软岩大变形隧道施工技术探讨

2020-03-12田伏龙

工程技术研究 2020年4期

田伏龙

（兰州交大工程咨询有限责任公司，甘肃兰州 730070）

在实际进行隧道修建的时候，首先需要对水文地质以及工程地质的实际情况做到充分了解和掌握。一般来讲，所建设隧道的质量以及进度情况都和工作人员对地质状况的掌握程度有关系。如果施工现场地质情况较好，就能够保质、按时完工。如果地质状况相对较差，例如，假如遇到了软弱破碎或者是断裂带等地质，就可能会对其建设质量和工程造价造成一定的影响，甚至延长工期，严重者还会导致一系列的安全事故，对施工设备造成一定的损坏，影响人们的生命安全。如果在进行隧道修建的时候遇到了大面积的软岩大变形的情况，很可能就是由于相关人员在进行勘察的时候没有对水文地质以及工程地质情况做到全面掌握，在设计和施工期间对于开挖和支护方案的选取不够合理。所以，超前地质预报技术、开挖和支护方法的合理选择等对隧道建设的工期长短、质量以及安全等方面有着一定的影响。文章先就现阶段软岩隧道施工技术研究现状进行了分析和介绍，接着结合工程实际情况对相关施工技术进行了详细分析和探讨，希望能够给相关人士提供借鉴和参考。

1 软岩隧道施工技术研究现状

之前在进行软岩隧道支护的过程中，通常都是以单一的支护为主，最终效果不佳。近些年来，众多教授和学者纷纷加大了对隧道支护的研究力度，逐渐开始将超前支护、锚喷支护、注浆加固以及锚网喷支护等单一的支护方法相结合，从而形成了联合支护以及多次支护的形式，其效果十分理想。现阶段，在软岩隧道支护工程中锚索技术也逐渐成为最为主要的技术之一，它能够充分调动隧道深部的围岩强度，有效确保软岩隧道的稳定性，这也是当下我国软弱围岩隧道支护发展的趋势之一。通过多年工程实践，总结出了两种对软岩隧道变形进行控制的理念，分别为刚性支护控制理念和柔性支护控制理念。前者主要是通过提升衬砌以及支护的刚度来提升围岩的自承能力，进而对软岩隧道的变形情况进行控制，该理念在一些地层松软、围岩压力小的隧道浅埋地段或者是洞口段，对地表沉降以及隧道变形情况要求较高的地方更为适用。而后者，则允许隧道有一定的变形情况出现和释放地应力，将初支上的压力降低，采用可缩式支护以及多重支护等柔性支护方案，对围岩过度变形和过度松弛的情况进行抑制，进而从根本上保证隧道的稳定性。

2 软岩大变形隧道病害

2.1 工程概况

兰渝铁路两水隧道（DK357+070～DK362+095）位于甘肃省武都区白龙江左岸中山区，隧道全长4945.35m，按双线设计，其中3761.35m设计为V级软岩，1184m为Ⅳ级围岩。在隧道洞身中主要的地层为灰岩以及千枚岩，其中最为主要的地层就是千枚岩，颜色主要以灰黑和深灰为主，主要呈片状，含有炭质鳞片交晶结构，整体稳定性相对较差。

2.2 变形特征和机理

（1）变形特征。①具有变形速率高和变形量大的特点。该工程段中的地质情况主要以长石石英粉砂岩和炭质绢云千枚岩为主，该围岩变形时间相对较长，遇到水容易出现软化和膨胀的现象，一旦产生变形，控制起来十分困难，其最大变形量会达到420mm，变形速率将达到7～13mm/d，和《铁路隧道监控量测技术规程》（TB 10121-2007）中的标准相比要高出很多。②变形情况会持续很长的时间。对其进行持续性的监测，能够发现即便是在开挖之后围岩也不会随着时间而有所收敛，具有“前期收敛，后期发散”的特点，变形时间可以长达数月之久，有的甚至一直持续到完成二次衬砌。③呈不均匀分布的状态。在完成了初期支护之后，隧道各个部位之间的变形值会出现较大的差异，和本隧道内围岩破碎以及偏压等特性相比，隧道断面的量测数据会产生右侧线路偏大的现象。④无法预测变形量。因为监控量测的分析数据和掌子面开挖要稍微滞后一些，所以很难预测软岩大变形段的变形量，对于初期支护断面的尺寸也很难有一个精准的确定。

（2）大变形机理分析。①炭质绢云千枚岩夹变长石石英粉砂岩单轴饱和抗压强度为5MPa，基本承载力为300kPa，属于软岩。在进行开挖之后由于围岩本身的流变性、较差的承载能力、来压快以及较短的自稳时间等特点，在隧道开挖之后围岩变形情况也会持续；并且由于千枚岩本身具有遇水容易出现软化现象、层间结合性相对较差以及完整性较低等特点，以至于在施工过程中容易产生变形的情况。②应力作用。由于集中应力、隧道埋深以及构造应力等方面的原因，隧道具有较高的围岩应力，岩体内部具有较大的残余应力，以至于对隧道四面造成压力，除了具有侧压以及顶压以外，还具有低压，出现底鼓变形情况的概率相对较高。③地下水的原因。相关试验结果显示，千枚岩在遇到地下水的时候容易出现软化的情况。在实际施工过程中，因为形成了新泄水通道，以至于山体内部以及表面的地下水都聚集在隧道的周围，所以渗透压力相对较大，使千枚岩遇水泥化、软化等现象更为明显，在一定程度上降低了岩体的物力力学特性，围岩破坏和变形情况进一步加剧。在隧道进口区因为反坡施工排水情况不佳，所以在隧道中出现了底板积水和裂缝渗水的情况，可能会出现速调受力不均的情况，以至于产生隧道变形的情况。④偏压作用。因为线路走向的原因，以至于隧道大多位于顺层偏压位置；在分析和总结了现场以及监控量测数据后可以发现，线路左右侧的变形数据差异较大，但是左侧要小于右侧。⑤施工方法的原因。隧道为单线，在对其进行开挖的过程中主要以正台阶法为主，但是由于内部空间相对较小，所以如果采用大型机械来进行施工，困难很大。另外，该隧道施工段的工期较短，承建单位在软弱围岩方面的施工经验不足，可供参考的成功案例不足，再加上整个开挖支护工作所需时间相对较长，钢拱架单元连接和落底环节施工质量不高，后续仰拱、二次衬砌施工距离掌子面较大（即仰拱施工距离掌子面最大为50m，二次衬砌施工距离掌子面最大为110m）等导致了千枚岩围岩出现了变形的情况，甚至还会对隧道施工的安全性和整体稳定性造成了一定的影响。

3 施工技术

3.1 机械开挖

开挖软岩隧道时候一般都是采用机械。首先，炭质千枚岩以及板岩等围岩强度不高，机械设备刚度较硬可以将其破碎或者是凿除；其次，和爆破开挖相比，采用机械开挖震动相对较小，能够减少对围岩所造成的干扰，避免出现突变或者是大的变形情况。在实际施工过程中主要以铣挖机、挖掘机以及破碎锤等为主。因为所要开挖的断面空间相对较小，破碎锤以及挖掘机会受到大臂伸展以及转弯半径等方面的影响，难以触及轮廊线的外侧和拱脚处，通常会导致欠挖或者是超挖的情况，对变形控制和拱架安装等工作十分不利。但是由于铣挖机前端的多齿合金钻头可以360°进行转动，可以更加便于对围岩界面进行凿除，同时还为出渣工作提供了一定的便利，工作效率也有了一定的提升；并且铣挖机在剥落渣体的时候一般所采用的都是钻头，和破碎锤和挖掘机不一样，所以对围岩所造成的影响较小，变形控制也要更为容易一些。所以说，在工作效率提升以及变形控制方便，铣挖机具有一定的优势，在对软岩隧道进行开挖的过程中可以优先采用。

3.2 纵向连接

在软岩大变形隧道施工过程中，其整体变形情况相对较为严重而且也要更为复杂一些，例如拱顶下沉，主要是向下变形，净空收敛的话主要是以轮廓线内侧变形为主，而纵向位移的话主要是以向掌子面临空方向变形等。因为上述这些变形情况相对较为复杂，所以为了从根本上确保受力结构的整体性，必须将拱架连接在一起，否则在拱架连接的薄弱环节出现破坏的概率就相对较高。而在用药了H型钢之后，虽然在前期的时候拱架没有出现扭曲变形的情况，但依然产生了拱架间砼开裂掉块以及拱架前后倾覆等情况。通过研究发现主要是由于拱架的纵向连接缺乏受力，拱架整体性能相对较差而导致的，所以可以采用双根钢筋来代替之前单根的连接方式，同时在纵向连接钢架时，为了有效提升其受力情况，可以采用强度更高的I16型钢来进行。大量实践经验指出，该做法能够有效提升其抵御变形的能力，而且分析量测数据能够发现，如果累计变形达到20cm或者是更高的情况下，在纵向连接时利用型钢的话，初支体系的整体性能会有所提升。

3.3 拱脚支垫及螺栓连接

在具体进行施工的过程中，一般情况下会因为收敛变形或者是拱脚下沉而造成不能够顺接中（下）台阶拱架，所以，在具体工作中除了要将锁脚工作做好以外，还要从根本上确保拱架底部的平整以及足够的密实性。再者，因为软岩本身的破碎强度低，所以为了有效确保拱脚能够均匀受力，在对拱架进行支架操作的时候必须采用专用的预制块，进而避免有拱架悬空的现象发生。一般来说，垫板的连接部位的水平收敛应力相对较为集中，在此处的时候拱架所收到的剪切力相对较大，所以在连接时需要采用螺栓。在此过程中尤其需要注意的就是必须根据钢架的型号来选择适合的螺栓。

3.4 对钢筋进行二衬

根据新奥法施工标准，二衬隧道的主要作用就是用来修饰外观和储备应力，普通Ⅴ级围岩二衬虽被作为承载结构承受一定的（50%～70%）围岩松散荷载，但是依然不能够将其作为全部的承载结构，只可将其作为安全储备。在软岩大变形的作用下，因为受软岩变形的持续性影响，初支柔性结构和承载标准不符，二衬结构承载了大部分的松动圈围岩的压力，所以为了有效确保最终的施工效果，必须将二衬结构的承载水平提升上来，一定要确保二衬钢筋的强度，在施工操作中，可以将原来20cm的间距调整为12.5cm。大量实践表明，该做法效果良好。