泥质围岩隧道工程地质特性及主动支护技术

泥质围岩隧道工程地质特性及主动支护技术

黄远利

云南地质工程勘察设计研究院有限公司

摘要：目前，我国城市轨道交通建设正在如火如荼发展，从而带来了大量的隧道深基坑工程。由于隧道工程沿线跨度较长、周边环境紧张，其深基坑工程往往面临局促的施工空间和复杂的环境情况，既有建筑物和地下管网密集、车流交通繁忙、地质条件起伏多变等难点。由基坑工程施工引起的环境保护问题变得日益突出，深基坑的开挖受到严格的环境条件制约，必须在保证质量、安全等基本要求的前提下，通过合理分析、科学设计和精细管理，最大限度地减轻对周边环境对象的负面影响。

关键词：泥岩；隧道；数值模拟；锁脚锚管；径向注浆

引言

泥质围岩隧道施工过程中围岩变形机理、隧道开挖时空效应及支护结构应力-应变关系极为复杂。本文以南天高速公路岗岭隧道砂质泥岩地层为研究对象，对泥岩工程地质特性进行总结分析，在三台阶临时仰拱法基础上对锁脚锚管、径向注浆等辅助支护措施进行数值模拟，根据现场监控量测数据结果，研究泥质围岩开挖过程中围岩变形规律。

1隧道施工的特点

隧道工程是一项具有多元化综合性特征的工作，因工程存在于天然土体中，容易受到土体内复杂多变物理力学性质和施工技术的影响。工程具有整体危险性较大，隐蔽程度较高、循环强度也较大，施工难度很大等特点。近些年，随着道路工程规模不断扩大，隧道施工往往要穿越一些十分复杂的地段，如大断层、破碎、富水、软弱、浅埋等，这些地段通常被称为软弱围岩，也是引发隧道结构失稳，支护结构大变形，甚至造成塌方、冒顶安全事故的重要影响因素。同时，隧道施工作业空间相对局限，施工环境差，倘若没有一个良好的支护工程，将进一步增加施工人员进洞作业难度，围岩环境也会更加恶劣，对施工人员和工程安全性造成威胁，继而影响工程建设周期。另外，隧道施工并非静态施工，施工过程中隧道土体力学状态呈动态变化趋势，围岩物理力学特征也会随之改变，这就要求施工过程中要严密监测土体及围岩变化情况，探究其变化规律，选择适宜的超前支护控制技术，有效处理围岩失稳、变形引发的各种安全隐患，在保障工程安全和稳定的同时，尽可能缩短工期。

2泥岩的工程地质特性

隧道泥质围岩以内陆河湖相沉积较为常见，岩性变化小，黏土矿物主要为伊利石、蒙脱石、高岭石、石膏、绿泥石等，常有陆源碎屑矿物和自生矿物，如石英、云母、长石、方解石等。泥岩通常强度低、抗风化能力差、遇水易崩解，同时对隧道开挖环境如水、热、力等外部因素极其敏感。特别在地质构造复杂和地下水丰富地区，受节理裂隙和水影响，泥岩内摩擦角和粘聚力均不同程度降低，使力学特性发生大的改变。在隧道开挖中，泥质围岩的黏土矿物及其可溶性、孔裂隙结构扩容、膨胀效应（炭质、钙质、铁、铝质）等均可导致岩体遇水迅速崩解。其中，以炭质泥岩地层水稳性最差，在开挖卸荷和干湿循环条件下，力学强度急剧下降，其黏聚力和内摩擦角最大可降至遇水软化前的95%、26%以上。研究泥岩的工程地质特性是隧道开挖过程中采取主动支护措施的基础。

3泥质围岩隧道工程地质主动支护技术

3.1做好支护准备作业

在开展软弱围岩隧道的工程施工中，喷射混凝土支护施工技术是较为常用的一种支护方法，该支护方法在操作时，保障前期准备工作做好是提高支护质量的关键。首先，需要做好作业面的清理工作。为了有效确保支护施工操作的安全、有序开展，首先需要对施工作业面的岩石面松动情况进行检查，对出现松动现象的岩石层的破碎岩石使用相应的工具进行冲洗清理。充分考虑到软弱围岩在冲洗松动岩石过程中围岩存在吸水问题，通常会采取高压吹风机来完成冲洗清理操作，为支护施工创造良好的施工环境。其次，合理选取混凝土原料，并依照标准操作进行搅拌。混凝土质量与性能强弱，直接决定了支护施工质量的好坏，因此，在进行混凝土调配施工作业时，需要严格依据施工标准的水灰比添加原材料，施工标准的水灰比为0.8∶1，若以P·O42.5水泥为主，在进行水灰的配比时，需要加入一定量的30μm超细水泥以及适量的增强剂等添加剂，进而保障岩石与混凝土的紧密贴合，以增强支护效果

3.2检测技术

仪器可选用三维激光扫描仪，由专员操作，用该仪器检测初期支护，判断其是否存在变形，若有则进一步判断具体的变形程度。加强超前地质预报，通过此方式掌握掌子面前方的地质条件，予以有效处理。根据实测结果判断初期支护的实际情况，若其变形速率在2~3cm/d，增加观测频率，及时掌握实际情况；实测值超3cm/d时采取处理措施，阻止变形的发生。限阻器的压缩变形限值为15cm，达到该值后随即喷射混凝土，以有效封闭。

3.3排水辅助支护技术

在隧道超前支护技术应用中，做好排水设施是保障支护和工程顺利实施的关键。根据前期勘察，该工程施工区域地下水主要为基岩裂隙水，分布区域存在较大差异，且第四系松散堆积层孔隙潜水主要分布在隧道进、出口段，预计隧道单洞正常涌水量为1000m3/d。为尽可能降低地下水对隧道支护施工的干扰，施工人员根据隧道设计图设置适当横向排水管和排水滤层，将隧道内和隧道进出口段的水流引向盲沟，取得了良好的排水效果。同时，施工人员还应用了防水板全自动铺挂台车，铺设美观、平顺，而且自动挂设，大大提高了工作效率，节省了人工成本，具有节省时间、提高质量和效益的效果。

3.4支撑体系设计

本方案选用水平内支撑作为基坑开挖阶段的水平传力体系。该项目基坑支护采用钢筋混凝土作为内支撑，钢筋混凝土内支撑具有刚度强度大、变形小的特点，对减少维护体具有重要的作用。同时钢筋混凝土支撑施工简单，适应性强，可适用于各种结构复杂、形状复杂、基坑面积大的建筑工程基坑。考虑本项目基坑的形状，采用“眼镜式”的圆环支撑形式。圆环支撑具有如下优点。结构受力性能合理：采用以轴向受压为主的圆环支撑形式，能够充分发挥混凝土材料优越的受压特性，而且具有较大的刚度和变形小的特点。

3.5监测数据分析

为验证数值分析的可靠性，分析大口径锁脚锚管和径向注浆联合加固效果，在富水泥岩地层开挖过程中，选择了ZK32+503断面进行26天的拱顶沉降和周边位移监控量测，量测频率一天一次。隧道开挖后拱顶沉降及周边位移变形速度均较快，变化趋势大体趋于一致。隧道开挖后12天左右便可完成总收敛变形的74.7%，开挖后17天左右便可完成总收敛变形的87.5%，开挖后20天左右拱顶沉降值及周边位移值均趋于稳定，小于1mm/d。由此可知，采用大口径锁脚锚管和径向注浆加固对隧道围岩稳定，保证施工安全方面效果明显。

结束语

针对城区轨道交通深基坑开挖过程中面临的施工空间局促狭小、周边环境敏感复杂等难题，以杭州地区某快速通道深基坑工程为背景，对其建设过程中根据不同挖深、环境、施工条件，综合考虑安全、经济、便捷等因素，制定的具有针对性的基坑支护技术与环境保护措施进行详细阐述，能够极大降低基坑工程建设对周边环境的不良影响，具有较好的工程意义和社会效益。

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