劉 永 行

(1.西安科技大學(xué)，陜西西安 710054; 2.延安大學(xué)基本建設(shè)處，陜西延安 716000)

在公路、鐵路和既有建筑物等結(jié)構(gòu)物下面修建公路、鐵路、地鐵，在軟弱地層或不良地質(zhì)條件下修建山嶺隧道等工程時(shí)，在目前的技術(shù)條件下多采用暗挖施工的方法。當(dāng)隧道的覆蓋層較薄且地面荷載較大時(shí)，為了保持隧道掌子面、地表的穩(wěn)定、支撐荷載及防止隧道開(kāi)挖面因崩塌而影響到地表的工程，一般采用超前支護(hù)的方法對(duì)開(kāi)挖面前方的土體進(jìn)行預(yù)加固。因此，探尋松散地層對(duì)隧道預(yù)支護(hù)工程影響，具有重要的理論意義和實(shí)際工程意義。

1 松散地層概述

1.1 松散地層的概念

松散地層是指粘結(jié)性差、強(qiáng)度低、易風(fēng)化、有時(shí)遇水膨脹、自穩(wěn)能力差的巖層，它具有破碎、軟弱、松散、膨脹、流變、強(qiáng)風(fēng)化蝕變等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)上，對(duì)松散地層的認(rèn)識(shí)存在差別，缺乏充分科學(xué)的統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但其特征都是相對(duì)于致密、堅(jiān)硬、支護(hù)容易的巖體而言的松、散、軟、弱，為了本科學(xué)發(fā)展，有待于更深層次學(xué)術(shù)交流和名詞統(tǒng)一。

1.2 松散地層的判別和分類(lèi)

松散地層是一種典型軟弱圍巖之一，節(jié)理和裂隙比較發(fā)育，巖體被切割得很破碎，結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體的變形和破壞不起作用，其圍巖可分為工程軟巖和地質(zhì)軟巖。

依據(jù)圍巖的工程性質(zhì)主要是強(qiáng)度與變形兩個(gè)方面，從巖體結(jié)構(gòu)、巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、原始地應(yīng)力和地下水有關(guān)因素，可以判別兩者:工程軟巖是指在工程力作用下產(chǎn)生明顯塑性變形的工程巖體，主要強(qiáng)調(diào)軟巖強(qiáng)度和工程力荷載的關(guān)系，體現(xiàn)了軟巖的相對(duì)實(shí)質(zhì)，即取決于工程力和巖體強(qiáng)度的相對(duì)關(guān)系;而地質(zhì)軟巖是指強(qiáng)度低、膠結(jié)程度差、孔隙度大、受構(gòu)造面切割及風(fēng)化影響顯著或含有大量膨脹性粘土礦物的巖層，主要強(qiáng)調(diào)巖體或者土體的具體情況，形成原因。兩者并非對(duì)立的關(guān)系，在一定條件下，松散地層中的圍巖既可能屬于工程軟巖，又可能屬于地質(zhì)軟巖。

2 松散地層變形破壞的機(jī)理和力學(xué)性質(zhì)

2.1 松散地層變形破壞機(jī)理

松散地層中充斥著破碎的圍巖，其變形破壞的機(jī)理主要表現(xiàn)在以下方面:1)破碎圍巖由于自身結(jié)構(gòu)問(wèn)題，其不能承受拉應(yīng)力，而且整體抗壓強(qiáng)度也很低，所以松散地層的隧道開(kāi)挖后圍巖穩(wěn)定性很差，支護(hù)力度不夠，極易失穩(wěn)破壞;2)松散破碎圍巖的特征是裂隙發(fā)育較多，各種結(jié)構(gòu)面互相交織、隨機(jī)分布，而且無(wú)明顯方向性。在理論研究和局部工程實(shí)際問(wèn)題中，運(yùn)用實(shí)際復(fù)雜物體模型化將其近似看作是各向勻質(zhì)的連續(xù)體來(lái)對(duì)待;3)若將破碎巖體在局部近似看作連續(xù)體研究時(shí)，巖體的力學(xué)性質(zhì)總體上將會(huì)表現(xiàn)出一定的彈塑性特征，使其應(yīng)力引起巖體破壞、滑移后，并且隨著變形的發(fā)展保持一定的強(qiáng)度和強(qiáng)化特性。

松散地層圍巖破碎，其破壞機(jī)理是與其力學(xué)性質(zhì)有著緊密聯(lián)系的。隧道圍巖的破壞，主要由三方面引起:圍巖的卸荷回彈、應(yīng)力重分布和地下水的重分布。圍巖的變形破壞一般由隧道開(kāi)挖部分開(kāi)始逐漸向圍巖深處擴(kuò)展，在一定深度范圍內(nèi)形成松動(dòng)圈，同時(shí)圍巖中的應(yīng)力在這個(gè)過(guò)程中得以重分布，淺部圍巖應(yīng)力，高應(yīng)力區(qū)向圍巖深部轉(zhuǎn)移。在影響隧道圍巖變形破壞的諸多因素中，圍巖的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)是主要因素。如當(dāng)圍巖較為堅(jiān)硬時(shí)，其容易發(fā)生巖爆、塊體滑移和脆性開(kāi)裂等。對(duì)于層狀巖體，破碎巖體，其又有著自身獨(dú)特的特點(diǎn)。

2.2 松散地層的預(yù)支護(hù)

2.2.1 松散地層的特征

根據(jù)對(duì)松散地層性質(zhì)和機(jī)理的分析，可以看出在這種地質(zhì)條件下進(jìn)行隧道的開(kāi)挖，需要在掌子面之前對(duì)巖體或者土體進(jìn)行預(yù)支護(hù)，以保證施工中圍巖或土體的穩(wěn)定和施工的安全，是十分必要的。根據(jù)預(yù)支護(hù)對(duì)周?chē)貙拥挠绊?，地層改良法相?duì)預(yù)支護(hù)加固法就是通過(guò)提高掌子面周?chē)鷰r體的物理特性來(lái)提高圍巖的強(qiáng)度和穩(wěn)定性的方法。這種方法主要有:圍巖加固、注漿、射流注漿、排水和地層凍結(jié)等方法。預(yù)支護(hù)加固法就是在隧道掌子面開(kāi)挖前，先對(duì)圍巖進(jìn)行超前支護(hù)，增加周?chē)鷰r體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，使開(kāi)挖面周?chē)鷳?yīng)力盡可能不受隧道開(kāi)挖的干擾，防止掌子面施工時(shí)圍巖參數(shù)降低過(guò)多發(fā)生意外的方法。

多年的隧道施工技術(shù)發(fā)展讓廣大工程技術(shù)人員看到，在巷道或隧道工程中，松散破碎圍巖的支護(hù)問(wèn)題一直是一個(gè)技術(shù)難題，因?yàn)樵趯?shí)際工程中其有著各種不同的特征。

1)圍巖的變形量大，速度快，持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)。2)在地質(zhì)條件復(fù)雜伴有粘土類(lèi)軟弱物質(zhì)時(shí)，其表現(xiàn)為一定的粘性，且圍巖受力與變形速率有關(guān)。3)松散破碎圍巖在埋深較大時(shí)，由于其側(cè)壓力較大、圍巖裂隙大量發(fā)育、強(qiáng)度受各種結(jié)構(gòu)面影響較低，而綜合表現(xiàn)為彈塑性變形。4)圍巖的自穩(wěn)時(shí)間較短，應(yīng)力釋放快。松散地層的隧道自穩(wěn)時(shí)間僅為幾十分鐘到幾個(gè)小時(shí)，圍巖應(yīng)力釋放較快，所以一般要超前支護(hù)。5)圍巖四周來(lái)壓，底鼓明顯。在松散巖層中則是隧道四周都有來(lái)壓且底鼓明顯。松散巖層由于結(jié)構(gòu)較為疏松、強(qiáng)度低，所以難以支撐隧道頂部巖層的重量，圍巖在巖層自重的作用下，以垂直變形為主。6)當(dāng)松散地層中具有各種軟弱面時(shí)，其變?yōu)榉沁B續(xù)介質(zhì)。隧道開(kāi)挖后圍巖平衡狀態(tài)被破壞，導(dǎo)致圍巖中原有的軟弱面進(jìn)一步發(fā)展，產(chǎn)生新裂隙，圍巖應(yīng)力重分布，這導(dǎo)致隧道支護(hù)后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)變形依然存在，給隧道施工和后期運(yùn)營(yíng)中的穩(wěn)定和安全造成了一定的危險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。

從松散地層的特征可以看出，對(duì)于這種地質(zhì)條件，應(yīng)從多方面入手進(jìn)行控制以確保工程的安全，而預(yù)支護(hù)就是一種十分必要的而且有效的手段。

2.2.2 松散地層預(yù)支護(hù)

松散地層的預(yù)支護(hù)以常用的設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ)，分析了隧道圍巖自承力、支護(hù)抗力和圍巖原始內(nèi)力三者之間的力學(xué)關(guān)系，反映了隧道圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)體系在開(kāi)挖與支護(hù)過(guò)程中的相互作用。隧道開(kāi)挖后，洞周?chē)鷰r在徑向一定范圍內(nèi)應(yīng)力得到釋放，淺部圍巖應(yīng)力重分布，高應(yīng)力區(qū)向深部圍巖轉(zhuǎn)移。根據(jù)新奧法充分發(fā)揮圍巖自承能力的思想，圍巖預(yù)支護(hù)力由支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的承載力和圍巖支撐力兩部分組成，即:

其中，F(xiàn)為預(yù)支護(hù)力，kN;T為支護(hù)體系施加的支護(hù)抗力，kN;P為圍巖自承力，kN。

由此看出，在松散地層中，圍巖較為松散破碎，變形較大，支護(hù)難度較高，如果一味依靠支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的承載力來(lái)維持隧道的穩(wěn)定，不但支護(hù)能力有限，而且支護(hù)費(fèi)用高效率低，故在這種地質(zhì)條件下的預(yù)支護(hù)應(yīng)充分發(fā)揮圍巖的自承能力。

不同條件的圍巖，其自承能力不同，對(duì)于松散地層的巖體，在預(yù)支護(hù)中應(yīng)充分考慮其破碎，承載力差的具體特點(diǎn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)體系采用剛性支護(hù)，使圍巖壓力更多的由支護(hù)結(jié)構(gòu)體系來(lái)承擔(dān)，根據(jù)具體工程情況有限度地讓圍巖來(lái)分擔(dān)支護(hù)體系上的承載力。松散地層巖體的破壞具有圍巖松弛時(shí)間短等特點(diǎn)，所以支護(hù)要快速、提前，這體現(xiàn)了這種特殊的地質(zhì)條件下預(yù)支護(hù)的必要性。破碎圍巖自承能力差，隧道開(kāi)挖后短時(shí)間之內(nèi)就可能發(fā)生很大變形，圍巖極限承載力也較低，容易發(fā)生冒頂，洞室坍塌等。

另外，松散地層的破碎圍巖經(jīng)過(guò)及時(shí)的預(yù)支護(hù)后，合理控制和保持初期預(yù)支護(hù)的強(qiáng)度十分重要。圍巖條件差，開(kāi)挖后短時(shí)間內(nèi)應(yīng)力大量釋放，支護(hù)結(jié)構(gòu)上荷載較大，若支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力不能及時(shí)達(dá)到一定強(qiáng)度，會(huì)導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)體系變形。所以，對(duì)于松散地層的隧道，設(shè)計(jì)預(yù)支護(hù)時(shí)，要遵循初次支護(hù)強(qiáng)，二次襯砌做儲(chǔ)備的理念。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)工程中常見(jiàn)的松散地層的概念、破壞機(jī)理和力學(xué)性能、變形特征和預(yù)支護(hù)方法進(jìn)行了詳細(xì)分析和論述，由此可以得出以下結(jié)論:1)松散地層地質(zhì)條件較差，其破壞主要是由于其自身的地層構(gòu)造和圍巖的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致的。地層中含有軟弱夾層，圍巖較為破碎，結(jié)構(gòu)面大量發(fā)育，整體強(qiáng)度低穩(wěn)定性差，是工程中較難支護(hù)的一種情況。2)松散地層有著其獨(dú)特的特征，主要是其圍巖自穩(wěn)時(shí)間短，應(yīng)力釋放速度快，變形量大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，隧道四周均存在較大圍壓等。這些特點(diǎn)導(dǎo)致了其在工程中難以支護(hù)。3)根據(jù)對(duì)松散地層的分析可以看出，在這種地質(zhì)條件下，隧道開(kāi)挖前預(yù)支護(hù)是十分有必要的，對(duì)提高圍巖強(qiáng)度、控制圍巖穩(wěn)定性、合理釋放圍巖壓力、有效減小圍巖中裂隙發(fā)展有著十分顯著的作用。4)在松散地層條件下預(yù)支護(hù)，要把握其強(qiáng)度低，松散破碎的主要特點(diǎn)，有針對(duì)性的提出支護(hù)方案，支護(hù)時(shí)間要早，初期支護(hù)要強(qiáng)。

［1］何滿潮.軟巖工程力學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2002.

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