軟巖隧道支護的作用機理及對策探討

　　李國旺

　　摘　要：本文根據軟巖隧道的特點，在探討軟巖隧道失穩原因、破壞特征及其形成的力學特征,分析軟巖隧道各種支護方法的作用機理，對軟巖隧道支護重點與對策進行了探討。并對軟巖隧道選擇合理的支護方法提出了見解。

　　關鍵詞：軟巖隧道 支護機理 支護對策

　　1緒論

　　隨著我國經濟的發展，國家投入了大量人力、物力用于基礎設施建設。近年來，在工程建設的眾多技術領域中隧道和隧道技術表現得十分突出。隧道作為一種隧道結構物，以開發利用隧道潛在資源為目的，因而能更好地實現環保、安全、便利、節能和經濟的工程要求。我國工程技術人員在這方面做出了大量的努力和杰出的貢獻，并取得了舉世矚目的成就。截至2006年底，全國公路隧道達3788處、184.18萬延米，其中特長隧道49處、19.18萬延米。其它隧道情況分別為：長隧道444處、72.32萬延米，中隧道577處、40.94萬延米，短隧道2718處、51.75萬延米。

　　在隧道開挖過程中，由于巖體的天然應力平衡狀態遭到破壞，引起隧道周圍巖體的卸荷回彈和應力重分布，當這種回彈應力和重分布應力超過圍巖強度所能承受的范圍時，將造成巖體的失穩破壞，如果不進行支護，圍巖就會發生巖塊錯動、掉快、甚至坍塌，給隧道施工和運營帶來危害。為保證隧道維持需要的凈空和安全，隧道開挖后是需要進行支護的，也就是利用支護來阻止隧道周邊圍巖產生的位移或掉塊。在隧道工程中，維持隧道圍巖以及支護結構的安全與穩定是設計、施工以及維護過程中的基本出發點，如何保證在安全可靠的前提下，以較少的投資建設隧道工程是工程設計、施工及維護過程的重要原則。由于隧道賦存于復雜的地質環境中，且一般的隧道工程往往投資巨大，一旦發生圍巖失穩情況，往往使隧道工程的正常施工、安全使用、采礦或其他作業無法繼續進行，甚至導致嚴重的工程事故，造成可怕的人員傷亡及巨大的經濟損失，軟巖隧道作為一種特殊地質隧道表現得尤為明顯，其變形量大、變形速度快、持續時間長的特點已超出了傳統支護理論的范疇。

　　軟巖隧道的特點，使得軟巖隧道支護問題成為困擾隧道建設的重大問題之一。由于軟巖隧道支護不當而造成的巨大的返修量不僅造成很大的經濟浪費，而且使整個隧道生產陷于困境，甚至關閉。據不完全統計，每年隧道掘進上萬千米，軟巖隧道約占其中的1/10。由于軟巖支護的問題，大約有1/6的軟巖隧道需要返修、維護，所以能否解決好軟巖隧道的支護等問題，是我國隧道掘進和安全生產的關鍵問題之一。因此關于軟巖支護問題的研究得到了廣泛關注，并取得了大量的研究成果。

　　2軟巖隧道變形破壞的主要特點及影響因素

　　2.1軟巖的定義

　　軟巖亦稱松軟巖層，不僅是指圍巖巖體松軟。而且指圍巖不穩定或極不穩定。軟巖是一種特殊的巖類，從巖石固有的特性來說，它具有軟的形態，而從工程應用的觀點來看，它又是“弱”的，它具有較低的承載能力和較大的變形性，在工程力的作用下，具有明顯的塑性變形或粘塑性變形特征。進入軟巖狀態的隧道，其強度特性、泥質含量、結構面特點及其塑性變形力學特點差異很大，其軟巖種類是不同的。根據特性的差異及產生顯著塑性變形的機理，軟巖可分為四大類，即膨脹性軟巖(也稱低強度軟巖)、高應力軟巖、節理化軟巖和復合型軟巖。

　　2.2影響軟巖隧道變形的主要因素

　　(1)巖性因素巖石本身的強度、剛度、結構、膠結程度及膠結物的性能，膨脹性礦物的含量等，這均是影響軟巖隧道變形的內在因素。

　　(2)工程應力的影響它是造成圍巖變形的外部因素。垂直應力、構造殘余應力及工程環境和施工的擾動應力，鄰近隧道施工，采動影響等，特別是多種應力的迭加情況影響更大。

　　(3)水的影響包括隧道水及工程用水，尤其是對膨脹巖，水幾乎是萬惡之源，水不僅造成粘土質巖的膨脹，同時降低巖石強度。

　　(4)時間因素流變是軟巖特性之一，隧道變形和時間密切相關。

　　2.3軟巖隧道變形破壞的主要特點

　　(1)軟巖隧道變形呈現蠕變變形三階段的規律，并具有明顯的時間效應。初期來

　　壓快，變形量大，軟巖隧道自穩能力很差，如不加控制很快就會發生巖塊冒落、隧

　　道破壞。但如果用不適應軟巖大變形特點的剛性架，也將很快被壓壞。

　　(2)軟巖隧道多為環向受壓，且非對稱。隧道開挖后不僅頂板變形易冒落，底板

　　也將產生強烈底朦，如隧道支護對底板不加控制，往往出現強烈底瞰并引發兩幫破

　　壞、頂坍落。

　　(3)軟巖隧道變形隨深度增加而增大。不同隧道，不同地質條件下都存在一

　　個軟化臨界深度，超過臨界深度，支護的難度就明顯增大，且軟巖隧道變形在不同

　　的應力作用下，有明顯的方向性。

　　(4)軟巖的失水和吸水均可造成軟巖發生膨脹變形破壞或泥化破壞。

　　3軟巖隧道支護原理及作用機理

　　3.1軟巖隧道支護原理

　　松軟巖層隧道支護的著眼點應放在充分利用和發揮自承能力上。支護原理是：根據巖

　　層不同屬性，不同地壓來源，從分析地壓活動基本規律人手，運用信息化設計方法，使支

　　護體系和施工工藝過程不斷適用圍巖變形的活動狀態，以達到控制圍巖變形，維護隧道穩

　　定的目的。

　　具體的說，有以下幾個方面：必須改變傳統的單純提高支護剛度的思想，支護結構及強度應與加固圍巖、提高圍自承能力相結合，與圍巖變形及強度相匹配，實踐證明，單純提高支護剛度的方法是難以奏效的;必須采取卸壓、加固與支護相結合的方法，統籌考慮、合理安排，對高地應力區，要卸得充分，對大變形區，要讓得適度，對松散破碎區，要注意整體加固，對隧道圍巖整體要支護住; 進行圍巖變形量測，準確地舉握圍巖變形的話動狀態，根據量測結果進行反饋定二次支護結構的參數，確定補強時間，再次支護時間和封底時間;樹立綜合治理、聯合支護、長期監控的支護思想體系。

　　3.2軟巖隧道支護原理

　　從地質工程觀來看，軟巖由于其強較小，無法自穩，因此必須對其進行改造，以滿足軟巖巷道工程的要求。在軟巖改造的方法措施中，錨噴網架和注漿都需不同程度﹑不同量地用上。為了更好地發揮各部分的潛能，使工程造價經濟合理，必須正確認識到他們的作用機理。

　　軟巖隧道工程支護從支護時間上分為超前支護、臨時支護、永久支護等。軟巖隧道工程支護從支護方法上分：錨桿支護、掛鋼筋網支護、噴射混凝土支護、注漿支護、混凝土襯砌支護等。下面對各支護方法的作用機理進行說明。

　　1.錨桿加固圍巖機理

　　錨桿對圍巖起著加固作用，在防止個別危巖的掉落或滑落而注入的錨桿起著懸吊作用;錨桿用于加固水平或緩傾的層狀圍巖時則起著組合梁作用;錨桿對在節理發育的巖體和松動區則起組合拱作用;錨桿能向圍巖施加壓力，使處于二向應力狀態的巷道圍巖保持三向應力狀態，阻止圍巖強度惡化。

　　2.噴射混凝土作用機理

　　混凝土噴層可改變圍巖表面受力狀態，填平補強圍巖，覆蓋圍巖表面形成防風化和止水的防護層，防止圍巖松動，及間接提高圍巖中的環向力等作用

　　3.注漿作用機理

　　注漿加固能提高了支護結構的整體性、承載能力和穩定性，將松散的巖石膠結成整體，提高了巖體的凝聚力和內摩擦角，同時可以利用漿液封堵圍巖的裂隙，隔絕空氣，起到防止圍巖風化的作用，且能防止圍巖被水浸濕而降低圍巖本身強度。

　　4.鋼筋網作用機理

　　支護中加入鋼筋網可防止收縮裂縫出現，減少裂縫數量和限制裂縫寬度，提高支護的抗動載能力，使噴層應力得到均勻分布，同時能增強噴層的柔性，改變其變形性能，防止圍巖局部破壞。

　　4軟巖隧道支護對策

　　早期的支護理論沿用地面結構工程原理設計支護參數，圍巖是支護的對象，支護只是人工構筑的承載結構而已。然而，現代巖石力學揭示，巖石破裂后具有殘余強度，松動破裂圍巖仍具有相當高的承載能力，圍巖既是支護壓力的根源，又是抵抗平衡原巖應力的承載體，而且是主要的承載結構體。支護的作用在于維護和提高松動圍巖的殘余強度，充分發揮圍巖的承載能力。因而，在軟巖隧道支護中，要遵循以下幾方面原則：

　　1.維護和保持圍巖的殘余強度的原則

　　一般軟巖，在經受水或者風化影響后，強度將降低，所以開隧后應及時噴射混凝土以封閉巖面，防止圍巖風化潮解，減少圍巖強度的損失，施工過程中的光面爆破等技術措施，有利于保持圍巖的強度。

　　2.提高圍巖殘余強度的原則

　　提高圍巖殘余強度有三個技術途徑：

　　(1)提高支護阻力，改善圍巖應力狀態。開挖后應盡快完成支護的主體結構由二維應力狀態轉為三維應力狀態，從而提高圍巖的殘余強度。

　　(2)用錨桿支護加固圍巖。實驗證明，錨桿能利用其錨固力將破碎圍巖錨固起來，恢復和提高破裂圍巖的殘余強度，形成具有較高承載能力和可塑性的錨固層。錨桿錨固力大、密度高，這種加固作用就越明顯。

　　(3)注漿加固。破碎嚴重的巖體，單純依靠錨桿加固不能滿足要求時，應考慮注漿加固，這是提高松動破碎圍巖強度最有效的方法。注漿方式可以采用單獨注漿或者采用外錨內注的“錨注式”錨桿。

　　3.充分發揮圍巖的承裁能力的原則

　　充分發揮圍巖的承裁能力，主要體現在以下幾個方面

　　(1)圓形隧道原則。軟巖隧道中，圓形隧道支護結構的承裁能力最大(均勻應力場)，采用圓形斷面有利于提高圍巖的承裁能力，改善支護效果。隧道斷面形狀的確定應盡量考慮適應圍巖應力場持

　　(2)全斷面支護原則。軟巖隧道支護所承受的荷載主要是圍巖的變形壓力，它來自于隧道的四周，包括隧道底扳。如果底板不支護，它就是支護的一個薄弱點，很容易發生底鼓現象，降低整個隧道支護結構的承裁能力，導致支護失敗。所以，軟巖隧道底板必須予以支護。

　　(3)可縮性支護原則。軟巖隧道中，圍巖變形壓力是支護的主要荷載，普通剛性支護(砌碴支護、普通錨噴等)難以適應，在大的變形壓力作用下很快就會破壞，使圍巖處于事實上的無支護狀態，不利于發揮圍巖的承載能力;對于可縮性支護，當變形壓力超過圍巖的承載能力后，支架可縮讓壓，這一過程是減少支護受力，讓圍巖發揮更大承載能力的過程，所以，軟巖隧道支護的主體結構必須是可縮性交護，如錨噴網支護和u型鋼可縮性支架等。

　　(4)二次支護原則

　　理論和實踐都已證明，軟巖隧道采用一次強阻力剛性支護來維護圍巖是不能成功的，因為它不適應軟巖隧道初期變形量大、變形速度快的特點。為適應軟巖的變形持征，應采取二次支護成隧的方法。一次支護主要是加固圍巖，提高其殘余強度，在不產生過度膨脹、剪脹變形的條件下，利用可縮性支護控制圍巖變形卸壓。二次支護要在圍巖變形穩定后適時完成，給隧道圍巖提供最終支護強度和剛度，以保持隧道校長時間的穩定性和安全儲備。二次支護時機，根據監測數據確定。

　　5結論

　　由于軟巖特殊性，在進行支護設計時需要對巖石的性質做出準確的判斷，根據特點采取合理的支護形式，而且軟巖隧道支護并不是單一的支護可以奏效的，也不是一次支護最終可以實現的，必須采用聯合支護的方式。同時要做好監控測量工作，軟巖具有明顯的時間效應，變形持續時間長，堅持現場長期監控量測，提供圍巖變形動態信息，及時修改和完善原設計或采取相應的加固措施具有重要意義。

　　參考文獻：

　　[l]何滿潮.軟巖巷道工程概論北京[M].徐州：中國礦業大學出版社,1993.

　　[2]何滿潮.軟巖工程技術現狀及展望，世紀之交軟巖工程技術與現狀及展望，煤炭工業版社，1999年

　　[3]孫鈞.地下工程設計理論與實踐[M].上海:上海科學技術出版社，1996.

　　[4]劉特洪.軟巖工程設計理論與施工實踐,中國建筑工業出版社,2001

　　[5]孫鈞，侯學淵.地下結構，北京：科學出版社,1991

　　[6]劉雄.巖石流變學概念，地質出版社，1994

　　[7]繆協興.軟巖力學，中國礦業大學出版社，1995

　　[8]郭陜云.論我國隧道和地下工程技術的研究和發展.隧道建設閉.2004，19-20.

　　[9]關寶樹，國兆林主編.隧道及地下工程閱.成都:西南交通大學出版社，2000.

　　[10]楊林德，顏建平，王悅照，王啟耀.圍巖變形的時效特征與預測的研究.巖石力學與工程學月報.2005，24(l):212一16.