关于软弱围岩中隧道超前支护施作的新构想

来源:用户上传      作者: 高志

　　摘要：文章阐述了隧道软弱围岩段洞身开挖后的变形机理，有针对性地为隧道穿过软弱围岩提出了超前支护施工的新构想，较好地解决了施工中可能出现的隧道塌方问题，对隧道施工技术推广应用具有参考作用。
　　关键词：软岩隧道 超前支护 构想
　　
　　1、软弱围岩变形理论
　　本文拟在隧道开挖超前支护技术方面作些探讨，为避免产生歧意，先说明两点：第一，本文中的软岩仅指工程软岩，工程软岩是指在工程力的作用下能产生显著塑性变形（超过设计值）和流变的工程岩体；第二，本文中的围岩，是指隧道圆形洞室周边受开挖影响明显的、范围为6倍开挖洞室半径的岩体。
　　1.1、围岩变形的影响因素
　　理论研究和施工实践都证明：由于隧道开挖形成的地下空间改变了洞室周边岩体的相对应力平衡状态，围岩必然产生应力重分布，同时产生体积变形，其宏观表现就是岩面向洞室空间的位移。围岩应力重分布有一个动态的演化过程，不仅与岩体的自身强度和应力状态有关，还和岩体的变形机制、毛洞无支护状态的自稳能力、地下水活动状况对其影响巨大，并和初期支护强度有关。
　　1.2、初始地应力
　　由于隧道开挖破坏了原有地层结构，打破了岩体原来的平衡状态，产生应力重分布。这里所说的初始地应力就是指隧道开挖前将要被挖除的岩体中存在的应力。这种应力一般由两种力系构成，一是自重应力，一是构造应力。
　　σ x=Τh ；σy=αΤh ；σz=βΤh 。α、β：构造应力场中水平和垂直方向的侧压力系数。
　　1.3、软弱围岩的变形理论
　　岩体的形变压力（岩体变形产生的挤压力）和松散压力（岩块坠落、滑移、坍塌所产生的重力）统称为围岩压力。按作用方向不同，围岩压力可分为垂直压力和水平压力。在硬岩层中围岩水平压力较小，可以忽略不计；但在松软岩层中，围岩的水平压力较大。影响围岩压力的因素有岩土的重力、岩体的构造、地下水的分布、洞室的形状和尺寸以及初始地应力。
　　1.3.1、围岩压力
　　围岩压力的确定方法：第一种方法是现场量测法，结果比较接近实际，但很难实施；第二种方法是理论估算法，因影响围岩压力的因素较多，准确度低；第三种方法是工程类比法（即围岩分类法），按围岩分类规则由经验公式估算围岩压力。目前最为常用的方法就是工程类比法。
　　岩石坚固系数分类法（普罗托吉雅柯诺夫法）：
　　围岩垂直压力σz=γh1
　　围岩水平压力：洞室拱顶σH=γh1tan2(π/4－ψ/2)
　　洞室拱底σH=γ（h1+h）tan2(π/4－ψ/2)
　　γ：围岩容重；h1：普氏压力拱的矢高；h：隧道毛洞的高度；ψ：土的内摩擦角， 且有h1=a1/f,其中a1=a+h tan(π/4－ψ/2)；f为岩石坚固性系数；a为隧道半宽。普氏理论适用于较松散、破碎地层，即适用于软弱围岩。
　　1.3.2土压力
　　在土层中施工隧道初期支护结构承受的土压力可以用静止土压力公式：朗金（Rankine）土压力计算公式、库伦（Couloun）土压力计算公式进行计算。
　　利用非线性有限元法解决粘塑性蠕变问题；离散元法解决破碎掉块情况下的岩石稳定问题。当软弱围岩如有地下水，则极不利围岩的稳定，在力学上出现流固耦合问题，它涉及到流体的许多性质。
　　2、超前支护新构想
　　对于隧道开挖施工来说，毛洞无初期支护状态在每一个施工循环中都要出现，如果围岩好，自持能力强，开挖循环进尺就可以放大，初期支护设计强度就可以减小；如果围岩差，自持能力弱，开挖循环进尺就要缩小，初期支护设计强度就得增大。
　　软岩条件下的隧道开挖，由于其自稳能力差或极差，尽管初期支护承载能力大，并且区分不同情况设置有超前锚杆、超前单（双）层小导管或洞身管棚（一般10m），但由于掌子面附近洞室形状不规则、塑性围岩重分布应力情况十分复杂和可能出现的地下水影响，再加上超前锚杆、超前小导管或洞身管棚打孔施作过程中对拱部岩体的进一步损伤（实际注浆效果可能远小于预期），致使拱部岩体更加破碎，加重了拱部临空面破碎岩体从超前支护杆、管间隙掉落程度，使暴露出的超前支护杆件与拱部岩体脱空现象更严重，如果拱部的超挖部分不能得到及时的回喷填补，将严重削弱超前支护效果。
　　按照现有超前预支护工法施工，对拱部岩体的额外损伤难以避免，甚至可能出现因钻孔振动诱发掌子面靠近拱部的垂直围岩面，一般为受压区域滑塌。不仅如此，洞身管棚和超前小导管施打角度大（要给下一榀拱架留位，一般大于10°～12°）和重复搭接量大，洞身管棚机械作业还存在洞内空间不够的问题。
　　笔者从软质围岩应力分布的演化过程分析着手，结合施工的实际情况，认为：采用超前送管施作法，能大幅度降低对岩体的损伤，改善预支护效果，节省预支护材料。
　　2.1超前送管施作法的主要内容
　　⑴洞洞身管棚：管棚机打孔起点要避开初期支护型钢架，让钻臂上的动力头有足够的活动空间；以某个较小的角度向前方钻孔，该角度控制标准是：以向前送管20m左右的距离后，管端正好处于初期支护型钢拱架顶部；管棚长度要根据洞身管棚支护的范围来确定，但每次长度以不超过30m为宜（打孔长度过远，可能偏位过大）；向前送管20m左右，使之达到预想的位置，再注浆封孔。
　　⑵超前单层小导管：锚固钻机打孔，选点要求同⑴；控制角度以向前送5～10m的距离后小导管的端部焊接但又不妨碍钢架支立；小导管长度以不超过15m为宜；送管到指定的位置后注浆封孔。
　　⑶超前双层小导管：内层小角度超前管施作方法同⑵所述，外层大角度超前管施作方法仍按现行方法进行。
　　
　　超前送管施作法中的钻孔全部采用履带式钻机施工，有助于提高工效和减轻工人的劳动强度。此法的关键点在于：a.要控制好打孔方向，才能获得预期的效果；b.采用较大一点的钻孔孔径，使送管顺利；c. 钢管接长要采用焊接并确保焊缝质量，大直径的管棚管在接头处焊接要有内衬短管；d. 送管的管件与预支护管采用丝扣连接；e. 送管到位后应及时反转将送管杆抽出，随之插入小直径的注浆管，封口，尔后进行注浆。
　　2.2、超前送管施作法的主要理论根据
　　⑴在应力差不大的岩体内冲击成孔，冲击振动力的扩散引起的岩体松动破裂范围不大，换句话说就是对拱部临空面破碎岩体的影响很小；
　　⑵支护杆件越长，对于其临空管段来说，其端部固结条件就越好，临空管段不仅具有了自身最大的抗弯能力，还具有了抗拉能力，相当于拱部岩体进行了加筋；
　　⑶能够做到超前预支护无空档，尽可能避免出现施工险情（除非超前预支护设计能力本身就不够）；
　　⑷可以采用较高的注浆压力，对管体周边的软岩起到一定的加固效果。
　　3、施工注意事项：
　　1）软岩隧道施工应坚持"预支护、短开挖、少扰动、强支护、早封闭、实回填、严治水、勤量测"的原则。
　　2）施工排水很重要：采取引、排、堵相结合的方法，根据具体情况治水。防止围岩因水的作用而软化，防止在水的作用下软弱夹层随水流失，造成岩体松驰而塌方，防止因水压力存在造成掌子面失稳。
　　3）长管棚施工注意管棚方向控制。超前小导管宜穿入钢支撑施作。为保证注浆质量，在注浆管管尾焊球阀，注浆压达到设计或停止注浆时将球阀关闭，再卸掉注浆管。
　　4）按《铁路隧道监控量测技术规程》进行监控量测，并根据围岩量测分析结论，适时调整支护参数。
　　4、结束语
　　软岩隧道施工一直是隧道施工中的难点，洞身开挖过程中遇到软弱围岩，是影响施工进度、工程质量、施工安全的最不利因素，也是造成工程施工成本增加的主要原因。本文通过对软弱岩体变形理论的研究，提出了超前送管施作法支护的新构想。但是由于地质构造千差万别，构造应力往往不易估计，影响围岩压力的因素很多，在运用超前支护措施的同时还必须对围岩和初期支护的变形进行量测，根据量测结果分析变形情况适时调整支护参数，以正确指导软岩隧道施工。
　　
　　参考文献
　　[1]、江正荣 《建筑施工计算手册（第二版）》中国建筑工业出版社，2007。
　　[2]、关宝树 《隧道工程施工要点集》人民交通出版社，2003。
　　[3]、夏永旭、王永东 《隧道结构力学计算》人民交通出版社，2004。

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