不良地质段隧道支护衬砌优化方法探讨

(四川公路桥梁建设集团有限公司勘察设计分公司 四川 成都 610041)

绪论

我国的公路隧道基本采取新奥法作为设计和施工的方法，支护的施做步骤为先施加初支等变形稳定后再施加二衬。

新奥法原理是充分利用围岩的自我承载力的特点，并且使用锚杆与初支共同作为隧道衬砌的柔性支护，采取现场监控量测的手段并使用测量得到的结果来控制围岩的变形，从而达到支护体系与围岩共同承受荷载的结构体系。

但是对于不良地质段新奥法实施比较困难，例如当隧道处于岩溶段时，不仅会改变隧道围岩的工程地质条件和水文条件，导致强度等级降低，同时，还会由于存在溶洞对隧道内的围岩力学性质、物理性质产生影响，进而引起隧道地层刚度与初始应力场的变化，容易导致应力集中，最后因隧道底部溶洞的存在，使得隧道底部填充厚度大、酥松或地下河流给隧道基底处理难得的增加，隧道拱顶裂隙和地面漏斗、落水洞相连接,贯通坍塌可上延至地面[1-4]。

因此研究不良地质段隧道支护衬砌优化方法具有重要意义。

一、不良地质隧道研究设计施工现状

本次研究不良地质主要分为隧道岩溶及岩溶水，以及石膏岩与膨胀性岩层。

(一)隧道岩溶及岩溶水

针对岩溶及岩溶水，由于岩溶及岩溶水发育的不规则并无规律性，国内隧道建设中也碰到大量的岩溶及岩溶水不良地质问题，也积累了一些工程经验，但岩溶及岩溶水是目前国内公路、铁路及市政道路隧道建设中最为棘手的难题[5]。

国内公路隧道建设者的主要应对方案是前期利用工程地质勘查手段力求初步查明岩溶及岩溶水的赋存条件，研究其发育宏观规律，初步预测岩溶及岩溶水发育区的空间位置，提供隧道建设期间需要重点关注的隧道段落；隧道初步设计及施工图设计阶段，在充分研究隧道岩溶及岩溶水的工程地质和水文地质情况的基础上，提出针对岩溶及岩溶水不良地质的处治预案。一般根据开挖中揭露的岩溶的空间位置、岩溶的围岩情况和地下水出露情况和隧道与地下暗河的空间交叉形态，采取注浆或回填封堵，回填加强隧道结构跨越和柱式基础加强结构跨越等方法；针对岩溶水，根据开挖中揭露的岩溶水的水头、出水量等具体水文地质情况，结合隧道穿越隧址区环境保护要求、采取泄水洞、加强水沟排放、局部注浆堵水与全断面注浆堵水等工程措施，隧道施工在加强超前地质预报，采取长期TSP预报、中期地质雷达预报、结合红外线、瞬变电磁法等综合物探方法，初步查明隧道开挖掌子面上下左线及前方的水文地质情况，再采取超前钻探方法进行进一步验证，测试岩溶水的水压、水质等参数。

在查明隧道岩溶水的具体赋存情况后，采用数值模拟与理论分析手段对其进行详细的工程分析，研究隧道及围岩在工程建设中的稳定性，进而采用工程类比及结构分析方法，得到该不良地质条件下隧道的支护衬砌方案及工程措施，制定该条件下隧道的综合施工方法[6]。

(二)石膏岩及膨胀性岩层

对于石膏岩地层段和膨胀性岩层段的隧道建设技术，国际上对此可借鉴的资料相对较少，其主要研究的方向为膏岩的生存和存在的概率。

近期主要的研究方向转移到了石膏对混凝土的腐蚀特性上，主要考虑到石膏对衬砌的危害机理、对隧道施工和运营产生的影响。通过对近期对处于不良地质带，石膏段围岩的隧道的建设和实际施工进行研究，展开对处于石膏段的隧道的施工技术、石膏段支护衬砌的腐蚀机理和混凝土配合比设计。

但由于施工方法、石膏岩工程地质和建设标准的差异，其支护衬砌方案及参数差异较大，其一般根据主要工程地质条件，采用数值模拟与理论分析方法对隧道围岩稳定性进行研究，进而采用工程类比，拟定该不良地质条件下隧道的支护、衬砌方案及相关工程措施，制定该条件下隧道的综合施工方法。

为应对石膏岩地层隧道建设开挖后产生较大的变形，一般采取增加初支预留变形量的方法，其具体措施为：在二次衬砌与初期支护间增设可吸收变形的轻质混凝土或其他材质的材料，保障隧道结构不产生较大的变形破坏。

二、支护衬砌结构参数优化方法及内容

本次依托工程隧道不良地质洞段支护衬砌设计参数优化重点针对隧道岩溶及突涌水段和石膏岩地层段，主要根据围岩实际地质条件，提出不良地质洞段的预设计支护参数，工程类比涵盖全国多条公路隧道类似工程地质条件建设实际，支护衬砌设计参数优化研究根据《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)，按照新奥法设计施工原理，主要针对岩溶及突涌水段和石膏岩地层隧道段的超前支护、初期支护与二次衬砌，主要内容包括：

(一)超前支护：对于不良地质隧道段，适当的超前支护措施可以维持开挖掌子面的稳定，为后续工序提供安全作业条件，进一步保障隧道初期支护施工安全。超前支护设计一般包含超前支护的类型、单管长度、环向布置间距及排距等。

(二)初期支护：根据新奥法设计施工原理，不良地质隧道段初支一般是由喷射混凝土、锚杆、钢筋网与钢拱架措施四个部分组成，喷射混凝土设计一般包含厚度及强度等级，锚杆设计一般包含锚杆类型、单杆长度及纵环向布置间距；钢筋网设计一般包含钢筋类型及纵环向布置间距，钢架设计一般包含钢架类型和钢架纵向布置间距。

(三)二次衬砌混凝土：同上根据新奥法设计施工原理，隧道一般采用复合式衬砌，在初支的基础上在增加二衬作为隧道的承载结构，其设计一般包含二衬的类型、厚度、强度等级等。

(四)预留变形量：按照新奥法原理设计施工的隧道，在复合式衬砌的结构设计外，为最大程度的挖掘围岩的自我承载能力，设计时往往给围岩与初支保留一部分变形位置。其设计包含根据围岩的岩性、产状、地下水、节理裂隙等条件确定其大小。

(五)其它：除以上不良地质洞段隧道的结构优化外，施工中的超前地质预报、监控量测和施工方案等也是非常最要的环节，其设计包含超前地质预报手段和方法、监控量测测点的布置与测试、施工方案等。

三、结论

结合国内外地区不良地质段隧道支护衬砌结构设计施工现状，对依托工程隧道的典型不良地质情况，提出了穿越不良地质段隧道支护衬砌结构参数优化方法探讨思路，为后续不良地质段隧道支护衬砌研究提供支撑。