软岩大变形隧道施工支护方法浅析

软岩大变形隧道施工支护方法浅析

杜华

云桂铁路云南有限责任公司  云南省昆明市  650000

摘要：经济的发展，城镇化进程的加快，促进交通建设项目的增多。随着陆路交通运输的飞速发展，全球各类隧道建设的数量和规模正在不断增大，尤其是在我国西、南部等交通欠发达、一带一路沿线山地地区，在克服高山峡谷等地形障碍、缩短空间距离及改善陆路交通等方面，隧道发挥着不可替代的作用。然而，在隧道施工过程中，会遇到各种类型的地质灾害，包括：岩爆、高压突泥涌水、有毒有害气体突出及软岩大变形等，其中软岩大变形是最具代表性且危害极大的地质灾害之一。本文就软岩大变形隧道施工支护方法展开探讨。

关键词：隧道；软岩大变形；支护形式

引言

高地应力软岩大变形隧道在施工过程中，具有围岩变形时间长、累计变形量大、变形速率高等特点，常导致隧道初期支护钢架扭曲变形甚至折断、初支脱落失效侵限，从而需进行拆换等问题，对隧道正常施工带来极大难题。

1工程概况

某路线全长为133km。该项目在设计、建造阶段面临的重难点就是该段线路上的隧道工程，隧道长为50445m，隧道区海拔高程介于1197.60~2525.30m之间，相对高差为1321.70m，属高中山构造剥蚀地貌区，隧道穿越17个断层破碎带，埋深大，受地应力和地质构造等影响，施工中可能引起的软岩大变形等不良地质现象，是项目设计、施工必须要决的关键技术难题之一。导致软弱围岩产生大变形的原因可大致分为三种类型：高地应力作用引起的岩体剪切破坏、施工开挖引起的岩体结构面失稳、特殊岩类发生水化学反应造成的体积膨胀。因为具有典型的强流变性、低强度等特性，软弱围岩在开挖后需要经历较长时间进行其应力状态的重新分布，且难以达到稳定状态，此外，由于软弱围岩通常处于极高地应力的作用环境下，在经历开挖扰动时会导致其快速释放初始应力，围岩因松散破碎会在较大程度上失去其抵抗形变能力，因此，软岩大变形具有变形速率快、变形持续时间长、变形量大、破坏范围广等显著特点，软岩开挖后沉降、收敛过程缓慢，整个过程会持续较长时间，达到变形稳定状态一般需经历几周或数月时间，特殊情况下，整个过程会持续长达数年。因此，软岩大变形问题不仅关系到隧道在施工阶段的安全，而且还影响隧道的正常使用，是软岩隧道施工过程中必须重点解决的关键问题之一。

2隧道大变形主要影响因素确定

隧道是地质体中的人工构筑物，其周围岩体的受力和变形会受到地应力、地下水位、岩性及其层理和节理、黏土矿物、施工过程等诸因素的联合作用影响。在隧道开挖过程中，要针对以上诸因素，采取综合措施，考虑高地应力释放、及时支护、全断面支护、衬砌强度、止水防水等，以解决隧道开挖过程中出现的难题。

3软岩大变形隧道施工支护方法

在软岩隧道施工过程中，当前主要使用合理的开挖组织和支护结构形式相结合的措施，以解决软岩大变形带来的施工难题。在开挖组织方式选择上，为控制围岩变形，常采用三台阶法、超短台阶法、单侧壁导坑、双侧壁导坑等施工方法。可以根据工程具体情况，采用不同的开挖施工组织形式，例如某铁路大梁隧道（DK328+820~DK335+370）施工组织采用进、出口正洞+进出口局部平导+斜井辅助正洞进行施工的形式，设2个横通道辅助正洞施工，施工高峰期共计10个工作面。在选择合理的施工组织方式以外，还需通过合理的支护设计措施来解决软弱破碎围岩隧道大变形问题，当前采用的支护设计方法类型为：柔性支护方法（即通过容许围岩发生一定程度的位移变形，达到减轻作用于支护结构上荷载的效果的方法）和刚性支护方法（即通过尽早控制围岩位移变形来实现约束围岩产生松弛的目的的方法）。与刚性支护设计中尽早约束围岩变形的理念不同，柔性支护设计理念认为在一定范围内发生的围岩变形是有利的，可被接受，但需要采取合理措施来有效避免围岩中不利变形的发生，即通过允许围岩产生适度变形来释放一定的地应力，从而达到减小支护结构所承受围岩压力的目的，同时采取适当措施来约束围岩，使之不发生松弛和过分变形，最终实现保持隧道围岩稳定的效果。具体来说，柔性支护方法主要包括多重支护法、可缩式支护法和分阶段综合控制法。

4工程施工措施

4.1超前导洞应力释放

超前导洞措施是超前应力控制措施的一种，该方法是在掌子面先行开挖一个断面面积小于正常断面的导洞，并根据围岩情况进行临时支护。待导洞开挖一定距离之后，再一次扩挖至正常断面形式。对于超前导洞的参数选取主要考虑断面开挖参数和支护参数。（1）对于开挖断面的参数选取：出于应力释放的目的，开挖断面形式可选用直墙断面；为满足人工出渣及立拱的空间要求，断面的高、宽取3.5m左右为宜，导洞开挖面积约12m2，可采用钻爆法一次开挖成形。（2）对于支护参数的选取：为避免导洞在开挖过程中发生坍塌，同时保证发生变形时不影响应力释放效果，小导洞平导拱架支护宜采用Ｉ16型钢比较适宜，拱架间距根据围岩情况可选择0.8m～1.0m。

4.2大变形段双层支护施工

选择契合围岩变形时空效应的双层初支施工技术，是大变形隧道施工变形控制的有效手段之一。隧道围岩在开挖与初支后短时间内急剧膨胀和挤压，支护结构和围岩相互作用，共同变形，通过监测数据掌握变形发展规律，准确把握施作二支的最佳时机，使后续变形量不超过二支本身的屈服收缩，又可与一支共同抵抗围岩变形应力，达到控制大变形的目的。由于二支施作的方法、时机不同，二支的闭合完整性更好，是对一支局部变形失稳后的补充，两者形成了初支控制变形的整体。从理念上彻底解决了初支破坏后另行拆换钢架的难题，保证了严重大变形段工程进度的顺利推进，体现了对极高地应力下围岩变形时空效应的应用。

4.3机械开挖

针对软岩强度低的岩性特点，开挖时尽量减少爆破开挖，采用非爆机械化开挖，通过已有工程实践表明，采用悬臂掘进机、铣挖机等机械开挖，可减少对周边围岩的扰动，并实现支护的尽早闭合成环，能最大限度的保护岩体原有的自承能力，有效控制围岩变形。因此，在高地应力软岩隧道施工中，可尝试采用机械开挖工法减少围岩变形。（1）悬臂掘进机开挖工法。悬臂式掘进机是一种隧道掘采设备，集截割、装载、运输、行走于一体。悬臂掘进机低振动、低噪音的特性，可在限制爆破地段有效的替代爆破施工，也可对松散围岩施工，从而减少超挖，避免塌方等情况发生。掘进机施工时，首先在掌子面底部水平割出一条槽，然后采取左右循环、自下而上的方式切削围岩，同时将切下来的渣装入悬臂掘进机自带运输机，传送至尾部汽车运出洞外。开挖时分两次开挖到位，第一次为先掘进拱部环形，先后从掌子面左侧、右侧底部开挖至拱部成型；第二次修整到准确设计断面。（2）铣挖机开挖工法。对于围岩强度极低的岩层，可采用铣挖机直接进行开挖，装载机配合出渣，出渣结束后开展支护结构施工，对于隧道软弱破碎地段采用此种开挖方式，可以有利于减小变形速率，减少挠动，控制围岩变形。

结语

软岩大变形隧道在施工过程中，具有围岩变形时间长、累计变形量大、变形速率高等特点，。在实际施工中，针对隧道高地应力大变形控制方案及措施，在验证现有措施有效性的基础上，还应不断开展技术攻关，创新高地应力软岩大变形控制技术成果。

参考文献

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