深埋隧道围岩破坏特征及支护措施探讨

张 宁 马连强

(铁道第三勘察设计院集团公司，天津 300142)

在岩石地下工程中，围岩的破坏可能是由于变形过大引起，也可能是由于岩石(体)的强度或稳定性条件不能满足而导致破坏。围岩变形破坏的形式和特点，除了与岩体内的初始应力状态和洞型有关外，还取决于围岩的岩性和结构。由于围岩内应力分布的不均匀性以及岩体结构、强度的不均匀性及各向异性，应力集中程度高，而结构强度又相对较低的部位往往是累进性破坏的突破口，在大范围围岩尚保持整体稳定性的情况下，这些最薄弱部位有可能发生局部破坏，并使应力向其他部位转移，引起另一些次薄弱部位的破坏。岩体的非均质性以及施工的影响引起的应力分布和传递很复杂，使得破坏模式多样、破坏程度不一。要想在保证施工质量的前提下做到安全、平稳、快速，就要求根据围岩不同的变形破坏特征，设计恰当的支护形式。

1 工程概况

本工程为长、大、深埋引水隧洞，开挖洞径为13～13.2 m，衬砌后洞径为12 m。施工隧洞上覆岩体一般埋深1 350～2 050 m，埋深最大约为2 500 m，具有洞径大、洞线长、埋深大的特点。本工程所穿越的地层均为三叠系地层，主要为 T2y(盐塘组)、T2b(白山组)中厚—厚层状大理岩，局部夹薄层砂岩、云母片岩等。

工程区的主要地质特征:(1)地层以硬质岩为主，岩石饱和单轴抗压强度范围值为60～130 MPa;(2)主要的岩体结构包括层状结构、块状结构，同时存在整体、镶嵌碎裂结构和碎裂结构等;(3)尽管随着埋深增加，最大主应力增大，但最大主应力与埋深不呈线性关系，其实测值为65 MPa。

高地应力、硬脆性岩体是本工程的显著特点，两者的结合容易引发一系列的工程地质问题。

2 变形破坏特征

目前，各种类型的地下工程数目和种类繁多，地质条件和施工方法各异，因而由地质条件和施工方法所决定的围岩破坏模式也不尽相同。围岩的破坏方式和机制本质上和岩石类同，但更具有综合性，有时不是单一的破坏过程，而是相互渗透。围岩的破坏方式有脆性和延性破坏两种，其破坏机制与围岩的特征密切相关，如层状围岩可沿着层面发生剪切破裂后，又发生穿越层面的剪断破裂;有的是在垂直层面上张破裂后再沿层面的剪切破裂。

通过跟踪调查，工程区围岩的破坏主要是脆性破坏，其变形破坏的主要模式有一般性坍塌(重力坍塌，脱落、掉块)、构造应力型坍塌、应力型坍塌和岩爆。不同的破坏模式其破坏机理有所差异，也有密切联系。

2.1 一般性坍塌(重力坍塌)

一般性坍塌主要发生在围岩结构面发育的洞段，主要表现为洞室开挖后两条及其以上结构面与开挖面组合形成不稳定块体，在自重应力作用下发生脱落，又称重力坍塌，这种破坏类型通常发生在拱顶或者边拱位置(如图1、图2所示)。

图1 破坏机制

2.2 构造应力型坍塌

构造应力型坍塌主要由于高应力区的岩体屈服破坏和能量释放。这种破坏主要有两种方式，一是岩体的一般性破坏，二是沿其中某一结构面的剪切破坏(构造应力型破坏)。构造应力型破坏更容易形成很大的应力降即更大的能量释放，因此也具备更大的破坏力。诱发构造应力型破坏的断裂往往规模不大，基本上都是刚性接触现象。常见的断裂包括单条剪性断裂或多条节理组合成的剪切带(如图3、图4所示)。

图2 重力坍塌照片

图3 破坏机制

图4 构造应力型坍塌照片

2.3 应力型坍塌、岩爆

作为工程区破坏性较大大的破坏模式，均发生在岩体完整性好、结构面或者层面揭露较少的部位，中厚层—厚层的岩石中，发生破坏前的变形时间更短一些。岩爆是弹性能的突然释放，伴有一定的声响，引起的爆裂松脱、剥离、弹射等破坏现象。应力型坍塌变形和破坏发生在工作面一定距离以后，存在滞后性破坏(如图5所示)。

3 支护措施建议

根据围岩的变形破坏模式、危害程度，工程区围岩的支护措施应分为常规围岩段和应力破坏、岩爆段进行支护。常规段的支护主要包括喷射混凝土、钢筋网片、系统锚杆;而在应力破坏、岩爆段则应加强支护。

3.1 非岩爆和应力型破坏段

图5 破坏机制

非岩爆、应力型破坏段隧洞的支护，按照设计规范遵循围岩作为主要承载的设计思想，充分考虑发挥围岩的承载能力，采用混凝土喷层、锚杆支护和二次高压固结灌浆加固围岩等措施，使围岩和喷锚支护成为联合承载结构。

对本工程来说，需要采取喷锚支护和高压固结灌浆等工程措施，才能使围岩长期维持稳定，而较高的地应力和外水压力主要依靠围岩加固承载圈来承担。可对隧洞进行衬砌支护及二次高压固结灌浆处理，进一步提高围岩加固圈抗渗承载能力和耐久性，保证围岩作为主要承载结构的能力。

3.2 岩爆和应力型破坏段

充分结合本工程的特点，岩爆、高强度的应力型破坏是否发生受到两方面因素的控制:第一，开挖轮廓线附近的地应力分布格局和应力量级;第二，开挖过程对围岩的扰动。因此，针对这两种典型的围岩破坏，要特别注意降低围岩应力和降低开挖扰动。对于完善施工方法和改善围岩应力条件提出以下几点建议。

(1)工作面岩爆及应力型垮塌的处理

工作面系统锚杆支护，主要用于岩爆段在工作面采用膨胀锚杆控制工作面的岩爆和应力型垮塌。具体操作为:工作面发生该种破坏时，向掘进方向打超前锚杆，对工作面进行加固，锚杆长度一般为两倍的爆破进尺深度。在一个循环的爆破之后仍有部分锚杆存留在岩体中，对工作面起加固作用。

在工作面施加膨胀锚杆具有稳定围岩的作用，并且可以防止巨大应力引起的破坏。而工作面岩体中的应力被较多数量的锚杆孔部分地解除了。

(2)特殊施工材料应对处理

常见的加固围岩手段包括喷、锚、格栅钢架等。尽管同样是用到喷锚支护，但与常规围岩破坏支护相比，这些围岩破坏段采用高强度纳米纤维混凝土，并适当增加了混凝土喷层厚度;而锚杆的选择除了增加锚杆的长度，扩大锚杆范围外，还应安装预应力锚杆、胀壳式锚杆、水胀式锚杆。除此之外，根据相邻隧道的破坏形式和规模，在围岩相似的地质段，第一时间内安装型钢和拱架，并在拱架之间进行钢丝网的柔性支护，确保强支护的同时，使围岩应力的缓慢释放，以最终达到围岩稳定的目的。

(3)围岩应力的解除与降低

对于危害性较大的应力释放破坏，主要在施工中和施工后进行合理有效的控制。施工中，参照国内外相似工程的经验，采用钻爆法施工时应短进尺掘进，减少药量和爆破频率，控制光爆效果，以减少围岩表面层应力集中现象，尽可能一次成形，以减少围岩应力平衡状态破坏。施工后，主要措施是立即向工作面、暴露的围岩面进行高压喷水或利用炮眼及锚杆孔向岩体深部注水，目的是降低围岩强度，增强其塑性，减弱其脆性，最终降低岩爆、应力型破坏的程度。

4 结束语

综上所述，围岩支护的难点在于围岩破坏模式的不确定性，施工中容易形成支护不及时、支护强度不足或者超强支护等特点。在一般的洞段按照规范采用成熟的支护方式即可，而在岩爆、应力破坏段支护形式不可冒进，要采取合理有效的措施，不能图一时之快而造成围岩大规模破坏。

在后续施工过程中按照上述较为灵活的支护形式进行施工，可使现场围岩的破坏程度大大降低。根据大量变形监测的数据分析，围岩变形量较小，说明上述的支护形式和应力调整手段一定程度上阻止了围岩的破坏，支护措施效果良好。在后续的施工过程中，还应继续收集、分析围岩的破坏动态，对现有的支护措施补充完善，使围岩危害降到最低，以达到施工的安全、经济、快速的目的。

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