谈软岩隧道支护设计优化

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摘要：随着社会、经济的发展，我国对于特殊地质隧道的支护设计研究有了更高的要求。我国有广阔的疆土面积，并有复杂的地质结构，因此，隧道工程建设也经常会遇到很多特殊地质的问题。此时，必须要具体问题具体分析，充分考虑到各方面的因素后再进行工程的实施。对于软岩地质，进行隧道设计时就需要充分考虑岩体力学性质、岩体结构及裂缝情况、地下水分布等因素，根据场地具体情况来采取有效的支护形式与施工方法。文章主要讲述了软岩隧道支护设计的优化问题，希望对于软岩隧道设计者有一定的参考价值。

关键词：软岩；隧道；支护；设计；优化

随着人民生活水平的不断提高，我国高速公路的建设也开始扩大规模，而隧道在其中所占的比重也逐步增高，同时也出现了更多的穿越软岩地段的隧道。目前对于软岩隧道支护的方法有很多，但是在实际的支护过程中存在着很多失败的例子，因此，必须要对此予以充分的重视，不断地更新设计理念与施工方法。软岩隧道变形破坏预防问题已经成为很多隧道设计、施工者所考虑的重要问题之一。

1软岩隧道失稳的表现

软岩地层相对于其他地层更难进行隧道的开挖，经常会出现失稳的状态。其中失稳的表征有两个。首先是松动破坏。在隧道开挖时，洞身受到爆破冲击，有部分的围岩会脱离母岩分离成块状或者松散体。成为块状或者松散体后会受重力的影响存在帽顶或者坍塌的风险。其次是变形破坏。隧道岩石的变形破坏往往会经历一段时间才会显现出来，因此，软岩隧道整体完工之后也要进行后期的监控和管理。由于软岩岩体本身具有较强的流变性质，因此，很容易会在二次应力的作用下发生强度降低。当实际变形量超过塑性变形所允许的变形量时，就会发生破坏，使隧道出现一系列的安全问题和质量问题。软岩隧道失稳会导致非常严重的事故，隧道设计时必须要对此给予充分的重视。

2软岩隧道失稳的原因

经过对全国多处软岩隧道失稳事故进行原因分析，可将软岩隧道的失稳归纳为以下几个方面的原因。其一，隧道形状与实际受力情况不符。在隧道开挖之后会受到二次应力场的影响，隧道的几何形状如果和受力的情况不符，则会出现失稳的状态。隧道工程相对于其他工程，洞身形状设计时会非常注重它的稳定性，要注重分析隧道所承受应力的实际情况，根据实际情况选择隧道的形状。其二，岩体力学性质的影响。在软岩隧道勘察时，一定要注重对于软岩的力学特征进行全面的了解。软岩的力学特征有很多方面，其中塑性、扩容性、膨胀性、流变性等特性都会对围岩的稳定性产生影响。例如，软岩的膨胀性会使支护变形或者产生严重的底鼓，严重影响着支护的实际质量。其三，受岩体结构及裂缝分布的影响。围岩因地质构造运动而形成的结构面的强度一般会低于母岩岩体的强度，同时围岩结构也存在裂缝，此时围岩的强度与母岩相比也会大大降低。结构面与裂缝的存在都对围岩的稳定产生很大的影响。其四，受地应力的影响。隧道开挖施工的过程会很大程度上影响软岩隧道的稳定性。在进行隧道开挖施工的过程中会产生应力重分布，而重新分布的应力将很有可能超过围岩的强度，使围岩产生过度的变形，最终导致隧道失稳。其五，受地下水运动的影响。软岩相对于其他的岩石，具有明显的膨胀性，地下水长期接触软岩岩石就会使软岩产生很大的膨胀力，隧道也会随之变形受到破坏。其六，受施工不利的影响。受施工技术的影响。在进行支护时，如果操作不过关，就很容易产生支护无法达到设计要求的现象导致隧道变形破坏。

3软岩隧道支护特点

软岩隧道支护具有以下几种特点：（1）强柔性。通常情况下，在软岩隧道发生破坏的初期，随软岩隧道变形收敛的不断增加，围岩压力将会逐渐减小。此时，就要求支护结构具有强柔性特点。在软岩隧道支护过程中，强柔性支护结构不仅可以使围岩大幅度收敛，而且还可以有效降低围岩对支护结构产生的压力。（2）边让边支。通过软岩力学试验发现，软岩隧道在无围压的压缩状态下一般会具有较强的弹脆性，然而一旦软岩破坏将会导致其强度大大降低。如果围压比较大时，将会提高软岩的塑性变形，当其达到软岩屈服后，强度下降将会不明显。因此，一定的围压可以使软岩隧道变形破坏得到改善；（3）高可缩性。软岩隧道一般具有比较大的变形收敛量，当其达到一个较大值时，将会导致围岩压力出现明显下降，并顺利达到支护结构可以承受的范围，此时就需要支护结构具备高可缩性的特点。实际上，软岩隧道支护结构只有具有比较大的可缩性时，才可以确保以较低强度的支护结构来提高软岩隧道的稳定性，进而有效降低软岩隧道支护成本；（4）有限的可缩性。当软岩隧道出现变形破坏时，围岩的破坏区将会不断扩大，当破坏区扩展到一定范围时，随软岩隧道变形破坏，围岩压力不断增大，进而使支护结构的可缩性达到极限状态，阻止围岩的持续破坏，此时就需要支护结构具备有限的可缩性，进而实现对隧道断面的有效保护；（5）增阻性。软岩隧道支护结构还需要具备增阻性的特点，即随变形增大支护抗力随之增大的性质，尤其是在软岩隧道破坏后期，需要不断提高支护结构的增阻性，进而有效提高支护结构的刚度，以达到抑制围岩变形破坏的效果。

4传统软岩隧道支护设计理念

4.1改善围岩自身的承受力条件

传统软岩隧道设计理念认为通过改善围岩自身受力条件可以有效减少软岩隧道失稳的发生。改善围岩自身受力条件的方法有很多，主要分为以下几个方面。其一，注浆固结。这种方法可以有效地填充围岩自身的空隙，从而确保其完整性和连续性，有效地增加围岩的整体强度。其二，锚杆支护。这种方法可有效清除岩体结构效应，通过锚杆对围岩施加压力形成组合拱，使围岩从二向应力状态变成三向应力状态。其三，喷射混凝土支护。这种方法可以有效地改变围岩表面的受力状态，使围岩的表面有效防止松动。喷射混凝土相对于其他支护具有柔软性，可以有效地降低围岩的有害塑性，使围岩的压力得到有效的释放。除此之外，喷射混凝土这种方法还可以使围岩压力均匀、有效地传递给锚杆，使得支护结构的受力更加均匀，增强软岩隧道的稳定性。其四，挂钢筋网。这种方法可以有效地提高混凝土喷射层的承载力和拉力，增强软岩的硬度。

4.2直接对围岩提供足够的支护

传统软岩隧道设计理念认为通过直接对围岩提供足够的支护可以有效减少软岩隧道失稳的发生。对围岩进行强力支护的方法也有很多，这些支护方法一般都是相辅相成的，可以使围岩的受力条件得到有效的改善，控制围岩的变形。其一，超前支护。这种方法是采用超前管棚或小导管在隧道开挖前，对松动圈提供支护力，从而有效地防止松动块的塌落，使恶化围岩的受力面积更加均匀。其二，格栅钢拱架。主要是通过分析松动压力和围岩变形的形变压力，根据实际情况来对所需要支护的地方进行隔栅钢拱架的施工。其三，钢筋混凝土的二次衬砌。其主要帮助初支分担围岩压力并提供相应的安全储备，更有助于隧道的稳定。

5软岩隧道设计优化

5.1软岩隧道设计理念优化

软岩隧道发生变形和破坏是由于多种因素的综合作用而产生的，因此设计时，要有一个宏观的思维，且应考虑对施工的过程进行全面的监控。软岩隧道设计时不但应改善围岩自身的承受力条件和对围岩提供足够的支护，还应重点考虑以下几个方面。其一，杜绝隧道积水，由上文可知，软岩如果长时间吸收水分会导致软岩膨胀，很大程度的降低隧道的稳定性。在进行施工时，一定要注重坚持“治底先治水”的原则，注重疏排隧道里的水，避免水和软岩进行直接接触，或者尽可能地降低水和围岩接触的时间。其二，要积极地进行支护技术的改革，不断地更新支护的方式。通常情况下，隧道复合顶板选择用强力锚杆全长锚固来取代圆钢锚杆端头锚固，而且在破碎松软顶板选择了超前注浆补强围岩，支护断面还需要对预留变形量给予综合考虑，支护结构也应考虑刚柔并济的理念。其三，要注重选择合理的开发方式和步骤。遇到不同的隧道要选择不同的开发方式和步骤，这样才能有效地使隧道变形量得到有效的降低。更能增加隧道的稳定性。

5.2合理运用GIS技术对软岩隧道进行监测

随着我国经济社会的不断发展，信息化技术也有了显著的提高，软岩隧道监控设计时，一定要注重运用信息化技术，充分利用以数字化信息为核心的信息系统。GIS网络技术以及分布式数据库技术可以使软岩隧道监控工作的效率得到有效提高。因此在进行检测时，一定要注重对于检测对象的状态、稳定程度以及变形程度进行查询和分析，对症下药，实施有效的支护方法。运用GIS系统可以有效地使软岩隧道监测的数据更加完整，也可以有效地保证数据的及时性，在施工和确立支护方式和参数方面会有很大的帮助。实际上，GIS系统主要是以监测各测点布置图和断面图为基础，用矢量图形象来对各测点的分布情况进行展现，同时还可以对监测数据进行动态管理，形成图文双向查询，此外，还可以根据实际需要来把软岩隧道监测信息准确真实地呈现给用户，为决策者提供准确、方便的信息支持。可以将运筹学引入到监测管理系统，借助数学模型、统计学和算法等方法，来寻求最佳或近似最佳的解决方案，以此来优化支护方法可以有效地保证施工安全，同时也可以降低隧道施工工程的投资，降低成本。

6结语

综上所述，软岩相对于其他岩石强度更低，并且更容易风化，同时孔隙较大容易渗水，在软岩地层进行隧道设计就会变得更加困难，软岩地层进行隧道支护优化一直是工程界的热点问题之一。由于软岩地层容易膨胀，并且有很明显的时效性，因此，在进行实际施工时会存在很多的安全问题。故对软岩隧道实行动态设计并对设计进行优化就变得尤为重要，必须对此予以充分的重视，才能有效地提高隧道施工的安全系数和质量，使用寿命也会大幅度提高。

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作者：王飞 单位：西安公路研究院