軟巖隧道工程問題分析

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摘要:介紹了軟巖隧道工程的發(fā)展現(xiàn)狀，對目前軟巖隧道施工過程中面臨的主要問題進行了詳細分析，指出了問題存在的原因，并對今后軟巖隧道的研究方向進行了展望，以提高軟巖隧道工程的施工技術(shù)水平。

關(guān)鍵詞:隧道，軟巖，變形，圍巖支護

1概述

隨著交通事業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的隧道工程將會在地形、地貌及地質(zhì)背景復(fù)雜的西部山區(qū)修建。隧道在施工過程中不可避免的會遇到軟弱圍巖、高地應(yīng)力圍巖、斷層破碎帶等復(fù)雜的地質(zhì)狀況。通常意義上，穿越這些地區(qū)的隧道統(tǒng)稱為軟巖隧道［1］。軟巖隧道開挖易造成圍巖大變形，控制圍巖變形也是軟巖隧道開挖所要解決的主要問題之一。尤其是對于穿越軟弱地層的大跨度隧道而言，如果支護不強或支護不及時，將會發(fā)生塌方冒頂或二次襯砌嚴(yán)重開裂現(xiàn)象，將會給工程安全性造成嚴(yán)重的威脅。通常來說，隧道圍巖大變形指在高地應(yīng)力軟弱圍巖條件下，圍巖發(fā)生沉降破壞并最終導(dǎo)致隧道圍巖失穩(wěn)的現(xiàn)象［1］。其實質(zhì)是圍巖產(chǎn)生剪應(yīng)力使得巖體彼此錯動、斷裂破壞，也就是說使圍巖的自穩(wěn)能力喪失，產(chǎn)生塑性變形，進而迫使圍巖向開挖洞室方向擠壓，產(chǎn)生大變形的現(xiàn)象。對于大變形的界定［2］，鐵二院考慮了預(yù)留變形量的影響，認(rèn)為單線隧道適當(dāng)?shù)念A(yù)留變形量一般不大于150mm，雙線隧道一般則不大于300mm，正常的變形量上限取上述值的0．8倍，在支護位移上，若單線隧道大于130mm，雙線隧道大于250mm，就認(rèn)定為發(fā)生了大變形。近年來，隨著深埋特長隧道建設(shè)的日益增多，國內(nèi)外對軟弱圍巖隧道大變形的變形機理［3］、變形特征［4］、控制措施［5］、施工工法［6，7］及支護時機［8］等等方面做了大量的研究，并取得了一定的成果。

2大跨軟巖隧道存在的問題

由于地層地質(zhì)的復(fù)雜性，大跨軟巖隧道工程仍然面臨著以下幾個急需解決的關(guān)鍵問題:1)對圍巖變形的判斷與控制。對于軟巖隧道圍巖變形的研究主要集中在三個方面:a．從理論方面對變形機理進行研究;b．選擇合理的施工工法對圍巖變形進行控制;c．運用有限元或其他數(shù)值模擬的手段對圍巖的變形量和變形趨勢進行預(yù)測。從眾多的學(xué)術(shù)論文和科研成果中不難發(fā)現(xiàn)，對于圍巖變形的機理多是采用連續(xù)性介質(zhì)理論進行分析，而實際工程中的圍巖是非連續(xù)的，它是巖塊和結(jié)構(gòu)面在三維空間的一種非定向關(guān)系。尤其是對于地質(zhì)狀況比較復(fù)雜的軟弱圍巖，都是由多種物理成分組成的，且各物理成分的大小、多少及分布具有很大的隨機性。但是，在實際的研究和應(yīng)用中，例如采用數(shù)值模擬的方法對軟巖隧道圍巖變形進行分析時，又必須運用巖體的本構(gòu)關(guān)系，這本身就是存在問題的，更不要說計算結(jié)果的準(zhǔn)確性了。不論是理論分析還是數(shù)值模擬都沒有辦法對圍巖的變形量進行準(zhǔn)確的判斷。這將引起另外一個問題，就是在采取控制變形措施時，通常采用的是依據(jù)相似工程經(jīng)驗制定施工方案，并沒有針對不同的變形量采取相應(yīng)的控制措施，因此變形控制措施也具有一定的盲目性。另外，隧道施工中變形可以達到1．0m甚至更大，軟弱圍巖變形本質(zhì)上屬于大變形問題，然而巖體力學(xué)中使用的彈塑性變形理論［9］雖然對材料的非線性進行了考慮，但是嚴(yán)格意義上仍屬小變形理論。2)對合理支護時機的探討。隧道二次襯砌施作時機始終是隧道界討論的熱點問題，二次襯砌的支護時機是保證二次襯砌長期穩(wěn)定的關(guān)鍵。特別是對于軟巖大變形隧道，如果二次襯砌施作過晚，則可能造成初期支護變形過大而無法控制，以致隧道失穩(wěn);但如果施作過早，則不利于地應(yīng)力的釋放和充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力，從而使二襯受力過大而導(dǎo)致開裂，降低了隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。因此，合理確定二次襯砌施作時機是保證隧道施工階段和長期運營階段安全性的關(guān)鍵。但是現(xiàn)階段，對于隧道二次襯砌支護時機的研究仍然沒有形成系統(tǒng)的體系。研究者多根據(jù)具體的工程背景選擇不同的巖石彈塑性模型，采用的確定合理支護時機的判定方法也各有不同。對于二襯支護時機的影響因素的分析也多是針對單一影響因素，并沒有綜合考慮。

3軟巖隧道的發(fā)展與展望

為了滿足交通建設(shè)的需要，將不可避免的遇到更多的軟巖隧道工程。圍巖大變形的控制問題仍然是未來軟巖隧道工程需要解決的關(guān)鍵問題。從根本上講要更深入的研究圍巖的變形機理，找出適用于實際工程地質(zhì)狀況的圍巖的本構(gòu)關(guān)系。在施工的過程中，超前地質(zhì)預(yù)報要貫穿整個隧道的開挖過程，監(jiān)控測量要及時跟進。對于具有代表性的工程要完善施工工法，以便以后類似工程經(jīng)驗借鑒。隧道是地層圍巖和支護結(jié)構(gòu)共同組成的復(fù)雜受力體。支護是一個過程，一個好的支護方案要讓這一過程與圍巖變形過程相協(xié)調(diào)。考慮到軟弱圍巖的蠕變特性，圍巖的自穩(wěn)能力是與施加相關(guān)的，因此二次襯砌的支護需要一個合理的時機。反過來理解，如果要確定合理的二襯支護時機，首先要對圍巖的蠕變特性和變形機理進行充分而深入地分析，只有在此基礎(chǔ)上，才能選擇適當(dāng)?shù)闹ёo時機和支護形式以及確定合適的支護參數(shù)。由于目前的研究多針對二次襯砌的支護時機探討，應(yīng)該將整個支護過程統(tǒng)一起來，形成與不同圍巖級別、不同斷面尺寸、不同開挖方式、不同支護參數(shù)相對應(yīng)的系統(tǒng)的支護方案，以及更完善的施工工法。

4結(jié)語

本文主要針對近年來出現(xiàn)的軟巖隧道工程中的突出問題進行了討論，并對軟巖隧道工程今后的發(fā)展進行了展望。為了滿足交通建設(shè)的需要，更多更為復(fù)雜的軟巖隧道工程也必將積累更多的工程經(jīng)驗，更好更深入的解決圍巖大變形的控制問題。隨著支護理論的不斷發(fā)展、支護技術(shù)的不斷進步，軟巖隧道工程施工技術(shù)水平將會不斷提高和發(fā)展。

參考文獻:

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［3］劉伴興．軟巖隧道大變形機理及位移控制基準(zhǔn)［D］．石家莊:石家莊鐵道學(xué)院，2006．

［4］段慶偉，何滿朝，張世國．復(fù)雜條件下圍巖變形特征數(shù)值模擬研究［J］．煤炭科學(xué)技術(shù)，2002，30(6):55-58．

［5］柴瑞峰，王才高．鳥鞘嶺特長隧道大變形圍巖段施工技術(shù)［J］．鐵道建筑，2005(12):38-39．

［6］王祥秋，楊林德，高文華．軟弱圍巖蠕變損傷機理及合理支護時間的反演分析［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(5):793-796．

［7］王建宇，胡元芳，劉志強．高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道擠壓型變形和可讓性支護原理［J］．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012，49(3):9-17．

［8］劉全林，楊敏．軟弱圍巖巷道錨固支護機理及變形分析［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2002，21(8):1158-1161．

［9］張良輝，熊厚金，張清．隧道圍巖位移的彈塑粘性解析解［J］．巖土工程學(xué)報，1997，19(4):66-72．

作者：任海勇 單位：山西藍焰煤層氣集團有限責(zé)任公司