隧道软弱围岩段大变形分析及处理措施研究

崔胜海

(广西桂通工程咨询有限公司，广西 南宁 530028)

0 引言

对于公路隧道施工的监理，要尤其注重对于软弱围岩段大变形的勘察和指导，这是道路隧道施工的重点工程，同时也是难点工程。软弱围岩段大变形具有变形量较大、持续作用时间长、变形不均匀等特点，所以对其监理必须结合当地地质环境、构造影响、监控量测等方面具体问题具体分析。如隧道开挖后，开挖周边就会产生临空面，在空气和水的长期作用下，密度将会逐渐下降，造成岩体的软化，甚至崩解，导致围岩压力增大。在构造方面，由于一些层理面的镜面较为光滑，擦痕也较为明显，减小了层理间的结合，线路一侧的岩层必将发生倾斜，导致该侧的压力增大，其边墙必将发生很大的变形，甚至可能对二衬空间进行侵入。在监控信息方面，由于信息反馈不够有效和及时，导致体系变形逐渐增大，加上施工中工序间隔时间长，距离也较长，导致初期的支护不能形成封闭环路，支护剧烈变大变形。此时就需要及时掌握支护应力和围岩应力的释放规律，科学确定结构安全度，为制定科学合理的工艺提供数据支撑和施工方案。

1 隧道软弱围岩段大变形问题分析

隧道软弱围岩段大变形的形成机理较为复杂，涉及到的影响因素也较多，监理过程中要注重从以下几个方面进行机理分析。

1.1 围岩的种类和性质的影响

我国公路隧道区岩性千差万别，造成隧道软弱围岩段大变形的围岩有很多种，包括灰绿色千枚岩、灰色千枚岩、泥质灰岩等。这些围岩主要由千枚岩构成，其单轴的结构特征导致了不能具备较好的抗压强度，物理特性也各异，而且还都有遇水易软化、易被风化等特点，强度也随着风化而急剧降低。

1.2 当地地质环境条件的影响

主要是一些不利于工程施工的地质环境条件，比如断层、背斜向斜褶皱、软弱带等等，这些都极有可能使该地区成为褶皱变形区。因为强烈的挤压和揉皱，也极易造成裂隙等情况，随着变形区的进一步发育，极有可能对围岩构造造成严重影响。此外，层间结合、完整性、裂隙发育等问题均会造成围岩构造的变形。

1.3 深埋深度以及高地应力的影响

通过监理地应力测试发现，在一些隧道深埋地段，深埋岩段的地应力会随着深度的增加而增大，实践中当隧道深度超过一定限度时，就会造成岩段的大变形。部分地区数据分析显示，如果隧道深埋的深度>800 m时，就有可能发生轻度的变形；当这一深度达到1 000 m时，就有可能发生中度的变形；当这一深度达到1 400 m时，就有可能发生严重的变形。当然这一数据针对不同的岩种，产生的变形也会不同，围岩性状也会导致数据的差别。比如对于一块碎裂的千枚岩，由于抗压强度的影响，可能在800 m时就有可能发生中度，甚至是严重的变形。具体如表1所示。

表1 深埋深度与变形强度位移关系一览表

1.4 自然灾害的影响

在自然灾害中，以地震对公路隧道施工影响为最大。我国汶川大地震以及其后的余震中，震区的隧址区受到严重影响，直接导致千枚岩岩层运动的加剧，加上构造应力较为复杂，使围岩的整体性下降较快，地下水也导致了断裂层以及剪切区域围岩的软化甚至是泥化，不稳定性增强。

2 隧道软弱围岩段施工影响因素分析

2.1 施工开挖方法

隧道开挖后，隧道体应力必将重新分布，应力场也将发生变化，所以对其应力状态的影响明显。开挖方式一般可以区分为爆破和非爆破两种，开挖也可以区分为全断面开挖和分断面开挖两种，应力的影响主要体现为位移场的影响。开挖方式不一样，其区域稳定也表现不同，比如对于同一类型的围岩，全断面要比台阶法开挖变形小。

2.2 支护结构

支护结构对于围岩的变形和应力有着直接影响，也较好地限制了隧道开挖带来的围岩变形，使得收敛变形逐步减小。

2.3 邻近施工

实施初期支护后，围岩的变形一般会趋于稳定，围岩处于相对平衡，但受到后期施工影响，围岩也会表现为小范围的震荡变化。

2.4 施工工序

通常情况下，施工工序为开挖、初期支护、设置仰拱、二次衬砌，施工工序主要以变形曲线为依据，施工开挖的变形量占总变形量的30%，初期支护的变形量占总变形量的40%，设置仰拱产生的变形量占总变形量的20%以上，二次衬砌时围岩变形量已经趋于稳定，仅仅占5%左右，所以围岩进入了相对稳定期。

3 隧道软弱围岩大变形处理措施研究

隧道软弱围岩大变形机理的分析较为复杂，其中有构成较为复杂的因素，也有逐步演化的客观因素，因此对其系统分析首先要认识到这是一个系统工程，必须根据具体变形特点制定针对性的方案，必要的情况下还要制定相关辅助方案。本文结合施工监理实践，提出如下原则性的控制措施供相关施工单位参考。

3.1 控制初始变形量

对于初始变形量的控制一般采取预支护的方式，如可以在公路隧道的不同位置采取不同的超前预支护举措，同时要加强地质情况的预报和研判。一般来说，对于平行导洞全洞的预报可以选择红外和雷达预报两种，也可两种结合使用。对于主洞全洞可以采取红外探水和TSP(多波多分量高分辨率地震反射法)，必要时也可两者结合使用。实践中，也可以采用平行导洞预先开挖揭露围岩基本情况，以实施后续主洞地段工程的准确预测。

3.2 工程开挖要尽量减少对周边围岩的干扰

开挖方式和爆破方式是直接影响围岩稳定性的主要方面，不同的方式对于围岩的扰动程度各异，实践中应具体情况具体分析。常见的开挖方式有上下台阶法、CD法、全断面法、CRD法4种。施工要注重掌子面和仰拱、初期支护、全环衬砌间的距离，要保持信息预报的及时性，根据信息反馈及时调整施工工艺。对于工程爆破来说，要尽量减小爆破对周边围岩的影响和破坏，要根据具体岩层的性状确定爆破的进尺。如实施台阶施工法时，Ⅴ类围岩上半断面要≤1.2 m，Ⅳ类围岩上半断面要≤1.5 m，下半断面要≤2.0～2.4 m。在实施全断面工艺时，Ⅳ类围岩的爆破进度要≤3.5 m，且每次均要实施爆破后的检查和评估，作为是否进行下一次爆破的主要依据。一般来说，如果爆破设计的进尺为2 m时，通常采取斜眼复合楔形掏槽，具体如图1所示。当进尺>2 m时，通常采取直眼掏槽，具体如图2所示。在每次爆破后，均要对孔痕迹率、平整度、爆渣集中度、爆渣块度、残眼长度等数据实施分析，以此来确定围岩的稳定性，这些参数的描述和测量是判断下一次实施爆破的循环进尺、内圈孔间距、周边孔、炸药用量、掏槽孔布置的主要依据。

(A)斜眼楔形掏槽

(B)斜眼复合楔形掏槽

(A)菱形布置 (B)矩形布置 (C)三角形布置

图2直眼掏槽示意图

3.3 加强量测监控，注重施工的动态调整

实施量测监控是实施险情预报和监控围岩变形的主要依据。通过监控可以较好地掌握围岩和支护的工作情况，以便下一步实施支护和结构设计，也能为隧道施工积累相关数据资料，作为今后实施工程监理和施工的依据。一般来说，监测内容包括两类：(1)水平收敛；(2)拱顶下沉。对于Ⅴ级围岩来说，及时封闭仰拱可以使断面早形成闭合环，达到减小变形和提升围岩稳定性的目的。同时还可以根据监测情况来确定二次衬砌的时机，因为此项工艺如果实施过早将会导致承载负荷过大，时机过晚又会造成支护被破坏。同时对于高应力地段，要充分考虑高地应力的影响，由于二次衬砌使得围岩承受部分压力，所以除了初期支护的厚度、刚度和强度外，还要适度加大二次衬砌的厚度和强度。通过监控数据，还能较好地揭示原设计初期支护数据能否满足围岩变形的要求。

3.4 强化治水举措

上文提到围岩在受到水的长期侵蚀后，会出现围岩软化和泥化的问题，导致其工程性能急剧下降，使原有的支护稳定性下降较快，变形量急剧增大，导致初期支护的掉块，严重的甚至造成拱架的变形。所以治水尤其是富水段的治水尤其重要。应根据地下水的富集情况进行预先注浆操作，对于地下水发育地区和不发育地区一般采取不同的工艺举措，前者通常采取水泥单液注浆，后者通常采取水泥、水玻璃双液注浆，同时开挖后对其还要实施地下水的疏导、引排以及主动封堵等举措。对于围岩变形较大、稳定性较差的地域，可以实施提前二次衬砌，加强施工质量的监管，提升支护的效果，在变形完成和衬砌施工后，要根据情况对发育段实施回填注浆。

3.5 实施施工变形大数据分析

虽然本文也给出了一定的数据，但由于其变形规律不易掌握，给分析也带来了一定的困难，实施大数据分析在过去是不可能实现的，但如今随着信息科技的发展，可以根据不同岩种、不同地质环境构设相应的大数据库，并实施具体分析和比对，在此基础上采取针对性的控制举措，尽最大可能控制因围岩大变形而带来的工程事故。

4 结语

综上所述，作为监理单位，在实施监理指导时要高度重视当地岩种、地质环境条件的影响，对于隧道深度给软弱围岩施工造成的大变形要进一步加强研究，本文最后还提出了大数据分析理念，是一个较好的探索方向。同时作为施工方，还要高度重视邻近施工、支护结构和施工工序对围岩的影响，进一步增强施工的科学性。

[1]司贤超.共和隧道特殊围岩段初期支护大变形处理技术[J].隧道建设，2010(1)：400-405.

[2]杨仕彬.隧道软弱围岩段大变形分析及处理措施[J].科协论坛(下半月)，2010(12)：42-43.

[3]谢光明.三联隧道围岩大变形的原因与处理技术[J].城市道桥与防洪，2017(6)：220-222.

[4]吴开健.高地应力条件下软岩隧道的变形分析及控制研究[D].广州：华南理工大学，2016.