隧道软弱围岩变形机制与控制技术研究

2015-04-07李登新

四川水泥 2015年10期

关键词：掌子面滑动岩体

李登新

（重庆两江新区公共租赁房投资管理有限公司）

隧道软弱围岩变形机制与控制技术研究

李登新

（重庆两江新区公共租赁房投资管理有限公司）

在隧道建设中，软弱围岩隧道设计与施工是困扰广大隧道建设者的重大难题，由于软弱围岩变形大，一旦设计施工不当就会导致隧道发生坍塌事故，严重影响隧道的安全通车。有效解决上述问题的关键在于分析和研究隧道软弱围岩的变形机制和发展规律，从而采取针对性控制技术。鉴于此，本文将对隧道软弱围岩的变形机制进行深入系统的研究，进而提出可行性控制策略。

隧道；软弱围岩；变形机制；控制技术

近年来，我国铁路隧道建设发展迅速，已建成隧道长度和在建隧道长度均领先于其他国家，成为名副其实的隧道大国。虽然我国在铁路隧道建设规模和数量上占有绝对优势，但是在隧道施工技术和安全质量控制上与发达国家相比仍然存在较大差距。

一、隧道软弱围岩变形机制与变形规律研究

（一）隧道软弱围岩变形机制

围岩变形指隧道周边的岩体发生的变形，围岩变形的复杂性取决于地质体的复杂性，具体表现在以下几个方面：（1）组成岩体的矿物成分异常复杂，既包括坚硬的石英、金刚石，也包括软弱的石膏、滑石等。（2）岩体结构具有不连续性，常常出现层理、断层、不整合等地质构造。（3）岩体的密度分布往往是不均匀的，多以土石混合和软硬互层为主[1]。（4）隧道围岩具有不稳定性，极易受到周边环境的影响而产生软化、膨胀或其他变化。上述围岩的复杂性必然会导致围岩变形机制的复杂性。围岩变形机制可以分为材料变形和结构变形，材料变形又包括弹性变形、塑性变形、黏性变形三种，而结构变形又包括闭合变形、滑动变形、滚动变形、弯曲变形等几种。下面本文将详细介绍隧道软弱围岩材料变形、结构变形及相应的本构关系。

弹性变形是软弱围岩变形中最常见的一种变形表现，指材料受到外力作用而产生的变形，其最大特点为撤除外力作用后可立即恢复[2]。从微观角度分析，软弱围岩的弹性变形主要表现为内部微观粒子在外力作用下发生的转动和分离，从宏观角度分析，上述微观粒子的改变会导致围岩形态和体积的改变。塑性变形指材料受到外力作用后产生的变形，塑性变形在撤除外力后不能恢复到之前的状态。塑性变形的本构关系改变可以分为弹性阶段和塑性阶段两个过程，当材料变形进展到塑性变形之后，其结构变形不仅受到外力作用状态的影响，还受到变形历史的影响。黏性变形指材料在受到外力作用的瞬间没有发生改变，但随着时间的推移而逐渐增大的变形表现，因此，黏性变形的应变速率与时间呈正比，在隧道工程建设中，软弱围岩的变形和失稳都表现为明显的时间效应，这是因为软弱围岩与其他围岩类型相比具有流变性，在外力条件不变的情况下，岩石会随着时间的推移发生蠕变，大量的工程测试表明，含有较多泥质填充物的软弱围岩其流变性更加显著。黏性变形的本构关系可以表述为：。其中，η指黏滞系数，t指变形时间[3]。

在结构变形方式中，本文将以滑动变形为例分析其变形机制。软弱围岩滑动变形指岩体结构面沿着连续、层理等不连续界面发生滑动而引起的临空面变形。滑动变形是块状软弱围岩的主要变形形式，这是因为隧道周围的块状围岩会向着临空面逐渐移动。岩体的滑动需要有充足的滑动空间，而滑动空间又与周围岩体的限制有关，因此，滑动变形收到；临空面岩体大小的影响。软弱围岩滑动变形的本构关系可以表述为：。其中，ηk为黏滞系数，uS为滑动变形量，t为变形时间，σS-σT可由接触面的抗滑应力变形公式计算得出[4]。

（二）隧道软弱围岩变形规律

隧道软弱围岩的变形规律取决于围岩应力调整的结果和外在表现，而围岩应力调整则是一个三维动态过程，因此，隧道软弱围岩的变形随时间和空间发生变化，根据工程监测数据和数值模拟分析可知，软弱围岩变形可分为掌子面的超前变形、挤出变形、后方变形三种，这三部分变形往往同时发生，因此，围岩支护的目的就是抑制掌子面的这三种变形，从而避免发生围岩松弛情况。

二、隧道软弱围岩变形控制技术研究

隧道安全施工的前提是保证围岩的稳定，针对软弱围岩隧道施工，可以用围岩的变量衡量隧道围岩的稳定性，那么软弱围岩的变形控制也就是确保围岩的稳定性。

（一）隧道软弱围岩变形控制原则

软弱围岩隧道变形控制的整体原则为将围岩变形控制在容许范围内，也就是满足：u≤uS，其中，u为隧道施工后围岩的总变形量，uS为围岩容许变形量，也就是变形控制标准。隧道围岩的总变形量与掌子面超前变形、挤出变形、后方变形有关，因此，围岩总变形量可以表述为：u=uf+ui+um，其中，uf、ui、um分别代表掌子面超前变形量、挤出变形量、后方变形量[5-6]。只有掌子面超前变形量、挤出变形量、后方变形量总和不大于围岩容许变形量才能确保软弱围岩隧道施工的安全性。隧道开挖过程中，所遇到的围岩类型不同，自稳性较强的软弱围岩可以在隧道施工初期提供充足的支护时间，另一类稳定性较差的软弱围岩，由于其自身的稳定时间较短，没有多余的时间设置初期支护，那么就要严格限制围岩的变形，确保围岩变形在容许的范围内。

（二）隧道软弱围岩变形控制方法

了解了隧道软弱围岩的变形控制原则，下面本文将详细介绍围岩变形的控制方法。围岩变形部位不同，所采取的控制方法也有所不同。掌子面的超前变形控制方法主要为超前支护，按照构造类型不同，可以将超前支护分为梁构造和拱形构造两类，梁构造采用钢管和高压喷射工艺改良围岩，大口径钢管主要有压入式短钢管、钢管刚背板、短超前支护等，大口径钢管主要指管棚。软弱围岩的挤出变形控制方法有留核心土、喷射混凝土、围岩注浆加固、改变掌子面形状等，其中，改变掌子面形状是应用范围最广的一种变形控制方法，英国在许多铁路和公路隧道中都采用了这种施工工艺，在倾斜的掌子面上进行开挖施工，取得了预期的效果。这种方法不仅可以减少现场人员的施工风险，而且还可以减少地表的下沉，提高混凝土耐久度。掌子面后方变形可以采取两种方法加以控制，一是调整隧道开挖所释放的荷载，二是提高初期支护的承载能力。这两种方法均可以有效控制后方变形，只是从开挖和支护两个不同的角度进行变形控制。