軟巖隧道支護(hù)的作用機(jī)理及對策探討

　　李國旺

　　摘　要：本文根據(jù)軟巖隧道的特點(diǎn)，在探討軟巖隧道失穩(wěn)原因、破壞特征及其形成的力學(xué)特征,分析軟巖隧道各種支護(hù)方法的作用機(jī)理，對軟巖隧道支護(hù)重點(diǎn)與對策進(jìn)行了探討。并對軟巖隧道選擇合理的支護(hù)方法提出了見解。

　　關(guān)鍵詞：軟巖隧道 支護(hù)機(jī)理 支護(hù)對策

　　1緒論

　　隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國家投入了大量人力、物力用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。近年來，在工程建設(shè)的眾多技術(shù)領(lǐng)域中隧道和隧道技術(shù)表現(xiàn)得十分突出。隧道作為一種隧道結(jié)構(gòu)物，以開發(fā)利用隧道潛在資源為目的，因而能更好地實(shí)現(xiàn)環(huán)保、安全、便利、節(jié)能和經(jīng)濟(jì)的工程要求。我國工程技術(shù)人員在這方面做出了大量的努力和杰出的貢獻(xiàn)，并取得了舉世矚目的成就。截至2006年底，全國公路隧道達(dá)3788處、184.18萬延米，其中特長隧道49處、19.18萬延米。其它隧道情況分別為：長隧道444處、72.32萬延米，中隧道577處、40.94萬延米，短隧道2718處、51.75萬延米。

　　在隧道開挖過程中，由于巖體的天然應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，引起隧道周圍巖體的卸荷回彈和應(yīng)力重分布，當(dāng)這種回彈應(yīng)力和重分布應(yīng)力超過圍巖強(qiáng)度所能承受的范圍時(shí)，將造成巖體的失穩(wěn)破壞，如果不進(jìn)行支護(hù)，圍巖就會發(fā)生巖塊錯(cuò)動、掉快、甚至坍塌，給隧道施工和運(yùn)營帶來危害。為保證隧道維持需要的凈空和安全，隧道開挖后是需要進(jìn)行支護(hù)的，也就是利用支護(hù)來阻止隧道周邊圍巖產(chǎn)生的位移或掉塊。在隧道工程中，維持隧道圍巖以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定是設(shè)計(jì)、施工以及維護(hù)過程中的基本出發(fā)點(diǎn)，如何保證在安全可靠的前提下，以較少的投資建設(shè)隧道工程是工程設(shè)計(jì)、施工及維護(hù)過程的重要原則。由于隧道賦存于復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中，且一般的隧道工程往往投資巨大，一旦發(fā)生圍巖失穩(wěn)情況，往往使隧道工程的正常施工、安全使用、采礦或其他作業(yè)無法繼續(xù)進(jìn)行，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的工程事故，造成可怕的人員傷亡及巨大的經(jīng)濟(jì)損失，軟巖隧道作為一種特殊地質(zhì)隧道表現(xiàn)得尤為明顯，其變形量大、變形速度快、持續(xù)時(shí)間長的特點(diǎn)已超出了傳統(tǒng)支護(hù)理論的范疇。

　　軟巖隧道的特點(diǎn)，使得軟巖隧道支護(hù)問題成為困擾隧道建設(shè)的重大問題之一。由于軟巖隧道支護(hù)不當(dāng)而造成的巨大的返修量不僅造成很大的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)，而且使整個(gè)隧道生產(chǎn)陷于困境，甚至關(guān)閉。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每年隧道掘進(jìn)上萬千米，軟巖隧道約占其中的1/10。由于軟巖支護(hù)的問題，大約有1/6的軟巖隧道需要返修、維護(hù)，所以能否解決好軟巖隧道的支護(hù)等問題，是我國隧道掘進(jìn)和安全生產(chǎn)的關(guān)鍵問題之一。因此關(guān)于軟巖支護(hù)問題的研究得到了廣泛關(guān)注，并取得了大量的研究成果。

　　2軟巖隧道變形破壞的主要特點(diǎn)及影響因素

　　2.1軟巖的定義

　　軟巖亦稱松軟巖層，不僅是指圍巖巖體松軟。而且指圍巖不穩(wěn)定或極不穩(wěn)定。軟巖是一種特殊的巖類，從巖石固有的特性來說，它具有軟的形態(tài)，而從工程應(yīng)用的觀點(diǎn)來看，它又是“弱”的，它具有較低的承載能力和較大的變形性，在工程力的作用下，具有明顯的塑性變形或粘塑性變形特征。進(jìn)入軟巖狀態(tài)的隧道，其強(qiáng)度特性、泥質(zhì)含量、結(jié)構(gòu)面特點(diǎn)及其塑性變形力學(xué)特點(diǎn)差異很大，其軟巖種類是不同的。根據(jù)特性的差異及產(chǎn)生顯著塑性變形的機(jī)理，軟巖可分為四大類，即膨脹性軟巖(也稱低強(qiáng)度軟巖)、高應(yīng)力軟巖、節(jié)理化軟巖和復(fù)合型軟巖。

　　2.2影響軟巖隧道變形的主要因素

　　(1)巖性因素巖石本身的強(qiáng)度、剛度、結(jié)構(gòu)、膠結(jié)程度及膠結(jié)物的性能，膨脹性礦物的含量等，這均是影響軟巖隧道變形的內(nèi)在因素。

　　(2)工程應(yīng)力的影響它是造成圍巖變形的外部因素。垂直應(yīng)力、構(gòu)造殘余應(yīng)力及工程環(huán)境和施工的擾動應(yīng)力，鄰近隧道施工，采動影響等，特別是多種應(yīng)力的迭加情況影響更大。

　　(3)水的影響包括隧道水及工程用水，尤其是對膨脹巖，水幾乎是萬惡之源，水不僅造成粘土質(zhì)巖的膨脹，同時(shí)降低巖石強(qiáng)度。

　　(4)時(shí)間因素流變是軟巖特性之一，隧道變形和時(shí)間密切相關(guān)。

　　2.3軟巖隧道變形破壞的主要特點(diǎn)

　　(1)軟巖隧道變形呈現(xiàn)蠕變變形三階段的規(guī)律，并具有明顯的時(shí)間效應(yīng)。初期來

　　壓快，變形量大，軟巖隧道自穩(wěn)能力很差，如不加控制很快就會發(fā)生巖塊冒落、隧

　　道破壞。但如果用不適應(yīng)軟巖大變形特點(diǎn)的剛性架，也將很快被壓壞。

　　(2)軟巖隧道多為環(huán)向受壓，且非對稱。隧道開挖后不僅頂板變形易冒落，底板

　　也將產(chǎn)生強(qiáng)烈底朦，如隧道支護(hù)對底板不加控制，往往出現(xiàn)強(qiáng)烈底瞰并引發(fā)兩幫破

　　壞、頂坍落。

　　(3)軟巖隧道變形隨深度增加而增大。不同隧道，不同地質(zhì)條件下都存在一

　　個(gè)軟化臨界深度，超過臨界深度，支護(hù)的難度就明顯增大，且軟巖隧道變形在不同

　　的應(yīng)力作用下，有明顯的方向性。

　　(4)軟巖的失水和吸水均可造成軟巖發(fā)生膨脹變形破壞或泥化破壞。

　　3軟巖隧道支護(hù)原理及作用機(jī)理

　　3.1軟巖隧道支護(hù)原理

　　松軟巖層隧道支護(hù)的著眼點(diǎn)應(yīng)放在充分利用和發(fā)揮自承能力上。支護(hù)原理是：根據(jù)巖

　　層不同屬性，不同地壓來源，從分析地壓活動基本規(guī)律人手，運(yùn)用信息化設(shè)計(jì)方法，使支

　　護(hù)體系和施工工藝過程不斷適用圍巖變形的活動狀態(tài)，以達(dá)到控制圍巖變形，維護(hù)隧道穩(wěn)

　　定的目的。

　　具體的說，有以下幾個(gè)方面：必須改變傳統(tǒng)的單純提高支護(hù)剛度的思想，支護(hù)結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度應(yīng)與加固圍巖、提高圍自承能力相結(jié)合，與圍巖變形及強(qiáng)度相匹配，實(shí)踐證明，單純提高支護(hù)剛度的方法是難以奏效的;必須采取卸壓、加固與支護(hù)相結(jié)合的方法，統(tǒng)籌考慮、合理安排，對高地應(yīng)力區(qū)，要卸得充分，對大變形區(qū)，要讓得適度，對松散破碎區(qū)，要注意整體加固，對隧道圍巖整體要支護(hù)住; 進(jìn)行圍巖變形量測，準(zhǔn)確地舉握圍巖變形的話動狀態(tài)，根據(jù)量測結(jié)果進(jìn)行反饋定二次支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)，確定補(bǔ)強(qiáng)時(shí)間，再次支護(hù)時(shí)間和封底時(shí)間;樹立綜合治理、聯(lián)合支護(hù)、長期監(jiān)控的支護(hù)思想體系。

　　3.2軟巖隧道支護(hù)原理

　　從地質(zhì)工程觀來看，軟巖由于其強(qiáng)較小，無法自穩(wěn)，因此必須對其進(jìn)行改造，以滿足軟巖巷道工程的要求。在軟巖改造的方法措施中，錨噴網(wǎng)架和注漿都需不同程度﹑不同量地用上。為了更好地發(fā)揮各部分的潛能，使工程造價(jià)經(jīng)濟(jì)合理，必須正確認(rèn)識到他們的作用機(jī)理。

　　軟巖隧道工程支護(hù)從支護(hù)時(shí)間上分為超前支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)、永久支護(hù)等。軟巖隧道工程支護(hù)從支護(hù)方法上分：錨桿支護(hù)、掛鋼筋網(wǎng)支護(hù)、噴射混凝土支護(hù)、注漿支護(hù)、混凝土襯砌支護(hù)等。下面對各支護(hù)方法的作用機(jī)理進(jìn)行說明。

　　1.錨桿加固圍巖機(jī)理

　　錨桿對圍巖起著加固作用，在防止個(gè)別危巖的掉落或滑落而注入的錨桿起著懸吊作用;錨桿用于加固水平或緩傾的層狀圍巖時(shí)則起著組合梁作用;錨桿對在節(jié)理發(fā)育的巖體和松動區(qū)則起組合拱作用;錨桿能向圍巖施加壓力，使處于二向應(yīng)力狀態(tài)的巷道圍巖保持三向應(yīng)力狀態(tài)，阻止圍巖強(qiáng)度惡化。

　　2.噴射混凝土作用機(jī)理

　　混凝土噴層可改變圍巖表面受力狀態(tài)，填平補(bǔ)強(qiáng)圍巖，覆蓋圍巖表面形成防風(fēng)化和止水的防護(hù)層，防止圍巖松動，及間接提高圍巖中的環(huán)向力等作用

　　3.注漿作用機(jī)理

　　注漿加固能提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性、承載能力和穩(wěn)定性，將松散的巖石膠結(jié)成整體，提高了巖體的凝聚力和內(nèi)摩擦角，同時(shí)可以利用漿液封堵圍巖的裂隙，隔絕空氣，起到防止圍巖風(fēng)化的作用，且能防止圍巖被水浸濕而降低圍巖本身強(qiáng)度。

　　4.鋼筋網(wǎng)作用機(jī)理

　　支護(hù)中加入鋼筋網(wǎng)可防止收縮裂縫出現(xiàn)，減少裂縫數(shù)量和限制裂縫寬度，提高支護(hù)的抗動載能力，使噴層應(yīng)力得到均勻分布，同時(shí)能增強(qiáng)噴層的柔性，改變其變形性能，防止圍巖局部破壞。

　　4軟巖隧道支護(hù)對策

　　早期的支護(hù)理論沿用地面結(jié)構(gòu)工程原理設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)，圍巖是支護(hù)的對象，支護(hù)只是人工構(gòu)筑的承載結(jié)構(gòu)而已。然而，現(xiàn)代巖石力學(xué)揭示，巖石破裂后具有殘余強(qiáng)度，松動破裂圍巖仍具有相當(dāng)高的承載能力，圍巖既是支護(hù)壓力的根源，又是抵抗平衡原巖應(yīng)力的承載體，而且是主要的承載結(jié)構(gòu)體。支護(hù)的作用在于維護(hù)和提高松動圍巖的殘余強(qiáng)度，充分發(fā)揮圍巖的承載能力。因而，在軟巖隧道支護(hù)中，要遵循以下幾方面原則：

　　1.維護(hù)和保持圍巖的殘余強(qiáng)度的原則

　　一般軟巖，在經(jīng)受水或者風(fēng)化影響后，強(qiáng)度將降低，所以開隧后應(yīng)及時(shí)噴射混凝土以封閉巖面，防止圍巖風(fēng)化潮解，減少圍巖強(qiáng)度的損失，施工過程中的光面爆破等技術(shù)措施，有利于保持圍巖的強(qiáng)度。

　　2.提高圍巖殘余強(qiáng)度的原則

　　提高圍巖殘余強(qiáng)度有三個(gè)技術(shù)途徑：

　　(1)提高支護(hù)阻力，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)。開挖后應(yīng)盡快完成支護(hù)的主體結(jié)構(gòu)由二維應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)為三維應(yīng)力狀態(tài)，從而提高圍巖的殘余強(qiáng)度。

　　(2)用錨桿支護(hù)加固圍巖。實(shí)驗(yàn)證明，錨桿能利用其錨固力將破碎圍巖錨固起來，恢復(fù)和提高破裂圍巖的殘余強(qiáng)度，形成具有較高承載能力和可塑性的錨固層。錨桿錨固力大、密度高，這種加固作用就越明顯。

　　(3)注漿加固。破碎嚴(yán)重的巖體，單純依靠錨桿加固不能滿足要求時(shí)，應(yīng)考慮注漿加固，這是提高松動破碎圍巖強(qiáng)度最有效的方法。注漿方式可以采用單獨(dú)注漿或者采用外錨內(nèi)注的“錨注式”錨桿。

　　3.充分發(fā)揮圍巖的承裁能力的原則

　　充分發(fā)揮圍巖的承裁能力，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面

　　(1)圓形隧道原則。軟巖隧道中，圓形隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的承裁能力最大(均勻應(yīng)力場)，采用圓形斷面有利于提高圍巖的承裁能力，改善支護(hù)效果。隧道斷面形狀的確定應(yīng)盡量考慮適應(yīng)圍巖應(yīng)力場持

　　(2)全斷面支護(hù)原則。軟巖隧道支護(hù)所承受的荷載主要是圍巖的變形壓力，它來自于隧道的四周，包括隧道底扳。如果底板不支護(hù)，它就是支護(hù)的一個(gè)薄弱點(diǎn)，很容易發(fā)生底鼓現(xiàn)象，降低整個(gè)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的承裁能力，導(dǎo)致支護(hù)失敗。所以，軟巖隧道底板必須予以支護(hù)。

　　(3)可縮性支護(hù)原則。軟巖隧道中，圍巖變形壓力是支護(hù)的主要荷載，普通剛性支護(hù)(砌碴支護(hù)、普通錨噴等)難以適應(yīng)，在大的變形壓力作用下很快就會破壞，使圍巖處于事實(shí)上的無支護(hù)狀態(tài)，不利于發(fā)揮圍巖的承載能力;對于可縮性支護(hù)，當(dāng)變形壓力超過圍巖的承載能力后，支架可縮讓壓，這一過程是減少支護(hù)受力，讓圍巖發(fā)揮更大承載能力的過程，所以，軟巖隧道支護(hù)的主體結(jié)構(gòu)必須是可縮性交護(hù)，如錨噴網(wǎng)支護(hù)和u型鋼可縮性支架等。

　　(4)二次支護(hù)原則

　　理論和實(shí)踐都已證明，軟巖隧道采用一次強(qiáng)阻力剛性支護(hù)來維護(hù)圍巖是不能成功的，因?yàn)樗�不適應(yīng)軟巖隧道初期變形量大、變形速度快的特點(diǎn)。為適應(yīng)軟巖的變形持征，應(yīng)采取二次支護(hù)成隧的方法。一次支護(hù)主要是加固圍巖，提高其殘余強(qiáng)度，在不產(chǎn)生過度膨脹、剪脹變形的條件下，利用可縮性支護(hù)控制圍巖變形卸壓。二次支護(hù)要在圍巖變形穩(wěn)定后適時(shí)完成，給隧道圍巖提供最終支護(hù)強(qiáng)度和剛度，以保持隧道校長時(shí)間的穩(wěn)定性和安全儲備。二次支護(hù)時(shí)機(jī)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)確定。

　　5結(jié)論

　　由于軟巖特殊性，在進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)需要對巖石的性質(zhì)做出準(zhǔn)確的判斷，根據(jù)特點(diǎn)采取合理的支護(hù)形式，而且軟巖隧道支護(hù)并不是單一的支護(hù)可以奏效的，也不是一次支護(hù)最終可以實(shí)現(xiàn)的，必須采用聯(lián)合支護(hù)的方式。同時(shí)要做好監(jiān)控測量工作，軟巖具有明顯的時(shí)間效應(yīng)，變形持續(xù)時(shí)間長，堅(jiān)持現(xiàn)場長期監(jiān)控量測，提供圍巖變形動態(tài)信息，及時(shí)修改和完善原設(shè)計(jì)或采取相應(yīng)的加固措施具有重要意義。

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