隧道软弱围岩大变形的分析与处治

郑寰宇 梁露 黄春龙

摘要：文章阐述了围岩大变形的概念，介绍了围岩的变形机制和变形规律，分析了围岩大变形的成因，并针对软弱围岩掌子面前方变形、掌子面挤出变形和掌子面后方变形情况，总结提出了与之相对应的处治措施，为今后隧道穿越软弱围岩施工提供借鉴。

关键词：软弱围岩;大变形;处治

This article describes the concept of large deformation of surrounding rock，introduces the deformation mechanism and deformation law of surrounding rock，analyzes the causes of large deformation of surrounding rock，and then，regarding the deformation in front of the work face of weak surrounding rock，the extrusion deformation of work face，and the deformation behind the work face，it summarizes and proposes the corresponding treatment measures，thus providing the reference for the construction of tunnel passing through the weak surrounding rock.

Weak surrounding rock;Large deformation;Treatment

0 引言

随着近几年国家经济的发展，交通建设不断向山区延伸，隧道大规模修建，隧道穿越软弱围岩的情况越来越多。由于软弱围岩地质的复杂性及不良性，隧道在软弱围岩施工时，常常会出现因隧道围岩变形量大、变形速率快导致隧道初期支护变形侵限，甚至发生坍塌的情况。一旦发生此类情况，将严重拖延隧道施工工期，且其处治难度大、处理风险高、处理费用高昂。在隧道建设中，如何处治软弱围岩大变形值得我们研究和探讨。本文通过分析围岩的变形机制、变形规律和大变形成因，总结提出了对应软弱围岩隧道掌子面前方、掌子面挤出及掌子面后方等变形的一系列处治措施。

1 大变形定义

围岩变形是指隧道周边岩体变形，大变形是相对正常变形而言的，指超过了围岩的正常变形而致使支护破坏或者侵限的变形。在隧道开挖后，由于受力状态的变化，围岩都会产生一定的变化，在公路隧道设计中，均根据各类围岩和新奥法复合式衬砌结构的特点，制定了相应的初期支护预留变形量以解决隧道施工中围岩的正常变形。但有时隧道围岩的变形量超过了常规的初期支护预留变形量，造成初期支护变形、损坏、侵限，甚至是坍塌，这一类的变形称为大变形。

2 变形机制

隧道围岩变形机制主要由材料变形与结构变形两个方面组成。其中材料变形包括弹性变形、塑性变形、黏性变形等;而结构变形包括结构面的张开或闭合与滑动变形、层状围岩的弯曲变形、块状围岩的滚动变形、土砂围岩的挤密或松弛变形、软弱夹层的挤出变形等。其中，塑性变形、黏性变形及结构变形是软弱围岩的主要变形。

3 变形规律

隧道开挖后，导致围岩应力的调整，而应力的调整引起围岩同时出现了掌子面前方、掌子面挤出和掌子面后方等三种位移。掌子面前方先行位移的位移值及位移范围与围岩条件相关，围岩越差，位移值和位移范围越大。一般条件下，产生位移的范围为1.0～1.5倍隧道跨径，位移值占总位移的20%～30%，软弱围岩甚至能达到50%以上;掌子面在隧道开挖过程中，也会出现掌子面挤出变形;掌子面后方的位移在初始阶段位移速度和位移量值都比较大，一般在距掌子面1～2倍隧道跨度处位移基本收敛，软弱围岩中该收敛距离会更长。

4 大变形成因

隧道施工过程中，软弱围岩产生大变形的原因主要有：围岩的特性、地应力条件、地下水影响、施工和设计因素等几个方面。软弱围岩开挖后，由于其强度低，具有一定膨胀性或不利的构造条件，容易松弛而发生塑性变形，这是大变形的基本条件。隧道开挖后，初始应力状态调整，受高地应力作用，软弱围岩屈服、破坏是大变形的重要原因。地下水的软化、崩解作用使岩石强度、岩体结构强度、结构面间摩擦系数大大降低，加剧了软弱围岩的塑性变形。在设计和施工方面，断面形状受力不合理、爆破扰动、初期支护强度不足、初期支护封闭时间滞后等情况也将会导致出现大变形。

5 大变形处治

隧道软弱围岩大变形的处治关键是控制掌子面前方变形、掌子面挤出变形和掌子面后方变形的发展，通过科学的开挖方法和合理的支护措施均能有效地控制大变形。

（1）掌子面前方的变形控制主要采用超前支护的措施。常用的超前支护有超前锚杆、超前小导管、管棚、水平旋喷注浆等。

（2）掌子面挤出变形控制普遍采用预留核心土、掌子面喷锚支护以及掌子面前方注浆加固围岩等措施。

（3）掌子面后方变形控制主要采用由锚杆、钢筋网、喷射混凝土、钢拱架等组合而成的初期支护和合适的开挖方法做到少扰动、早封闭。在特殊的情况下，还可以使用长锚杆、预应力锚杆（或锚索）、双层初期支护等措施加强初期支护。针对软弱围岩隧道基脚下沉、基底鼓起的情况，可考虑通过加强锁脚锚杆（或锚管）、增设临时横撑或仰拱、扩大拱脚、底部注浆或旋喷桩、树根桩、钢管桩等方法来处理。

6 工程实例

广西贺州至巴马高速公路（都安至巴马段）弄莫隧道右线YK362+515～YK362+531段穿越软弱围岩，设计围岩级别为Ⅴ级，埋深约160 m。原设计支护结构为间距40 cm的42 mm小导管超前支护，由Ⅰ18 mm工字钢（间距75 cm）、 C25喷射混凝土厚度24 cm、8 mm钢筋网间距20×20 cm、长度350 cm的25 mm中空注浆锚杆间距120 cm（环向）×75 cm（纵向）组成的初期支护， 45 cm厚的C30防水混凝土二衬衬砌。在上台阶施工中出现围岩大变形（拱顶下沉和周边位移达到11 cm/d），将已施工完成的上台阶初期支护挤压开裂破坏。大变形出现后，对掌子面进行反压回填，在该段打设37根间距50 cm的108 mm大管棚（每根大管棚长度为18.5 m）进行超前支护，初期支护拱架调整为Ⅰ20 b工字钢（间距50 cm），并采用108 mm钢管深入基岩作为锁脚锚杆，使围岩大变形得到了有效控制，成功穿越了此段软弱围岩。

在修建新关角隧道穿越断裂构造、层状构造等软弱地层时，也发生了围岩大变形的情况。遭遇大变形后，根据变形的严重程度采用了相适应的处治措施。当围岩发生变形，变形值超过一定数值后，先采用了42 mm小导管径向注浆对围岩进行补强加固;当小导管径向注浆后围岩变形仍没有收敛，但初期支护还未开裂破坏或侵限时，在初期支护工字钢拱架拱圈起拱线处加设159 mm熱轧无缝钢管顶住工字钢拱架做横撑加固;当围岩的变形发展至初期支护开裂破坏或侵入二次衬砌结构时，对开裂破坏或侵入二次衬砌结构的初期支护采取逐榀拆除更换处理。为了确保安全，适当地加强重新施工的初期支护，并留有足够的预留变形量以防止初期支护再次变形侵限。在特殊地段甚至还采取了双层初期支护：第一层初期支护刚度较大，设置Ⅰ20 a工字钢拱架（@50 cm），喷射28 cm厚的混凝土;当第一层初期支护变形达到10 cm时，迅速架立Ⅰ16工字钢拱架（@50 cm），喷射20 cm厚的混凝土作为第二层初期支护，第二层初期支护的工字钢拱架设置在第一层初期支护工字钢拱架同一横断面上，以共同抵抗围岩的变形挤压。

7 结语

隧道软弱围岩开挖后，围岩变形量大、变形持续时间长，掌子面前方变形范围大，开挖初期掌子面后方变形速率快。根据新奥法的原理，软弱围岩的变形控制宜采取刚柔结合的控制方式，预留适当的变形量允许围岩发生一定的变形，加强超前支护和初期支护，把围岩变形控制在允许范围内，让超前支护控制围岩荷载的释放，让初期支护承担围岩释放的全部荷载，让二次衬砌作为支护结构的安全储备控制围岩残余变形。为避免软弱围岩隧道大变形的发生，在隧道修建过程中，应特别重视减小围岩塑性变形，及时进行支护以减小围岩应力释放，加强支护结构早期刚度以抵抗围岩塑性变形。

参考文献：

[1]赵 勇.隧道软弱围岩变形机制与控制技术研究[D].北京：北京交通大学，2012.

[2]张旭珍.关角隧道大变形处理技术[J].石家庄铁道大学学报，2001，24（1）：17-20.