软硬互层隧道围岩稳定性及施工方法

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摘要:软硬互层岩体为地下硐室建设的一个难点，由于具有不均匀、非连续和不规则分布的节理裂隙存在，使得其强度、变形和稳定性均不同于单一围岩体，增加了施工和支护困难，因此有必要对软硬互层围岩的变形稳定特性进行特定的研究。基于此，结合现有大量而广泛的软硬互层围岩研究理论和实践，从围岩分析、变形稳定和施工技术方面全面概括了软硬互层围岩现有研究现状。

关键词:软硬互层;围岩分级;围岩稳定性;施工技术

隧道工程是交通建设的关键节点。隧道建设中，因设计或支护不及时等引起围岩变形破坏造成的围岩坍塌等问题，影响工程进度和威胁施工人员生命和财产安全。软硬互层岩体是由自然和地质营力在漫长地质历史时期共同塑造而成的一种独特的沉积、或变质地层组合，属于常见复杂围岩体之一，给地下工程建设带来巨大的挑战。软硬互层岩体具有明显的正交各项异性或横观各项同性，平行层面方向的岩土体性质相同，而垂直层面方向的岩土体性质呈软硬交替，因此其强度和变形等力学性质具有明显的各项异性，但现有的设计和施工中，常将其按理想单一岩体进行分析，造成支护失效、围岩变形过大等问题。鉴于此，本文将全面阐述软硬互层围岩关于围岩分级、变形和稳定性分析、支护施工优化等方面研究进展，以期为软硬互层围岩设计及施工提供参考。

1软硬互层围岩分级

围岩分级是地下硐室科学设计和顺利施工的基础，现有分级方法主要参照公路隧道设计规范，即:首先根据岩石坚硬程度和岩体完整性两个定性因素结合定量的岩石基本质量指标BQ，进行初步分级，然后考虑地下水、主要软弱结构面、初始应力状态的影响程度，修正岩体基本质量指标，得到修正的基本质量指标修正值BQ，再结合定性特征进行综合评判，确定围岩的详细分级。然而，软硬互层围岩并不是单一软岩或硬岩，按照上述方式进行分级很难得到准确合理的围岩等级，往往造成施工过程中变更施工设计，改变施工方法和支护参数，影响工程进度和施工安全。造成软硬互层围岩分级困难的原因主要有两个:其一是现有勘察工作难以满足软硬互层围岩分级要求，即如果按照现有的勘察规范要求，对于具有多变性和复杂性的软硬互层岩体就显得针对性不够，难以获取关键的数据和资料;第二是目前针对软硬互层围岩的强度和变形等特性研究不够深入，缺乏清晰而全面的认识和理解。基于此，针对软硬互层围岩三台阶七步法施工有限差分法数值模拟结果指出，软硬互层围岩分级受软岩厚度决定，具有两个临界值，当软岩厚度小于2m按照硬岩划分;当软岩厚度大于10m按照软岩划分。在分析和讨论水文地质、岩性和地质构造的基础上，提出软硬互层围岩初步分级思路和方案，即找出围岩分级控制因素，然后从定量和定性方面综合分析评判:定量方面，软岩的性质控制软硬互层围岩工程特性，考虑岩石单轴饱和抗压强度、自由膨胀系数和软化系数3个指标，而忽略岩体完整性系数、岩体体积节理数和岩石风化系数等;定性方面，首要考虑软岩的岩性特征，其次为软硬岩组合比例和软岩厚度，最后考虑软硬互层岩体宏观构造，如岩层倾角等。

2软硬互层围岩稳定性分析

不同于单一岩体连续的力学性质，软硬互层围岩由于节理和层理等结构面的存在而致使受力和变形表现为不连续。1989年鲜学福和谭学术出版著作《层状岩体破坏模式》中就针对软硬互层岩体进行了系统研究，指出岩石强度、节理性质、岩层倾角和隧道轴线与岩层走向的相交角度等因素对软硬互层围岩的受力状态、变形特征和稳定性具有重要影响。基于室内单轴压缩试验和现场围岩变形监测层状围岩表现的各项异性特征，得到基于各项异性弹性本构方程的横观各项同性弹塑性本构关系，并结合现场监测数据验证了该模型的正确性。李晓红课题组成员结合共和隧道软硬互层围岩数值模拟和现场监测得到层状围岩具有偏压特征，层理结构面控制围岩的变形破坏。变形破坏发生于岩体层理垂直方向而非最大主应力方向，且呈不均匀的楔形掉落快，层状岩体的力学特性控制着围岩的变形破坏。针对倾斜软硬互层围岩开挖中表现出非对称变形破坏进行数值模拟研究指出，非对称变形破坏产生的主要原因为非对称岩体的层间剪切滑移变形和高应力扩容变形，破坏的关键部位为与隧道断面呈钝角的岩层倾斜方向。利用离散元方法研究岩块强度、节理强度、节理埋深和间距、节理倾角等因素对软硬互层岩体隧道变形破坏模式结果表明，节理强度对于隧道围岩稳定性的作用大于岩块强度;隧道破坏的方向受节理倾角的影响。结合离散元和室内模型试验研究节理倾角对软硬互层围岩塌落拱影响得到，塌落面积、塌落宽度和塌落高度都与其呈非线性函数关系。

3软硬互层围岩施工与支护优化

软硬互层具有层理效应，围岩变形破坏不同于单一岩土体，其支护和施工应采取特殊的手段。依托江习高速四面山隧道，考虑层理效应的横观各项异性，采用ANSYS数值模拟水平软硬互层围岩动态施工过程，考察单侧壁导坑法、全断面法和上下台阶法施工方法围岩变形情况，得出上下台阶法符合安全和经济要求，适用于软硬互层围岩开挖。同时，通过取消与岩层角度分别为－5°、0°、10°、15°、20°、25°、30°、35°和40°的锚杆考察锚杆支护效应得到结果为应取消与岩层角度小于35°的锚杆。针对隧道掘进机在软硬互层围岩中遇到的软岩遇水软化崩解、泥裹刀、难出渣及频繁塌方等技术问题，提出分区段动态调整施工方法以适应软硬互层复杂围岩条件，具体措施包括隧道掘进机不停机、连续低速和低贯入度掘进、增设管棚和减小拱架间距、及时封闭、开挖导洞和减少掌子面喷水等联合措施。结合理论分析、现场试验和数值模拟研究急倾斜软硬互层围岩变形稳定控制问题，针对急倾斜软硬互层围岩偏压作用明显，非对称性，底臌严重且易冒顶，顶板下滑的变形破坏特征，提出在原有锚———网———索支护耦合结构基础上，针对围岩产生变异破坏的关键部位利用底角锚杆和锚索进行加强支护的方法，经验证能够很好的控制围岩变形。

4结语

综上所述，软硬互层围岩工程性质非常复杂，其施工及支护不能简单采用单一岩体方法。隧道开挖中，只有采取加强多方面监控量测手段及数据分析，尽可能准确识别掌子面前方软硬围岩的位置及规模，有条件情况下进行现场试验和数值模拟等方法进行深入分析，结合前期经验，才能及时准确调制施工及支护策略，保证施工安全有效。

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作者：胡凯 黄卫国 李和元 单位：江西省公路工程检测中心