软岩大断面隧道施工变形控制研究

王嘉悦

摘要：在隧道施工作业中，软弱围岩段通常是关键部位。如何保证隧道围岩的稳定性，提高施工进度，是施工中需要考虑的重要环节。为确保隧道施工更加方便、安全，原设计方案中仍采用全断面法代替短台阶法。然而，采用全断面法施工时，隧道的应力和位移是否满足要求，是否应加强早期支护，都是施工人员必须注意的问题。从隧道施工安全的角度出发，有必要对这一问题进行科学研究。

关键词：软岩大断面；隧道施工；变形控制；措施

1有限元分析

某隧道工程长度5360m，埋深最大值439m。隧道进口路段有9m的明洞，而其围岩等级分别为III、IV和V级。采用有限元分析软件ABAQUS对其进行建模分析，隧道上覆土层压力为2.5×106Pa。约束水平方向的两侧边界位移，约束隧道底部的竖向位移，以单向约束隧道前后。在隧道初期支护中，锚杆用于发挥锚固作用。

2软岩大变形地段隧道施工特点

在隧道施工过程中，由于地质条件复杂，通常会遇到一些困难，如软弱围岩引起的变形位移、初期支护干裂缝等，这给现场施工带来了巨大的安全风险。为减少安全隐患，减轻地质环境造成的破坏，施工过程中应根据预设计方案、超前地质预测和监测测量数据信息，采取相应的工程措施和安全防范措施，以减少不利影响。

把由于变质作用和构造作用形成的软岩称为构造软岩，如长石砂岩和千枚岩、塑性凝灰岩塑性粘土层、强风化岩石凝灰岩、粉砂岩软岩和其他岩层，或在地基埋深相对较大、地表水围岩丰富多彩的高地应力区。洞身开挖前不容易看到。支撑完成后，初始支撑逐渐收敛并变形。变形速度相对较大，并且变形速度不会随着时间的变化而减缓。软岩的大变形产生文章段落。通常可以观察到初始分支干裂纹或凸起，初始分支干裂缝脱落。软岩制品段变形较大，连续时间较长，初始钢架结构变形变形，钢架结构连接处螺栓断裂。初始分支的收敛比较严重，收敛速度比较大。

3各控制点围岩位移

由于存在等效的洞身开挖横截面及其初始条件，浮顶和底板的围岩变形大多为纵向位移，只有相对较小的水平位移，且方向朝向隧道里。侧墙围岩变形多为水平位移，只有相对较小的纵向位移。拱脚及其拐角处围岩的变形包括水平位移和纵向位移。主要原因是浮顶围岩在自重应力环境下向隧道方向变形，而拱脚、边墙和拐角区域的围岩也承受侧向工作压力，底板围岩由于不能水平移动而反映为纵向位移。如果有底板，其纵向位移将受到管的约束。

不同类型的隧道洞身开挖方法将对围岩的水平和纵向位移产生不同的影响。全断面法施工过程中形成的围岩承载力和纵向位移较大，预留核心土法施工时的围岩变形最小，这意味着当基坑的横截面相对较小时，围岩的位移相对较小。立即支护可以充分减少围岩变形。在软弱围岩水平下，可根据不同的施工方法充分减小围岩位移。

洞身开挖后，位移变形是否与底板初步支护的设置有关。设置底板后，墙角的水平位移继续减小，这表明对于围岩的水平位移，设置底板的前支撑可以大大减小，并使其他区域的围岩位移达到一定程度。此外，与底板初步支护形式相比，洞身开挖方式的改变对围岩水平位移的影响较小。

根据埋置关键土的形式，通过施工可以很好地减小围岩的水平位移和纵向位移。但是，如果在使用这种施工方法时，墙角的水平位移仍然较大，则可以通过设置底板进行早期支撑的形式来控制。增大断面尺寸可能会导致围岩的地质环境发生变化，使其从整体分散中变为小块。因此，减小洞身开挖断面对围岩水平有一定的改善作用。与其他开挖方法相比，围岩具有一定的变形，因此在这种施工方法中，底板处的围岩纵向位移最大。在研究围岩底板变形时，根据施工工作经验得出了判断软弱围岩大变形的要求，因为在此阶段未定义大变形。第二勘察设计院已明确指出，隧道施工和早期支护增加后，隧道支护结构130mm以上的变形和多线隧道支护机构250mm以上的变形均为大变形。洞身开挖和初步支护后，由于围岩应力场较大，支护结构受损，支护变形与跨度之比在1.5%以上，即隧道围岩发生较大变形。

4降低软岩大变形的预防措施与处理技术

4.1降低软岩大变形的预防措施

为了减少软岩大变形引起的初期支护侵入和沉降造成的损失和安全风险，可采用以下方法解决：洞身开挖方法采用台阶法，以降低洞身开挖在工作台上的相对高度，便于立即支护，减少洞身开挖和支护周期时间，降低施工安全风险，避免因岩石巷道暴露时间过长而导致的坍塌等事故；在软岩大变形一节中，采取了短进尺、多循环系统、弱工程爆破、强支护等措施，严格控制洞身开挖涌水量。钢框架结构在中部淤泥中，隧道底部3米以内；根据预设计方案的大变形类型和围岩监测测量数据的大小，提前预埋变形量，确保初期支护恢复后的隧道静态空间规范满足设计和施工要求；完善隧道围岩监测和测量，利用监测和测量数据信息指导现场施工，调整预埋变形和钢架结构型号和规格；洞身开挖完成后，立即对封闭环进行支护，并设置临时横向支撑；操纵隧道的安全横向距离，尽量减小从岩石巷道到仰拱到二次衬砌的安全横向间距，并在初始支护恢复后设置二次衬砌，以避免初始支护失稳导致二次衬砌干裂。

4.2使用径向注浆加固围岩

支架的一次循环系统完成后，应进行轴向压实灌浆，以通过所有泥浆填充使岩石间隙紧密。围岩轴向压实灌浆可以将浆液与围岩连接起来，改善岩石的支护结构特性，使围岩更加耐久。塑性变形区的厚度大于轴向结构加固桥台的厚度。深入分析了仰拱下伏层薄弱的基本标准，并将仰拱的范围包括在轴向灌浆拱腋的范围内。应用Ф42mm引线小导管作为套筒阀管，间距设置为1米，呈梅花形。对于极软弱围岩，正常软岩变形段的轴向维护桥台的一半长度设置为4.5米，河岸段的有效半径设置为7米。考虑根据不同的地质环境条件设置有效半径。

4.3强化锁脚及脱空处理

钢架结构锁腿锚管的深度和数量，以及角尾与钢架结构的连接点都是危及软岩大变形的重要因素。与隧道工作空间的影响因素相比，应用长度为6mФ76mm无缝钢管作为锁脚锚管，对初始支护基础的收敛变形和沉降起到了积极的促进作用。在软岩开挖过程中，围岩稳定性较弱，初期弓腰经常脱落或滑落，块体脱落，为有效控制软岩松动带的扩大。选择混凝土填充法在超前小导管后面或上方进行内腔施工，这会快速产生初始支护结构和围岩形成的相互作用力。

4.4做好监控量测工作

软岩隧道安全施工进度的检测镜是技术监测手段，可以保证软岩隧道的安全施工和结构强度。监测断面为隧道设置的新位移隧道检测项目总数为5项，即仰拱突出、墙腰收敛、拱脚收敛、拱腰收敛和浮顶向下移动。设置横断面时，横断面间距设置为5～10m。

结论

隧道洞身开挖后壁水平位移较大，底板纵向位移最大。隧道采用全断面法施工后，围岩变形和初始支护应力最大，而采用预留核心土的施工方法所得的数据则最小。通过增加底板的初步支撑，可以有效地抑制墙角的水平位移。根据全断面法，围岩位移和地应力最大，但均在可控范围内，说明全断面法具有一定的可行性分析。根据全断面法，隧道洞身开挖具有机械化强、施工速度快等其他方法所不具备的优点。因此在该隧道V级围岩中，为缩短工期，选择以全断面法进行施工。

参考文献：

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[2]丰正伟,刘新荣,傅晏,等.软弱结构面对隧道围岩稳定性的影响研究[J].地下空间与工程学报,2009,5(4):745-749.