软岩大变形隧道施工技术研究

2024-04-20韩亚兵

工程建设与设计 2024年7期

韩亚兵

（云南云岭桥隧科技有限公司，昆明 650000）

1 引言

随着经济的发展，交通网络持续完善，公路工程建设规模日益增加。同时，我国是一个多山国家，越来越多的公路开始向山区延伸。山区地势起伏大、地质条件复杂，隧道建设难度大。当隧道穿越高地应力、软弱围岩体等路段时，可能出现大变形，造成施工困难、支护成本增加等问题，严重的会导致施工事故，危及施工人员的生命安全[1]。因此，进一步研究软岩大变形隧道变形机制和施工技术意义重大。

2 软岩隧道变形机制和分类

2.1 软岩变形机制

隧道的开挖和支护措施受围岩状态影响较大，对围岩分级十分必要。软岩一般是指承载力低、变形量大、具有明显崩解性和流变性的岩体，从围岩级别上看，软岩大多属于Ⅴ级或Ⅵ级围岩。根据GB/T 50218—2014《工程岩体分级标准》，隧道围岩的软硬程度取决于岩石单轴饱和抗压强度Rc。当Rc＜15 MPa，隧道围岩属于软岩[2]。

软岩变形机理复杂，故将软岩变形机制划分为3 大类：Ⅰ型（物化膨胀型）、Ⅱ型（应力扩容型）、Ⅲ型（结构变形型），每种变形机制的具体分类见表1。

表1 软岩隧道变形机制

2.2 软岩大变形分级

软岩隧道大变形可按“强度应力比”划分为轻微（0.25～0.5）、中等（0.15～0.25）、严重（＜0.5）3 个等级。软岩不同等级大变形的具体特点如下[3]：（1）轻微大变形。围岩变形速率较小，掌子面围岩被“挤出”，出现初支混凝土开裂、钢拱架变形等现象。（2）中等大变形。围岩变形速率较大，初支混凝土开裂、脱落、掉块等，钢架变形严重情况。（3）严重大变性。围岩变形速率大，持续时间长，隧洞结构整体变形严重，支护措施不合理容易出现塌方事故。

3 软岩大变形隧道开挖方法选择

3.1 工程概况

扎务隧道地处澜沧县境内，西盟县城北部山麓斜坡地带，进口处位于扎务村北侧2 km 处，出口处位于永不落村北侧4 km 处。隧道右线起讫桩号为K451+310～K457+190、长度为5889 m；隧道左线起讫桩号为K451+265～K457+154、长度为5 880 m。洞身最大埋深688 m，隧道轴向238°，轴线地面标高1 359～2 088 m，设计路面标高1 360～1 460 m。

3.1.1 外界环境

根据地质勘察资料，隧址区分布地层主要为侏罗系泥岩、泥质砂岩。据所取样品的抗压强度试验结果，围岩天然抗压强度为5.5～32 MPa，为软岩-较硬岩，隧道处高地应力区，具备大变形发生的条件。不同地层的物理力学参数见表2。

表2 隧道围岩计算参数

隧道所在区域属亚热带气候类型：降水量丰富，年均降水量2 758.3 mm，最高年（1991 年）达3 426.7 mm，且以短时强降雨为主。连续降雨天气下施工隧道，容易出现塌方病害。

3.1.2 支护参数

隧道采用复合式衬砌进行支护，其中，初期支护为C25 喷射混凝土+钢拱架+锚杆，二次衬砌为C30 或C35 喷射混凝土。此外，初期支护与二次衬砌直接设置防水板。

3.2 常用开挖方法对比

3.2.1 CRD 法

CRD 法是借助中隔墙和临时仰拱将软岩隧道的断面划分成多个区块，以减小隧道结构所承受的围岩压力，隧道开挖的稳定性。以图1 为例，CRD 法开挖软岩隧道的施工顺序有两种：①→②→③→④或①→③→②→④。在实际施工时，工程师应结合隧道围岩的性能选择相应的开挖顺序[4]。

图1 CRD法开挖隧道示意

3.2.2 双侧壁法

双侧壁法的施工工序复杂、施工空间小，大型机械不易进场，且需要设置大量的临时支持，但其最大的优点是对隧道地表沉降的控制效果好，适用于大跨径浅埋隧道。双侧壁法的具体施工流程如下：首先，开挖隧道两侧导坑，及时施作初期支护及临时支护；随后，分部开挖、支护中部土体；最后，拆除隧道临时支护。需要注意的是，临时支护拆除时，拱顶下沉量宜≤0.3 mm/d，净空变形量宜≤0.5 mm/d。

3.2.3 留核心土法

留核心土法是先从隧道拱部弧形开挖、支护。随后，开挖中间台阶，当左、右侧导洞开挖一定距离后，再开挖中间核心土；最后，再开挖隧道断面下台阶，完成一个开挖循环。结合临近项目建设经验，该软岩隧道的每循环进尺宜控制在0.5～1.0 m，且预留核心土面积≥隧道断面面积的50%，隧道断面开挖结束后，及时施工初支、二衬。

3.3 开挖效果评价

3.3.1 计算模型建立

利用MIDAS/GTS 软件建立K452+300 断面处的软岩隧道断面模型，计算了其在不同开挖方法下软岩浅埋隧道的变形。综合考虑模型边界效应和计算效率，将隧道模型尺寸取50 m×20 m×50 m（长×宽×高）。同时，利用六面体单元模拟隧道围岩。隧道结构周边的网格适当加密，距离隧道中心轴线较远的位置网格尺寸可取大值，最终共划分2 016 个单元，2 368 个节点，见图2[5]。

图2 软岩隧道有限元模型

3.3.2 计算结果

利用MIDAS/GTS 软件模拟了CRD 法、双侧壁法、留核心土法开挖后软岩隧道的最大拱顶沉降，计算结果表明：CRD法开挖隧道后，拱顶变形最小，仅0.9 mm；留核心土法开挖隧道后，拱顶变形最大，仅2.8 mm。双侧壁法的开挖效果介于两者之间。从拱顶变形控制效果来看，建议使用CRD 法开挖软岩隧道。

4 软岩大变形隧道施工质量控制要点

4.1 大变形处理

扎务隧道埋深大，最大埋深为690 m，易于形成高地应力现象，可能导致岩爆及软岩大变形等相关施工地质灾害问题。隧道大变形预测采用工程地质综合分析法，重点从地应力条件、岩石强度、地质构造、地下水发育特征、围岩级别以及岩石膨胀性等方面开展分析。经判断：K453+655～K453+785（130 m）、K454+220～K454+320（100 m）、K454+645～K455+435（790 m）存在轻微大变形，需制订处理方案。

轻微大变形路段的隧道在施工时应坚持“先预报，预加固、短进尺、弱爆破、强支护、早封闭”的原则。初期支护宜采用带止浆塞的钻、锚、注一体化的自进式注浆锚杆，钢架采用可缩式U 形钢架支撑，二次衬砌应设置足够强度的仰拱，并尽早封闭成环。对规模较大、暂时难以治理的隧道路段，应设立警示牌、围栏等安全设施。

4.2 加强监控量测

软岩隧道变形机制复杂，在施工过程中应加强监控量测，掌握软弱围岩的变形规律，以便于动态调整支护参数。根据JTG/T 3660—2020《公路隧道施工技术规范》，软岩隧道的监控量测内容包括必测项目和选测项目，如表3 所示。

表3 隧道监控量测内容

检测人员在上报软岩隧道监控量测数据之前，要利用“回归分析法”拟合围岩变形与监测时间的关系，绘制沉降-时间曲线。如果发现变形数据不断增大，且沉降-时间曲线没有收敛趋势，应立即停工，查明原因后才能复工。

4.3 管理措施

软岩隧道施工时不仅要采取经济合理的技术方案，还要加强施工管理，比如[6]：（1）加强培训。施工单位定期组织职业培训，提高施工人员的技术水平和增强其责任意识，掌握先进的软岩隧道施工理念和方法。（2）建立完善的施工方案审核制度。技术人员编制好软岩隧道施工方案后，提交给部分负责人复核，并形成复核意见。技术人员修改后，再提交给总工程师审核。（3）建立考核制度。施工单位应建议严格的奖惩制度，约束施工人员的施工。