【隧道软弱围岩施工技术探索】富水软弱破碎围岩隧道

　　摘 要：因我国软岩范围分布广、成因环境复杂、控制难，给隧道施工带来严重影响，已成为专家学者和现场工程技术人员亟待解决的技术难题。 　　关键词：隧道；软弱围岩；施工技术
　　中图分类号：TD262.1+4 文献标识码：A
　　
　　软岩大都为强度低、结构面发育、孔隙度大、含水率高为泥质胶结的岩石。这种岩石浸水后强度显著降低，甚至完全丧失，如果含有蒙脱石等矿物，吸水膨胀性很强。软岩隧道矿压显现的特征为:掘巷期间应力集中会引起隧道围岩急剧变形，变形量往往高达数百毫米，持续时问长达数十天到近百天。然后，持续不断地流变，有时长达数年之久。软岩隧道在维护过程中，如果隧道支护损坏和失效.隧道附近掘巷和翻修，以及水的浸蚀等都会引起围岩再次急剧变形，造成支架反复来压和多次损坏的恶性循环。此外，软岩隧道往往四周来压.尤其是底板都出现强烈鼓起。底板岩层鼓入隧道的方式及其机理因隧道所处地质条件、底板岩性和围岩应力状态而异，有挤压流动、挠曲褶皱、剪切错动及膨胀性底鼓等多种形式。
　　 针对软岩隧道矿压显现规律和特征，软岩隧道支护的基本原则和措施应为:不仅应及时支护。而且应有较高的初撑力和初期增阻速度，以及足够的支护阻力。
　　 在以变形压力为主的软岩中，隧道刚掘出时在岩体能保持自稳的条件下，应允许围岩产生一定变形。以释放能量.隧道支护在保持较大阻力的情况下，为了适应围岩的变形特点和减小变形压力，应采用具有一定柔性或可缩量的支护。
　　 为了适应软岩隧道初期来压快、变形强烈的特点，采用二次支护比一次支护更有利于隧道稳定。采用围岩加周与隧道支架并举、加固先行的综合支护技术。可充分发挥围岩的自稳能力。不少矿区采用喷射混凝土和锚杆作为一次支护.然后用U型钢可缩性支架或混凝土弧板块为永久支护，取得了良好效果。
　　底板是隧道支护的基础，加强底板管理是提高软岩隧道稳定性的关键，尤其是遇水崩解和澎胀的粘土岩，及时封闭，防止脱水后又浸水，是控制底板强烈膨胀的恨本措施。现用加固底板防治底鼓的措施主要有:底板锚杆、底板注浆、封闭式支架以及混凝土反拱等.采用锚杆和注浆防治底鼓的效果与底板岩层的性质、底鼓形式，以及施工工艺有密切关系。带底拱的全断面支护是我煤矿中常用的防治底鼓的有效措施。用卸压法防治底鼓目前尚处于试验研究阶段，底板松动爆破后再注桨加固的卸压-加固法是较有发展前景的方法。
　　 支架架后充填可改善支架的受力状况.显著提高支架的承载能力.封闭围岩，防止风化和水浸蚀，是软岩隧道支护中的一个重要环节。
　　 此外，在含水量很大的岩层中还需采取预先疏干或排泄水的措施。
　　 永久支护必须具备足够的承载能力，防止水的浸蚀和支护失效引起的围岩急剧变形，以及能承受在附近开掘或翻修隧道时引起的应力扰动，必须避免隧道支护屡遭玻坏和频繁翻修的恶性循环。因此，软岩和深井隧道支护必须进行认真的设计，设计前应掌握软岩的属性、围岩压力的类别。以及进行围岩变形的预测，支架一围岩关系的分析等。在此基础上正确选取能有效控制围岩的支护型式、结构、承载能力和可缩量等参数，以及施工工艺。在施工过程中要坚持矿压测试，根据测试结果。不断调整支护参数，改善支护效果.实现永久支护后隧道基本上不再翻修。
　　1 隧道围岩控制原理
　　 降低隧道围岩应力。提高围岩稳定性以及合理选择支护是隧道围岩控制的基本途径。挖掘引起的支承压力不仅数倍于原岩应力，而且影响范围大。隧道受到挖掘影响后，围岩应力、围岩变形会成倍甚至近十倍地急剧增长，因此，隧道围岩控制手段的实质是如何利用隧道挖掘引起工程周围岩体应力重新分布的规律，正确选择隧道布置和保护方法，使隧道位于应力降低区内，从而减轻或避免挖掘引起的支承压力的强烈影响，控制围岩压力。
　　2 隧道围岩压力探索
　　 采掘活动引起隧道围岩应力集中和重新分布，使隧道周边岩体自稳能力显著降低，导致向隧道空间移动。为了防止围岩变形和破坏，需要对围岩进行支护。这种因围岩变形受阻而作用在支护结构物上的挤压力或塌落岩石的重力，统称为围岩压力。根据围岩压力的成因，可将其分为以下四种类型:
　　 （1）松动围岩压力。由于隧道开挖而松动或塌落的岩体，以重力的形式直接作用于支架结构物上的压力，表现为松动围岩压力载荷形式。如支护不能有效地控制围岩变形的发展，围岩形成松动垮塌圈时，将导致松动围岩压力出现，通常顶压显现严重。
　　 （2）变形围岩压力。支护能控制围岩变形的发展时，围岩位移挤压支架而产生的压力，称为变形围岩压力，简称变形压力。在“围岩一支护”力学体系中，只要围岩与支架相互作用，围岩就会对支架施加变形压力。弹性变形压力是围岩弹性变形时作用于支架上的压力，弹性变形产生速度极快，变形量很小，对于围岩、支护相互作用过程而言，实际意义不大。塑性变形压力是由于围岩的塑性变形和破裂，围岩向隧道空间位移，使得支护结构受到的压力，是变形围岩压力的主要形式。
　　 塑性变形的大小主要取决于隧道塑性区和破裂区的范围。塑性区的扩展具有明显的时间效应，塑性区不再扩展时，围岩变形速度下降而逐渐稳定并趋于流变。
　　（3）膨胀围岩压力。围岩膨胀、崩解体积增大而施加于支护上的压力，称为膨胀压力。膨胀压力与变形压力的基本区别在于它是由吸水膨胀而引起的。从现象上看，膨胀压力与变形压力都属于变形压力范畴，但两者的变形机制截然不同，前者是指与水发生物理化学反应，后者主要是围岩应力的结构效应。
　　 （4）冲击和撞击围岩压力。冲击围岩压力指围岩积累了大量弹性变形能之后，突然释放出来所产生的压力;撞击围岩压力是覆岩层剧烈运动时对隧道支护体所产生的压力。
　　3 软岩大变形隧道的支护
　　3.1 刚性支护:这种支护措施的核心是通过加大支护结构的强度和刚度来抵抗巨大的围岩压力;支护材料一般为钢材或木材。辛普伦隧道、海带尔电站引水隧洞等众多地下工程的支护实践表明，这种支护措施无论从技术上还是从经济上，都是欠合理的，现在已经较少采用。
　　3.2 可缩支护:这种支护的理论依据是，当开挖引起的围岩扩容(剪胀或遇水膨胀)不可避免时，允许围岩发生适度的变形，这样可以降低作用于结构上的支护压力，从而减少超挖量并降低支护强度。根据Eurenius等(1981)的研究，如果让粘土膨胀5%，支护压力即可降低50%。具体措施是适当超挖，在围岩变形稳定后再架设支护，更多的则是开挖后立即架设可缩的初期支护。支护方式一般为带纵向伸缩缝的混凝土喷层并辅助以可缩式构件支撑。
　　3.3 锚、注一体化围岩加固一支护系统:王梦恕院士在他的中国隧道修建法中指出，围岩开挖后及时施作锚喷支护是提高围岩承载力的重要方法，决不允许过多的释放，寻找最佳支护点的做法是错误的；特长、长大隧道及重要地下工程必须采用复合式衬砌结构；初期支护是主要受力结构，必须在稳定后，方可进行防水层及二次模筑混凝土衬砌；管超前、严注浆、短进尺、强支护、紧封闭、勒测量是软岩施工的基本方针。
　　结束语
　　目前，人们普遍采用的软岩定义基本上可归于地质软岩的范畴，按地质学的岩性划分，地质软岩是指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性黏土矿物的松、散、软、弱岩层，该类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质矿岩，是天然形成的复杂的地质介质。
　　参考文献
　　[1]郭健卿.软岩控制理论与应用[M].冶金工业出版社，2011.
　　[2]何满潮.软岩隧道工程概论[M].中国矿业大学出版社，1993.
　　[3]何满潮.软岩工程力学[M].科学出版社，2002.

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