閆立來

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也有了巨大成就。而在我國大規(guī)模隧道建設(shè)中，由于軟弱圍巖的存在，使得在修建隧道時出現(xiàn)圍巖變形大、易發(fā)生坍塌的現(xiàn)象，大大減緩了施工的進(jìn)度，嚴(yán)重制約著工程的工期，因此軟弱圍巖隧道的設(shè)計和施工一直成為隧道建設(shè)中的難題[1]?，F(xiàn)一工程實(shí)例：某隧道設(shè)計為雙線單洞隧道，隧道的開挖斷面為80 m2左右，隧道長2880 m；在地勢上隧道的進(jìn)口較低，出口高，相對高差達(dá)160 m，隧道最小埋深處為7 m，地形起伏較大，地表上溝谷發(fā)育，下切較深，表1為圍巖土層物理參數(shù)表。在開挖時發(fā)現(xiàn)，隧道所處地層不遇水時較為密實(shí)，穩(wěn)定性好，但是一旦遇到水就具有塑性流變狀態(tài)，軟化現(xiàn)象明顯，使得承載能力急劇降低，而且卵石土層填充差，沒有膠結(jié)，出露后極易引起滑塌，使得還沒來得及做好初期支護(hù)，圍巖已經(jīng)發(fā)生溜塌。為了解決該工程中軟弱圍巖施工速度慢和易發(fā)生滑塌的問題，結(jié)合工程實(shí)例，本文擬采用相應(yīng)控制技術(shù)進(jìn)行超前處理，分別從軟弱圍巖變形機(jī)制、控制方案設(shè)計、施工工藝及控制效果分析等方面進(jìn)行應(yīng)用研究，以期為相關(guān)工程提供指導(dǎo)作用和借鑒意義。

1 軟弱圍巖變形機(jī)制

軟弱圍巖具有其自身的特點(diǎn)，如易風(fēng)化、強(qiáng)度低、軟弱面多、膠結(jié)程度差等；從力學(xué)角度來講軟弱圍巖的單軸抗壓小于25 MPa，通常這類巖石包括千枚巖、泥巖等；從軟弱圍巖的組成上來講，松散軟弱巖層通常含有膨脹性黏土礦物、泥質(zhì)等。要了解軟弱圍巖的變形機(jī)制[2]，需要先對軟弱圍巖的變形特征和強(qiáng)度特征進(jìn)行研究。

1.1 變形特征

對軟弱圍巖隧道的變形特征的研究，可以有效針對變形的規(guī)律來進(jìn)行技術(shù)控制，主要包括以下幾點(diǎn)：

a）塑性變形是隧道在開挖時極易產(chǎn)生的現(xiàn)象，尤其是在初期其變形量較大，而且變形速率也大。經(jīng)實(shí)測數(shù)據(jù)表明，該隧道在開挖時軟弱圍巖洞壁位移可以達(dá)到數(shù)十厘米，而且在初期支護(hù)時會發(fā)生嚴(yán)重的破裂，位移值甚至?xí)_(dá)到100 cm。

b）變形持續(xù)時間長。由于軟弱圍巖蠕變的結(jié)果，其在開挖后的很長一段時間內(nèi)，支護(hù)或襯砌上的壓力一直在變化。例如頁巖和泥巖等變化非常明顯，通常沒有規(guī)律；相反如砂巖等堅硬的巖石，其達(dá)到變形穩(wěn)定僅需要很短的時間，蠕變變形很小，圖1為軟弱圍巖和堅硬圍巖蠕變特征的區(qū)別。

圖1 軟弱圍巖和堅硬圍巖蠕變特征

c）隧道初期開挖時會產(chǎn)生塑性變形，如果采取錯誤的支護(hù)方式或者支護(hù)效果不佳時極易產(chǎn)生塑性區(qū)，隨著軟弱圍巖周邊應(yīng)力的變化塑性區(qū)不斷發(fā)展，最終會使得圍巖在很短時間內(nèi)與支護(hù)結(jié)構(gòu)接觸產(chǎn)生巨大壓力，很有可能使得變形不斷發(fā)展致使支護(hù)發(fā)生破壞，造成嚴(yán)重后果。

1.2 強(qiáng)度特征

通常圍巖完整性越好，其強(qiáng)度越大，而軟弱圍巖通常較為松散或完整性差，故對軟弱圍巖強(qiáng)度特征的研究工作，對在今后工程中遇到的軟弱圍巖而采用的針對性控制方案能起著很好的指導(dǎo)作用。對于軟弱圍巖，其強(qiáng)度特征包含以下幾個方面。

a）在其他條件相同時，構(gòu)成圍巖的巖石強(qiáng)度與圍巖強(qiáng)度有著線性關(guān)系，即巖石強(qiáng)度越大，則圍巖的強(qiáng)度越大。

b）地下水一直是軟弱圍巖強(qiáng)度影響較為嚴(yán)重的因素。由于軟弱巖石的特殊性，當(dāng)其遇到地下水后，會對巖層的物理性質(zhì)、力學(xué)性能等產(chǎn)生很大影響。在物理性質(zhì)方面，當(dāng)遇到地下水后，其含水量逐漸上升，泥化和軟化現(xiàn)象嚴(yán)重，巖層的狀態(tài)也從固態(tài)最終向塑態(tài)轉(zhuǎn)化；在力學(xué)性能方面，由于巖層狀態(tài)改變，大大降低了其黏聚力，增大了圍巖的變形，最終使得軟弱圍巖的強(qiáng)度降低。

c）當(dāng)圍巖中存在斷層、擠壓破碎帶等控制性軟弱結(jié)構(gòu)面時，結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀和強(qiáng)度會直接影響到隧道圍巖的強(qiáng)度。

1.3 變形機(jī)制及控制原則

圍巖的變形機(jī)制一般有多種情況和多個方面，這主要由巖石的復(fù)雜性決定的，多數(shù)情況下變形機(jī)制主要可以分為以下兩個方面。

a）材料變形機(jī)制。當(dāng)圍巖變形時通常是經(jīng)過彈性變形、塑性變形及黏性變形來實(shí)現(xiàn)材料變形的一系列過程，故材料變形主要包括這3種變形。

b）巖層結(jié)構(gòu)變形。層狀圍巖的彎曲變形、軟弱夾層的擠出變形、塊狀圍巖的滾動變形以及土砂圍巖的擠密或者松弛變形及結(jié)構(gòu)面的滑動變形均為巖層結(jié)構(gòu)變形的形式。

在控制變形圍巖總變形的前提下，應(yīng)該根據(jù)具體的原則來控制不同類型的圍巖變形，具體見表2。

表2 不同類型圍巖的變形控制原則

2 控制方案設(shè)計

為了解決該隧道軟弱圍巖即將造成的滑塌危害，并增加隧道施工的安全性，采用初期支護(hù)結(jié)合超前支護(hù)的方式對該隧道進(jìn)行處理，開挖采用快挖快支的臺階法施工。

為更好控制超前變形量，超前支護(hù)采用水平旋噴樁進(jìn)行超前支護(hù)，樁徑為60 cm，樁間距設(shè)置為40 cm，樁長為18 m；另外掌子面采用長18 m、孔間距1.5 m梅花型布置的玻纖錨桿旋噴樁。

初期支護(hù)采用Ⅰ25a工字鋼，設(shè)置的間距為50 cm；C30噴射混凝土厚33 cm，鋼筋網(wǎng)采用φ8鋼筋，網(wǎng)格的尺寸為20 cm×20 cm。要注意在每一臺階開挖后立即用噴射混凝土封閉掌子面，隨后及時施做初期支護(hù)。

必要時要打設(shè)超前小導(dǎo)管，布置位置按照隧道拱頂120°范圍內(nèi)均布，環(huán)向間距為40 cm，型號采用φ42、δ=4 mm且長度為4 m的導(dǎo)管。

3 施工工藝

在軟弱圍巖施工時，結(jié)合該隧道實(shí)例施工情況，為了更好地在該隧道中采用臺階法[3]對軟弱圍巖進(jìn)行施工，超前支護(hù)采用水平旋噴樁超前支護(hù)工藝，掌子面采用玻璃纖維錨桿加固樁工藝對隧道進(jìn)行加固處理，同時結(jié)合鎖腳旋噴樁工藝減少沉降。圖2為常用超前支護(hù)方式的分類。

圖2 超前支護(hù)分類

3.1 水平旋噴樁超前支護(hù)工藝

由于水平旋噴超前支護(hù)可以采用專用的機(jī)械進(jìn)行施工鉆孔，可以實(shí)現(xiàn)多面層及大斷面的開挖，減少施工時間并提高效率，同時對機(jī)械回轉(zhuǎn)鉆桿速度的設(shè)定可以有效增加開挖時的安全性，并實(shí)現(xiàn)高壓噴射水泥和切削圍巖的改良效果施工方法。同時為了保證初期支護(hù)[4]的穩(wěn)定性，在鋼架拱腳地層專門設(shè)計了拱腳樁以控制沉降，再加上水平玻璃纖維旋噴注漿能夠形成連續(xù)的改良體，使其具有較好的加固效果。從水平旋噴注漿的機(jī)理分析，該注漿方式不僅可以增強(qiáng)樁體之間的咬合力，而且通過有效擋泥擋水的方式維護(hù)成樁，很好地改善了流沙掏空現(xiàn)象。

3.2 掌子面玻璃纖維錨桿加固樁工藝

掌子面是隧道開挖不斷向前推進(jìn)的工作面，圖3為掌子面的推進(jìn)和變形概念圖。掌子面玻璃纖維錨桿加固樁施工順序如下：放線定位→鉆孔→旋噴、下錨桿→漿液配制→噴漿。

圖3 掌子面的推進(jìn)和變形概念圖

在成樁時要對以下幾個方面進(jìn)行嚴(yán)格控制以保證質(zhì)量：樁徑設(shè)計值、臨樁咬合情況、樁體是否侵線及樁體強(qiáng)度等，在具體施工時還要考慮不同旋噴壓力、后退速度、漿液配比、鉆桿轉(zhuǎn)速等因素，同時為了達(dá)到最佳的效果，需要根據(jù)實(shí)際的施工環(huán)境調(diào)整各種指標(biāo)和參數(shù)。另外在施工時要考慮以下幾點(diǎn)施工技術(shù)[5]要點(diǎn)。

a）采用鉆機(jī)鉆孔到設(shè)計深度后，為了有利于錨桿錨固，需要進(jìn)行旋噴加固，為有效控制旋噴壓力擴(kuò)散區(qū)域，保證旋噴后不影響掌子面的穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)加固范圍選用的旋噴樁直徑為400 mm，加固的孔底為15 m，同時旋噴順序原則上采取由外到內(nèi)約束-發(fā)散、集中性的方式。

b）為方便進(jìn)一步的施工，在孔底旋噴段施做盡量采用φ400 mm加固體，為了保證加固效果，必須將玻璃纖維下至旋噴樁孔底，同時需要嚴(yán)格檢查其是否到底，若未到底應(yīng)采用擴(kuò)孔方式到底，為防止串漿和漏漿現(xiàn)象，應(yīng)采取間隔跳孔施工。

3.3 鎖腳旋噴樁工藝

鎖腳旋噴樁的打設(shè)是為了保證開挖過程中拱架落腳處圍巖的穩(wěn)定性，采用的鎖腳旋噴樁樁徑為60 cm，打設(shè)的方向范圍是隧道兩側(cè)下方32°～46°，同時打設(shè)的位置在中、下臺階拱腳處。為了使樁體的抗彎、抗折能力以及韌性得到增強(qiáng)，應(yīng)該在旋噴后埋設(shè)用槽鋼焊接成整體的鋼管和拱架，從而使拱架在軟弱圍巖中找到著力點(diǎn)，并達(dá)到減小壓強(qiáng)和減緩沉降的目的。

3.4 降水工藝

由于軟弱圍巖的巖層中存在粉細(xì)砂層，該巖層的自穩(wěn)性差，當(dāng)其遇到水后會產(chǎn)生流沙現(xiàn)象，從而引起整體沉降和安全隱患，故在粉細(xì)砂層中降水措施是非常關(guān)鍵的部分，在無水情況下可以減弱流動性，自然塌落程度也會明顯減小。由于軟弱巖層中滲透系數(shù)小，為了達(dá)到在該巖層中良好的降水目的，采用輕型井點(diǎn)、超前真空孔及垂直深井3種降水方法處理，稱為三級降水法[6]。同時為保證后續(xù)施工的降水效果，需要輔助利用真空泵形成負(fù)壓以達(dá)到降水向外排泄的目的，從而保證整個降水系統(tǒng)處于密封的情況。

4 控制效果分析

a）從實(shí)際工程看，通過采用水平旋噴樁超前支護(hù)、掌子面玻璃纖維錨桿加固樁工藝，經(jīng)現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)，在軟弱巖層中尤其是粉細(xì)砂層內(nèi)成樁情況良好。在施工的旋噴壓力下僅有個別樁位呈橢圓形，并沒有斷樁的情況出現(xiàn)，表明施工效果基本符合設(shè)計要求，同時旋噴樁的咬合情況也良好。

b）結(jié)合該隧道施工后的監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)過鎖腳旋噴樁工藝加固處的初期支護(hù)變形量均在允許范圍內(nèi)，表明鎖腳旋噴樁工藝可以有效減小初期支護(hù)的變形量，同時保證開挖施工的安全性。

c）通過降水工藝，在實(shí)施過程中發(fā)現(xiàn)經(jīng)過三級降水的相互結(jié)合以及真空泵輔助封閉作用，在實(shí)際施工開挖作業(yè)時均無水，表明抽壓密封性好，同時三級降水的效果明顯。

在整個隧道施工過程中，軟弱圍巖段并未出現(xiàn)因?yàn)樽冃纹茐牡默F(xiàn)象，表明初期超前支護(hù)效果和變形控制效果良好。根據(jù)監(jiān)控量測的變形資料顯示，取代表性測點(diǎn)測量其拱頂下沉位移變形，具體曲線圖見圖4。

圖4 隧道代表性測點(diǎn)拱頂下沉量監(jiān)測曲線圖

從圖4可知，量測位移只有18 mm，表明采用的超前控制技術(shù)不僅控制了圍巖的變形，而且明顯減少了拱頂沉降量，同時縮短了施工時間，提高了效率。

5 結(jié)語

結(jié)合工程實(shí)例，為解決隧道中軟弱圍巖施工速度慢及易發(fā)生滑塌的問題，采用相應(yīng)控制技術(shù)進(jìn)行超前處理，分別從軟弱圍巖變形機(jī)制、控制方案設(shè)計、施工工藝及控制效果分析等方面進(jìn)行應(yīng)用研究。結(jié)果表明：超前控制技術(shù)不僅控制了圍巖的變形，而且明顯減少了拱頂沉降變形量，實(shí)現(xiàn)了軟弱圍巖中采用臺階法施工的可能，加快了施工速度，為相關(guān)工程提供了指導(dǎo)作用和借鑒意義。在針對不同工程采用該法時，要結(jié)合具體地質(zhì)條件及其他條件要求具體分析，以便達(dá)到最佳效果。