施工安全。

3.2选择合理施工方法

选择适宜的软弱围岩隧道开挖施工方法能够更好的保护围岩，减少塑性区域范围，进而最大限度地发挥出围岩的自承载效果，最终对围岩的变形量进行有效的控制。（1）在选择现场施工方式时，应依据地质与地层加固的具体情况来确定，并在实际施工过程中依据地质情况以及监控量测结果来及时的调整不合适的施工方法。（2）在采用爆破法掘进时，应全面掌握炮眼数量、深度以及装药量，进而在提高爆破控制技术的前提下，尽量减少爆破对围岩造成的破坏。

3.3加强支护强度和刚度

隧道施工过程中，当初期支护出现环向开裂的现象时，应该停止掌子面的继续开挖掘进，并且取而代之的是下台阶开挖，及时施作仰拱，使之闭合成环。加快仰拱施工，使尚未封闭成环的钢支撑尽快封闭成环，以减少围岩收敛变形，同时采取临时支护措施，预防出现坍塌。此外，对于软弱围岩隧道，掌子面和围岩稳定性差、成洞困难时应采用超前支护来加固围岩。由于隧道跨度较小，故采用超前注浆小导管即可，必要时施作两层小导管。为控制水平收敛，上台阶开挖后立即施作临时仰拱。对于左半断面拱墙部位仍采用系统锚杆加固，考虑到层面相对发育，调整锚杆使之与岩层面有较大夹角；右半断面由于围岩软弱疏松，锚固效果较差，取消系统锚杆，采用注浆加固。

3.4治理地表水和地下水

该洞段发生围岩大变形的一个重要原因是地表水随岩溶通道进入隧道围岩范围内，对围岩产生软化作用。治理地表水可以截断地下水的来源，从根源上解决地下水对围岩的劣化作用。对地表溶蚀漏斗附近冲沟、河流进行铺砌，防止地表水下渗。为全面阻断地下水对围岩的影响，在隧道右侧拱墙以及底部注浆堵水，同时，浆材可提高围岩强度。

结束语

软弱围岩隧道具有围岩强度低、结构破碎松散与结构面软弱等特征，在隧道开挖之后，掌子面极易发生较大的水平变形或是支护结构自身因受力过大而导致变形，最终引发塌方。针对大变形段围岩软弱、支护强度低、地下水发育等问题，结合围岩和支护变形特征，从施工方法、支护措施和地下水治理等方面对其进行综合治理。

参考文献：

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