李貽先

（貴州路橋集團有限公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

巖石地下工程施工中，圍巖破壞對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生巨大影響，導(dǎo)致圍巖破壞的主要誘因為其強度受損或穩(wěn)定性不佳[1]。巖石初始應(yīng)力狀態(tài)、洞型大小、圍巖巖性等指標都會影響圍巖的變形性[2-3]。故此，隧道項目施工前，必須加強現(xiàn)場勘測，掌控區(qū)域地質(zhì)特征，根據(jù)圍巖變形破壞特征采取適當?shù)闹ёo措施提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，確保項目施工安全、快速、穩(wěn)定地進行。

1 工程概況

某隧道項目，開挖洞徑13 m，洞長2 500 m，隧洞巖體一般埋深1 300～2 100 m，該工程具有埋深大、洞線長、洞徑大等特點，項目工期要求緊。該項目所穿越的地質(zhì)層包括層狀大理巖層、云母片巖層、局部薄層砂巖層，地質(zhì)特征如下：1）地層巖石堅硬；2）主要的巖體結(jié)構(gòu)包括層狀結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)等。在高地應(yīng)力和硬脆性巖體影響下，該項目工程難度大，施工環(huán)節(jié)易引發(fā)一系列工程問題。

2 變形破壞特征

現(xiàn)階段，地下工程項目繁多，施工工藝層出不窮，各種施工方法和施工工藝對地質(zhì)周圍圍巖破壞程度不一，導(dǎo)致圍巖特征有所不同[4]。圍巖破壞方式與其他巖石類大體相同但綜合性更強，多為不同類型破壞過程相互影響的結(jié)果。根據(jù)破壞機制的不同，可將圍巖破壞方式分為脆性破壞和延性破壞兩種，圍巖特征與破壞類型有內(nèi)在關(guān)聯(lián)，垂直面以破裂后沿層面剪切破裂為主，層狀圍巖則以層面剪切破裂后剪斷破裂為主，由此可見，圍巖結(jié)構(gòu)特征不同，其破裂類型有所差異。跟蹤調(diào)查結(jié)果顯示，工程區(qū)域的圍巖破壞以脆性破壞為主，此外還包括一般性坍塌、應(yīng)力坍塌、層片狀圍巖結(jié)構(gòu)劣化、巖爆等，不同破壞方式的機制存在差異，卻又彼此關(guān)聯(lián)。

2.1 一般性坍塌

一般性坍塌主要出現(xiàn)在圍巖結(jié)構(gòu)內(nèi)洞室，開挖過程中兩條洞室結(jié)構(gòu)面和開挖面之間形成不穩(wěn)定性石塊，受自身重力作用出現(xiàn)坍塌，這種結(jié)構(gòu)多出現(xiàn)在拱頂位置，如圖1 所示。

圖1 破壞機制

2.2 構(gòu)造應(yīng)力型坍塌

構(gòu)造應(yīng)力型坍塌的破壞方式包括某一結(jié)構(gòu)面剪力破壞和巖體一般性破壞兩種類型，多由于巖體屈服破壞和能量釋放引起[5]。圍巖結(jié)構(gòu)出現(xiàn)構(gòu)造應(yīng)力坍塌后，能量釋放引發(fā)更大的破壞，隨著開裂規(guī)模的不斷增加，導(dǎo)致圍巖斷裂。最常見的斷裂類型包括多條節(jié)理剪切帶、單條剪性斷裂等方式，見圖2 所示。

圖2 破壞機制

2.3 層片狀圍巖的結(jié)構(gòu)弱化

層片狀圍巖是隧道圍巖結(jié)構(gòu)的主要組成部分，該部分巖層易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)弱化，在項目開挖的過程中，在荷載作用影響下容易導(dǎo)致破裂，加之巖體結(jié)構(gòu)面張開、爆破繞動以及水化耦合作用的共同影響，巖體的完整結(jié)構(gòu)被破壞，最終形成了分散的層狀巖片，詳見圖3 所示。

圖3 層片狀圍巖弱化機理

層狀巖體不同層面的結(jié)構(gòu)強度存在差異，結(jié)構(gòu)脆弱的區(qū)域容易出現(xiàn)變形破壞，由此可見，層狀巖體結(jié)構(gòu)強度不同是導(dǎo)致隧道變形和結(jié)構(gòu)破壞的直接誘因。不同層面的巖體結(jié)構(gòu)強度各異，巖層變形后彎折，進而在荷載作用下出現(xiàn)層面分離和斷裂，如果彎折程度超過單層巖石變形撓度值，則會導(dǎo)致巖層斷裂脫落[6]。

2.4 應(yīng)力型坍塌、巖爆

應(yīng)力型坍塌在巖區(qū)施工中最為常見，多發(fā)生于巖體完整性良好的區(qū)域，破壞前的變形時間短，且主要集中在中厚層巖石中。巖爆則是結(jié)構(gòu)內(nèi)彈性能突發(fā)釋放的過程，往往會伴有不同程度的聲響，并導(dǎo)致巖石剝離、彈射，應(yīng)力型坍塌和巖爆均出現(xiàn)在工作面較小距離的巖層中，且其破壞力具備滯后性，詳見圖4 所示。

圖4 破壞機制

3 支護方案設(shè)計原理

隧道圍巖破壞機制不同，其產(chǎn)生的破壞力和破壞效果有所差異，應(yīng)根據(jù)不同破壞機制，對巖體結(jié)構(gòu)和相關(guān)區(qū)域進行支護，控制隧道圍巖的變形，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，避免隧道坍塌等事故[7]。主要措施如下所示：

3.1 關(guān)鍵區(qū)域定向錨固

傳統(tǒng)隧道支護方法無法為圍巖提供相對穩(wěn)定、均勻的承載力，且圍巖周圍變形存在非均勻性的特點，故此可以結(jié)合關(guān)鍵區(qū)域受力特征主動穿層加固，提高目標關(guān)鍵區(qū)域的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，改善其巖性強度。

（1）圍繞圍巖與隧道交界面建立離散數(shù)值模型，并確認圍巖受力情況和變形性。隧道洞軸和圍巖層面之間存在的排列組合方式眾多，需對最常見的類型進行建模，并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，模擬真實受力情況。

（2）依據(jù)計算結(jié)果對隧道斷面主要區(qū)域的變形進行分析，獲取不同層巖層變形的區(qū)域分布狀況，明確施工環(huán)節(jié)最容易出現(xiàn)變形破壞的部分。對獲取的易破損區(qū)域進行定向傳層錨固，作用于剛度和強度最弱的區(qū)域，避免圍巖結(jié)構(gòu)面在荷載的作用下被脫離。

（3）結(jié)合斷面松動圈，確定定向錨固的方向和具體范圍，對圍巖內(nèi)部關(guān)鍵位置的位移值進行分析，確定結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最強的區(qū)域，確定圍巖壓力空間分布特征，并明確單位面積錨固力的大小[8]。

3.2 初期支護鋼拱架定向增強

現(xiàn)場勘測確定可能出現(xiàn)集中形變的圍巖區(qū)域，集中加固后采用初期支護鋼拱架進行目標區(qū)域的支護，避免持續(xù)擠壓作用下圍巖結(jié)構(gòu)扭曲，穩(wěn)定性降低引發(fā)巖石脫落。增加鋼拱架一般寬度是提高側(cè)向剛度的主要措施，從而為局部區(qū)域提供相對可靠的支撐，但是對翼緣寬度的盲目擴展則會降低局部穩(wěn)定性，不利于隧道支護項目施工的順利進行。故此，可在鋼拱架的頂部和側(cè)向位置焊接H 型鋼截面或增添加筋板，來達到提高支護強度防止側(cè)向變形的目的。

4 支護措施建議

巖區(qū)隧道施工應(yīng)結(jié)合圍巖變形破壞力、危害程度、受損區(qū)域等指標選擇合適的支護措施，對常規(guī)圍巖段、巖爆段、應(yīng)力破壞段，實施差異化的支護措施，以提高區(qū)域結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性。圍巖常規(guī)段支護措施包括系統(tǒng)錨桿、噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)片布置等，巖爆或應(yīng)力破壞段，則需加強支護，提高結(jié)構(gòu)強度。

4.1 非巖爆和應(yīng)力型破壞段

非巖爆、應(yīng)力型破壞段隧洞支護應(yīng)遵循設(shè)計規(guī)范，執(zhí)行圍巖作為主要承載來源的基本方針，通過二次高壓固結(jié)灌漿、錨桿支護、混凝土噴層等不同措施，進行圍巖加固，提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和承載力水平，確保圍巖和錨支護結(jié)構(gòu)達標。

結(jié)合該工程實際和隧道破損情況，選定噴錨支護和高壓固結(jié)灌漿施工的聯(lián)合支護方案，提高圍巖結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性。通過對隧洞內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的支護或二次高壓固結(jié)灌漿處理，改善結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提高其承載力水平，使隧道圍巖抗?jié)B透性、耐久性得以改善。

4.2 巖爆和應(yīng)力型破壞段

以該工程特點為基礎(chǔ)，巖爆和應(yīng)力型破壞段須對兩個因素加以控制，即開挖過程中圍巖受擾動程度以及開挖輪廓周圍的應(yīng)力分布格局。施工區(qū)域存在上述兩種類型圍巖破壞，須采取有效措施降低開挖擾動程度和圍巖應(yīng)力值，改善區(qū)域承載力和穩(wěn)定性[9]。結(jié)合圍巖施工方法和應(yīng)力改善條件可從以下幾點入手：

（1）工作面處理：主要采用錨桿系統(tǒng)支護，巖爆段工作面的處置方式主要用以控制應(yīng)力型垮塌或巖爆繼續(xù)深入。詳細操作要點如下：1）工作面施加膨脹錨桿，改善圍巖張力水平，隨著錨孔數(shù)量的增多，圍巖應(yīng)力被抵消，避免應(yīng)力值過大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受損；2）工作面被破壞后，根據(jù)挖進方向設(shè)置前錨桿，錨桿長度一般大于進尺兩倍，并在循環(huán)爆破后保留在巖體內(nèi)部，對工作面加固，提高圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

（2）特殊施工材料應(yīng)用與處置。噴錨支護和格柵鋼架為圍巖加固的常見措施，相比于常用支護措施，噴錨支護采用高納米材料與混凝土按照特定比例制備而成，混凝土噴漿厚度增加，可為圍巖提供更好的支撐效果，改善其穩(wěn)定性。錨桿選擇時不僅要提高長度精準值，還要安裝預(yù)應(yīng)力錨桿、水脹式錨桿、脹殼式錨桿以滿足不同場景下應(yīng)用需求[10]。與此同時，結(jié)合隧道相鄰結(jié)構(gòu)的特征和破壞規(guī)模，相似地質(zhì)段內(nèi)安裝拱架或型鋼，以改善結(jié)構(gòu)承載力，并在拱架之間安裝鋼絲網(wǎng)，提供柔性支撐進一步改善支護效果，安裝過程中需對鋼絲網(wǎng)緩慢釋放并固定。

（3）圍巖應(yīng)力解除與降低。1）現(xiàn)場分析隧道圍巖應(yīng)力指標，危害性大者需在施工環(huán)節(jié)加以控制，采取積極措施降低應(yīng)力；2）結(jié)合施工經(jīng)驗嚴格控制施工工藝參數(shù)，鉆爆法施工執(zhí)行“短進尺、短掘進”原則，并對光面爆效果準確控制，降低應(yīng)力集中現(xiàn)象，施工階段盡可能一次性完成，避免應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破；3）施工完畢后，向暴露的工作面或圍巖面進行高壓噴漿，或利用錨桿孔、高壓水槍向巖體內(nèi)注水改善其強度，降低脆性，避免巖爆，保障圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

5 結(jié)論

圍巖破壞模式眾多，破壞類型不確定，是圍巖支護的難點所在，如果圍巖破壞模式不確定，則會導(dǎo)致施工過程中支護強度不達標、支護不及時等施工病害出現(xiàn)。普通隧道洞身內(nèi)部可根據(jù)標準規(guī)范，采取相對成熟的支護措施。應(yīng)力破壞和巖爆區(qū)域，需結(jié)合實地勘測情況，選擇合理的支護結(jié)構(gòu)，不可盲目選擇而導(dǎo)致圍巖結(jié)構(gòu)被大量破壞，最終影響隧道質(zhì)量。

隧道施工中須結(jié)合實際情況選擇相對靈活的支護方式，避免現(xiàn)場圍巖結(jié)構(gòu)的大量破壞。經(jīng)過支護后，變形監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，圍巖變形量有所降低，證實應(yīng)力調(diào)整措施和支護手段起到了一定效果，圍巖被破壞程度降低，表明相關(guān)措施的支護效果可觀。后續(xù)施工環(huán)節(jié)還應(yīng)針對圍巖結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)，實時分析其破壞狀態(tài)，評估現(xiàn)有支護措施的效果，以提高圍巖的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，將其可能產(chǎn)生的危害程度降低到最小，確保施工安全。