1、山岭隧道软弱围岩工程地质特性及其施工对策浅析摘要：如何在软弱围岩地质条件下又好又快地修建长大隧道工程是当前隧道工程界面临的重要课题之一。尤其是当隧道穿越高地应力软弱围岩时，常常形成大变形等地质灾害，严重影响施工安全和进度。本文通过对软弱围岩工程地质特性、软岩隧道变形机理及变形控制基本理念分析，并结合相关工程实例提出软岩隧道施工对策。文章得出的结论可为同类地质条件下隧道工程设计和施工提供参考。 关键词：软弱围岩隧道高地应力 地质特性对策 中图分类号： U45 文献标识码： A 0 前言 随着我国铁路及公路建设事业的大发展，长大山岭隧道不断出现。近年来隧道工程穿越软岩地层的工程实例也越来越多。如何
2、在软弱围岩地质条件下又好又快地修建长大隧道工程是当前隧道工程界面临的重要课题之一。尤其是当隧道穿越高地应力软弱围岩时，常常形成大变形等地质灾害，严重影响施工安全和进度。文献1、2 针对深埋高地应力条件下软岩隧道结构变形控制进行了研究。文献3 、4 针对高地应力条件下隧道工程辅助坑道施工期间支护变形开裂的整治措施进行了研究。预防和治理隧道大变形已成为一项世界级难题。 1、软弱围岩工程地质特性 围岩是指受隧道开挖影响而发生应力状态改变的周围岩土体。根据岩土体的强度可将围岩分为坚硬围岩和软弱围岩两大类。按照围岩级别划分，软弱围岩多划分为级围岩。软弱围岩一般有以下突出特点：（1）岩石强度低。 根据我国
3、工程岩体分级标准 、 铁路隧道设计规范等规范标准，一般将单轴饱和抗压强度低于 30MPa 的岩石称为软质岩或软岩。软质岩主要包括未成岩的岩石、已风化的岩石以及含有软弱矿物的岩石。典型岩石有泥岩、砂岩、千枚岩、炭质板岩及绢云母片岩等。 （2）岩体破碎。 受地质构造影响严重的坚硬岩石也可称为软弱围岩。若硬质岩石受到强烈的构造运动影响，导致节理、裂隙、断层等结构面发育，造成围岩强度降低、自稳性变差。 （3）围岩赋存环境差。 隧道围岩一旦赋存于富水、高地应力等不良地质环境中将极易引起涌水、塌方等地质灾害。赋存于这些不良地质环境下的围岩也可称为软弱围岩。 2、软岩隧道变形机理 由于隧道开挖不可避免要对围
4、岩产生扰动，隧道开挖打破了原有的应力平衡状态，会出现应力重新分布和动态调整。由于软岩强度低、对工程扰动及其敏感，在受拉和受压条件下将产生塑性区，使围岩和支护结构产生变形。软弱围岩隧道开挖后突出表现在围岩松弛压力大，初期支护承受压力大。 按照结构力学的基本原理，我们不妨把隧道初期支护看作是由锚杆、钢筋网、喷射砼、钢架等支护手段组成的复合体。该复合体是具有一定强度和刚度的承载结构。软岩隧道的开挖过程同时也是扰动围岩对初期支护结构的逐级逐次加载过程。当作用在初期支护上的围岩扰动荷载未超出结构本身的极限承载力的时候，结构将处于稳定状态，同时支护结构会因为荷载的不断增加发生变形。一旦围岩扰动产生的荷载超
5、出初期支护结构极限承载力，支护结构将会失稳破坏，突出表现在钢架扭曲、喷层开裂掉块，结构变形出现突变等。 由以上分析可以看出，软弱围岩大变形是指在隧道开挖形成凌空面以后围岩受自重应力及构造应力的影响发生朝向隧道净空的变形。这是复杂应力条件下软弱围岩本身固有的特性，属于客观因素。隧道支护结构大变形是指由于支护参数、施工方法选择不当，结构强度和刚度不足以抵抗较高的围岩压力而出现大变形和结构破坏，属于主观因素。 3、地应力对软岩隧道工程的影响 3.1 地应力基本概念 地应力是存在于地壳中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。地质力学认为地壳内的应力活动是使地壳克服阻力不断运动
6、发展的原因地壳各处发生的一切形变如褶皱断裂(见节理断层)等都是地应力作用的结果。 通常地壳内各点的应力状态不尽相同并且应力随(地表以下)深度的增加而线性地增加。由于所处的构造部位和地理位置不同各处的应力增加的梯度也不相同。重力和构造应力是地应力的主要组成因素。 经研究初始应力的分布有以下主要规律： （1）岩体的初始应力绝大部分是以水平应力为主的三向不等压的空间应力场，三个主应力的大小和方向是随着时间和空间变化的，是一个非稳定的应力场。 （2）实测的垂直应力基本上等于上覆岩体重量。 即： vH0.027H v 为垂直原岩应力（MPa） ；H 为计算点到地表的垂直距离（m） 。 （3）水平应力普遍
7、大于垂直应力。 3.2 高地应力定义 不同国家对高地应力的定义是很悬殊的。 工程实践中往往将大于2030MPa 的硬质岩体内的初始应力称为高地应力。一般认为，所谓高地应力是指初始应力特别是它们的水平初始应力分量大大超过其上覆盖层的岩体的质量。 工程岩体分类标准 （GB50218-1994）中规定： （1）Rb/h，max47 时为高地应力，岩芯有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体位移显著，持续时间长，成洞性差。 （2）Rb/h，max4 时为极高地应力，岩芯常有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体有剥离，位移极为显著，甚至发生大变形，持续时间长，不易成洞。 3.3 高地应力对隧道工程的影响 高地应力对隧道工
8、程造成的灾害最典型为：对硬脆性岩体而言为岩爆对软岩则为洞室大变形。由于长大山岭隧道通常埋深较大，洞室开挖后软弱围岩在自重应力场和水平地应力场的共同作用下往往会发生较大变形。 4、软弱围岩隧道变形控制基本理念 文献5 软弱围岩隧道施工技术将软弱围岩隧道变形控制的理念主要归纳为两个截然相反的思路：一个是为了减轻作用在支护上的荷载，容许一定位移；一个是为了控制围岩松弛而尽可能早地控制位移，及所谓的“柔性支护”和“刚性支护”控制变形的理念。 4.1 柔性支护 柔性支护控制变形的理念是允许围岩变形，释放地应力，减小支护压力，同时又能约束围岩松弛和过度变形，保持隧道稳定。通常的做法是在超前支护下开挖后先施
9、作第一层支护约束围岩的变形，而后在距掌子面后方一定距离进行二次补强支护使隧道稳定，控制围岩和结构变形。4.2 刚性支护 刚性支护控制变形通常是指采取提高围岩的自承能力和加强支护及衬砌的强度和刚度来控制变形。提高围岩自承能力的措施有超前预注浆加固地层、水平旋喷、超前大管棚等支护手段。加强支护和衬砌强度和刚度通常采用长锚杆、重型钢架和加大喷射砼厚度等措施。 对比分析可以看出“柔性支护”先期施作的第一层支护往往发生变形屈服破坏，后期需要进行二次支护和补强加固，施工工序复杂、现场施工管理难度大；“刚性支护”施工工艺简单、安全可靠性高、施工速度快。对于长大隧道工程来说，采用“刚性支护”更能够达到安全、快
10、速施工的目的。 5、软弱围岩隧道施工对策 5.1 基本原则 通过对软弱围岩工程地质特性、软岩隧道变形机理及变形控制基本理念分析，并结合相关工程实例可以得出软岩隧道施工应该坚持的基本原则有： （1）根据前期地应力测试结果，了解区域地应力分布状况。 （2）在线路选择的时候 线路走向尽可能和最大水平主应力方向一致。尽可能减小地应力对隧道工程的影响。 （3）隧道结构设计坚持“刚性支护”宁强勿弱的原则，采用长锚杆、厚层喷射砼、锁脚锚杆和重型钢架等组合支护措施，控制围岩变形，达到向围岩深处转移二次应力的作用。 （4）软岩地段初期支护承受施工期间全部荷载，二次衬砌需承受后期围岩流变产生的荷载。软岩隧道衬砌应
11、通过增设钢筋、加大厚度等方式增加结构的强度。 （5）对于围岩赋存环境较差，地下水较发育的地段，采用超前预注浆、水平旋喷、超前大管棚等辅助施工方法着力改善并加固地层，提高围岩的自承能力，减小作用在支护结构上的荷载。 （6）合理选择初期支护预留变形量。人为加大预留变形量除增加开挖支护工程量以外，初期支护钢架和喷射砼也会因结构变形过大而丧失承载能力。选择合理的预留变形量有助于达到安全高效施工的目的。特殊地质地段可以考虑预留二次支护的施工空间。 （7）施工图阶段开展隧道支护结构预设计，在工程开工以后通过现场试验结果进一步优化设计参数。 （8）建立初期支护稳定性评判标准，在施工过程中实时对初期支护结构安
12、全稳定性进行评判，指导现场工程施工。 5.2 支护结构安全稳定性评判标准 对于铁路隧道支护结构安全稳定性评判标准初步探讨如下表所示。 支护结构安全稳定性评判标准 安全等级 工程特征 净空位移值/cm 安全状态 施工措施 单线 双线 级 喷层仅局部出现环向开裂，其它无明显异常征兆。 10 15 稳定 掌子面正常施工 级 喷层局部出现纵向开裂、掉块，环向裂缝进一步扩展；钢架局部变形 1020 1530 基本稳定 掌子面暂停施工，采取补强措施 级 钢架扭曲变形严重，喷层出现大面积开裂掉块现象；初支侵入衬砌净空。 20 30 不稳定 掌子面停止施工，研究制定处理措施 注：表中数据为单侧绝对收敛值。 施
13、工现场可通过观察初期支护结构工程特征，结合支护结构朝向净空方向的累计变形情况综合做出结构安全稳定性评判，以利于采取针对性的补强加固处理措施。 5.3 软岩隧道施工阶段对策 （1）采用超前小导管进行超前支护。超前小导管预支护可减小掌子面的先行位移，同时可有效控制隧道开挖后的拱部坍塌。 （2）软弱围岩一般选择台阶法施工，台阶长度 35m。在断层破碎带及其影响带等围岩条件较差的情况下可在上台阶增设临时仰拱（型钢钢架喷射砼）6 进行加固；对于双线等跨度较大隧道也可改为 CRD法或双侧壁导坑法进行施工。 （3）钢架架立以后要及时施作锁脚锚杆，改善初期支护结构的受力状态，提高结构抵抗变形的能力。 （4）及
14、时施作初期支护仰拱，尽早实现初期支护全断面闭合，缩短隧道变形收敛稳定的时间。因为支护结构闭合与不闭合其承载力存在极大差异，对控制周边围岩的位移和松弛具有不可忽视的影响。 （5）仰拱和衬砌要紧跟开挖掌子面，做到及时封闭成环。 6、典型工程实例 6.1 兰新铁路乌鞘岭隧道 兰新铁路兰武二线乌鞘岭隧道进口位于甘肃省天祝县境内，出口位于甘肃省古浪县境内，隧道长 20.05km，为两座单线隧道，隧道线间距40m。岭脊段隧道最大埋深 1100m，实测最大的地应力 33MPa。隧道在岭脊段穿越奥陶系板岩夹千枚岩地层时遭遇了支护结构变形灾害。隧道初期支护拱部最大下沉量为 105.3cm，边墙高 1.5m 处最
15、大水平收敛值为103.4cm。 6.2 兰渝铁路木寨岭隧道 兰渝铁路木寨岭隧道位于甘肃省定西市漳县、岷县境内，隧道全长19.06km，为兰渝铁路最长隧道，是全线重点控制性工程。隧道设计为双洞单线分离式隧道，左、右线线间距为 40m，隧道最大埋深为 600m。隧道洞身穿越地层主要以二叠系板岩、砂岩及炭质板岩为主。二叠系板岩及炭质板岩多呈互层及夹层分布，长度占全隧的 46.53。炭质板岩遇水易崩解软化，围岩稳定性极差，加之隧址区地质构造复杂，隧道施工难度极大，属于极高风险隧道。 根据地应力测试结果隧址区最大水平主应力值在 6.3413.79MPa，岩样饱和抗压强度为 19.2625.45MPa，平
16、均强度 22.25MPa。围岩强度应力比一般为 1.154.01。根据工程岩体分类标准判定为极高高地应力。 木寨岭隧道斜井及正洞施工软岩地段过程中不同程度发生了支护结构变形开裂侵限等灾害，给工程的安全和进度造成极大影响。施工中后期多采用 H150、H175 等型钢钢架结合锚杆和喷射砼进行支护。 7、结束语 在复杂地质条件下修建软弱围岩隧道，面临的困难和挑战是非常艰巨的。当前我国软弱围岩施工和国外先进技术相比仍然存在一定的差距。尤其是对软弱围岩超前预加固地层重视不够。软弱围岩变形的一个主要特征就是掌子面前方围岩变形较大。加强掌子面前方围岩的预加固和超前支护一方面可以提高隧道开挖的安全性，另一方面
17、也可以减少支护施工的工程量，从而达到安全快速施工的目的。软弱围岩超前预加固技术的研究和开发应该成为当前软弱围岩隧道施工技术研究的发展方向。另外对软岩断层破碎带等极端恶劣条件下施工技术也应进一步加强研究，全面提高我国软弱围岩隧道施工整体技术水平。 参考文献： 1 李国良，朱永全. 乌鞘岭隧道高地应力软弱围岩大变形控制技术J. 铁道工程学报，2008，3（114）：5459. 2 中铁隧道集团有限公司. 乌鞘岭隧道岭脊地段复杂应力条件下施工综合技术研究 R. 洛阳，中铁隧道集团有限公司，2007. 3 叶慷慨. 木寨岭隧道大坪有轨斜井施工大变形段分析及处理技术J. 隧道建设，2010，30（2）：190194. 4 唐绍武，王庆林. 木寨岭隧道大战沟斜井高地应力软岩大变形施工技术J. 隧道建设，2010，30（2）：199201，211. 5 关宝树，赵勇. 软弱围岩隧道施工技术 M. 北京：人民交通出版社，2011. 6 徐勇，刘仲仁，王维高，寇江. 铁路双线软岩隧道控制大变形施工工法比选J. 隧道建设，2010，30（2）：134136. 作者简介：南建民（196708） ，男，湖北浠水人，1990 年毕业于武汉测绘科技大学工程测量专业，本科，高级工程师，现从事隧道工程施工工作。
