对矿山法隧道工程创新主题的思考

对矿山法隧道工程创新主题的思考

李浩彬

河南省交通规划设计研究院股份有限公司 河南省 郑州市 450000

摘要：目前，随着隧道施工方式的多样化，“矿山法”仍是一种规模较大、规模较大的施工方式。由于地质体的复杂性、结构的隐蔽、施工对自然环境的干扰，使得矿山法隧道具有普通土建工程所无法比拟的特殊性，围绕安全、优质来谈论这一问题并非“老生常谈”。

关键词：创新；矿山法；思考；隧道；主题；工程

一、安全风险

1.数据鉴定与数据回馈

现场测量围岩及支撑体系的力学性能，是矿山法隧道施工的一个重要环节。在地质、环境等诸多因素的影响下，监测和测量是进行设计参数论证、进行“信息化设计”的基础。尤其是在软弱围岩施工中，该技术可以有效地防止围岩崩塌，从而避免危险。

然而，过去几年，监测量测技术的发展主要集中在数据的收集与传递，而对数据的判断与反馈缺乏关注。在软弱围岩巷道施工中，施工安全风险高，监测数据识别与反馈指标应至少包含以下内容：

(1)确定以围岩崩塌为主要危险因素，并在必要时发出预警，以避免发生安全事故；

(2)在高原应力较低的围岩中，必须掌握围岩的变形速度，从而合理地选择二次衬砌的施工时间，防止二次衬砌由于残余形变的压力而产生裂缝和返工。

若不能实现上述目标，则将导致按照现代隧道工程的概念，对监测工作的最终阶段，也就是对数据的判断和反馈，使得大量的数据变成了“装饰品”，从而导致获取数据的努力付诸东流。

2.软弱岩体的延性反应研究

重点论述了在软弱围岩隧道工程中发生的岩土崩塌预警。

在软质岩石中，破碎岩体和风化岩体虽然没有软质岩体的连续性和均匀性，但是由于岩石的个体规模较小，因此用数值方法计算其力学性能时，仍然可以概括为均匀连续介质。

一般铁路、公路隧道除了大跨度、高边墙、地应力性态等特殊条件外，都可以在一定程度上解决铁路、公路隧道的横向变形问题，从而有效地防止了围岩拉应力的产生。

软弱围岩“松弛”是由于岩体受压应力作用而产生的塑性变形，与剪切滑移有关。如果在“松弛”状态下进行变形控制，则可以使岩体在某种程度上维持连续介质的特性。仅在变形超过一定的临界值时，岩石才会发生“离散”。分散的岩石和岩石，与岩石母体分离，消除了原地应力的本底，使其坍塌到隧道中，或者通过自身的重力作用在结构上。从图1可以看出，在曲线右侧用虚线表示的那一部分仅仅是根据“理想塑性”进行的，并不存在。

图1

软弱围岩的受力特性对开挖反应的延性特征，为采用监测和测量技术在工程上提供了可靠的信息。在软弱围岩中，开挖断面上某个特定的位置（即拱顶沉降或会聚）是围岩变形的宏观表现。通过实测的位移时态曲线，可以对围岩的稳定性进行判定，并对崩塌进行预警。实际应用证明，在大部分的工程中，没有必要进行高精度的检测。

二、隧道施工质量控制要点

1.支护系统的整体性能

在评价隧道工程质量时，必然要关注衬砌的承载力。在隧道出现病害时，通常要对衬砌厚度、混凝土强度、钢筋结构等进行检测。事实上，随着工程建设管理和机械化程度的不断提高，确保支护结构（包括锚杆）满足设计的要求并不是什么难事。问题是，采用物探技术进行非破坏性测试时，往往会在衬砌后面发现空洞、不密实区，而离散、塌陷岩体点荷载会导致衬砌辐射开裂，而衬砌后面的空间又会对地下水的排水和封闭体系产生损害。

新奥法律以前，是“木支撑时代”，在采用“永久结构”混凝土衬砌取代“临时支撑”后，为了加强衬砌与岩土的结合，需要对其后壁进行充填注浆。根据新的奥术原理，双层衬砌（俗称“复合衬砌”），早期支护结构不再是临时支护，而是与二次衬砌一起形成了永久支护系统。再也没有了在衬里后面灌浆的过程。因此，支撑体系的总体性能对支护结构的受力特性有很大的影响，对隧道的稳定性也有很大的影响。

所谓的支撑系统的完整性是：

(1)喷射混凝土与围岩的结合；

(2)利用喷射混凝土，将构成早期支护的钢筋网、格栅、钢架等构件连接起来；

(3)二次衬砌、防水层、喷淋混凝土三层是相互结合的。

2.早期支护的整体性能

按照新奥法的原理，整个支护系统的“主角”就是与围岩直接接触的初期支护。二次衬砌除具有显著流变性的围岩外，还能经受高水头的地下水压力，其主要功能是改善结构的耐久性，改善运行环境。所以，早期支护结构的完整性是控制围岩力学性能的关键。

从单独的角度来看，喷射混凝土衬砌是一种具有不规则形状的薄层“结构物”，其本身对围岩的承载能力十分有限。但喷层附着在岩体表层，对开挖后暴露的岩体进行及时封闭，避免其风化，从而有效地保护围岩；对于块状围岩，可以与锚杆结合，防止“关键块体”在临空面上发生崩塌。而喷射混凝土的主要作用是将钢筋网、格栅、钢架等构件组合成共同变形、联合作用的整体，以确保早期支护的完整性。

3.二次衬砌与早期支护一体化

二次衬砌与早期支护结合是目前国内隧道质量管理的重点内容之一。二次衬砌浇注时，由于喷层表面不平，若防水板材料缺少弹性，则在二次衬砌浇筑时，在混凝土固化之前所受的侧向力不足以将防水板与喷射混凝土结合，不仅会造成裂缝，还会在二次衬砌与喷射之间形成孔洞，破坏“双重大内衬”的整体性能

(见图3)；这不仅会影响到岩体的防水性能，还会使衬砌的应力状态变差，从而导致岩体的支护力和耐久性下降，严重时会导致岩体离散、崩塌。

要解决因防水板而造成的整体问题，一方面要对开挖断面的外形进行控制，以保证防水板的基面，也就是喷淋混凝土的表面平整程度，同时还要考虑防水板的柔韧性。

针对隧道二次衬砌和前期支护存在的完整性问题，提出了以喷膜代替挂板防水的方法。通过对聚合物进行聚合反应，通过喷射法制得了防水薄膜。夹在初期支护与二次支护之间的防水薄膜，既可与初期支护（“单粘型”）相结合，又可将初期支护与二次支护（所谓“双粘型”喷涂）结合起来，从而形成“三明治”的结构。在接触界面处，存在着一定的拉伸、剪切强度、切向和法向刚度；它的整体特征与“双重型衬砌”不同，它被称为“复合型衬砌”。

然而，该技术存在着一定的缺陷：

(1)对被喷的基面的粗糙程度有一定的要求，以避免被吸附在基底表面的气体在水膜下膨胀而产生气泡。如有需要，应采用平整/抛光处理（1-3cm厚，最大集料4mm），在涂覆防水膜之前，先用喷砂混凝土支护。

(2)基面湿度的限度：仅在基面上完全干透或基本上干透的基面上进行喷水，若出现“大面积水珠”，则不能采用喷膜防水。

(3)喷膜防水难以疏排地下水，卸去水压荷载，不适合在高水头地下水环境中使用。

结论：“新奥法”的思想实质在于围岩与支护的结合。对二次衬砌和前期支护组合的“双重型衬砌”的质量评价，不仅局限于结构的尺寸、型号和材料的强度，而是要考虑支撑体系的“整合性”。但在施工管理、验工检查、卫生检查等方面，往往忽视了这一问题。早期支护的整体性能是利用喷射混凝土将各构件结合在一起，形成一种与围岩紧密结合、没有间隙的复合结构。二次衬砌与早期支护之间的配合，关键是喷射混凝土基面平整程度的控制以及防水板材的挠性。这就为隧道工程设计、施工工艺、材料的革新创造了条件。

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