软岩隧道工程问题分析

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摘要:介绍了软岩隧道工程的发展现状，对目前软岩隧道施工过程中面临的主要问题进行了详细分析，指出了问题存在的原因，并对今后软岩隧道的研究方向进行了展望，以提高软岩隧道工程的施工技术水平。

关键词:隧道，软岩，变形，围岩支护

1概述

随着交通事业的快速发展，越来越多的隧道工程将会在地形、地貌及地质背景复杂的西部山区修建。隧道在施工过程中不可避免的会遇到软弱围岩、高地应力围岩、断层破碎带等复杂的地质状况。通常意义上，穿越这些地区的隧道统称为软岩隧道［1］。软岩隧道开挖易造成围岩大变形，控制围岩变形也是软岩隧道开挖所要解决的主要问题之一。尤其是对于穿越软弱地层的大跨度隧道而言，如果支护不强或支护不及时，将会发生塌方冒顶或二次衬砌严重开裂现象，将会给工程安全性造成严重的威胁。通常来说，隧道围岩大变形指在高地应力软弱围岩条件下，围岩发生沉降破坏并最终导致隧道围岩失稳的现象［1］。其实质是围岩产生剪应力使得岩体彼此错动、断裂破坏，也就是说使围岩的自稳能力丧失，产生塑性变形，进而迫使围岩向开挖洞室方向挤压，产生大变形的现象。对于大变形的界定［2］，铁二院考虑了预留变形量的影响，认为单线隧道适当的预留变形量一般不大于150mm，双线隧道一般则不大于300mm，正常的变形量上限取上述值的0．8倍，在支护位移上，若单线隧道大于130mm，双线隧道大于250mm，就认定为发生了大变形。近年来，随着深埋特长隧道建设的日益增多，国内外对软弱围岩隧道大变形的变形机理［3］、变形特征［4］、控制措施［5］、施工工法［6，7］及支护时机［8］等等方面做了大量的研究，并取得了一定的成果。

2大跨软岩隧道存在的问题

由于地层地质的复杂性，大跨软岩隧道工程仍然面临着以下几个急需解决的关键问题:1)对围岩变形的判断与控制。对于软岩隧道围岩变形的研究主要集中在三个方面:a．从理论方面对变形机理进行研究;b．选择合理的施工工法对围岩变形进行控制;c．运用有限元或其他数值模拟的手段对围岩的变形量和变形趋势进行预测。从众多的学术论文和科研成果中不难发现，对于围岩变形的机理多是采用连续性介质理论进行分析，而实际工程中的围岩是非连续的，它是岩块和结构面在三维空间的一种非定向关系。尤其是对于地质状况比较复杂的软弱围岩，都是由多种物理成分组成的，且各物理成分的大小、多少及分布具有很大的随机性。但是，在实际的研究和应用中，例如采用数值模拟的方法对软岩隧道围岩变形进行分析时，又必须运用岩体的本构关系，这本身就是存在问题的，更不要说计算结果的准确性了。不论是理论分析还是数值模拟都没有办法对围岩的变形量进行准确的判断。这将引起另外一个问题，就是在采取控制变形措施时，通常采用的是依据相似工程经验制定施工方案，并没有针对不同的变形量采取相应的控制措施，因此变形控制措施也具有一定的盲目性。另外，隧道施工中变形可以达到1．0m甚至更大，软弱围岩变形本质上属于大变形问题，然而岩体力学中使用的弹塑性变形理论［9］虽然对材料的非线性进行了考虑，但是严格意义上仍属小变形理论。2)对合理支护时机的探讨。隧道二次衬砌施作时机始终是隧道界讨论的热点问题，二次衬砌的支护时机是保证二次衬砌长期稳定的关键。特别是对于软岩大变形隧道，如果二次衬砌施作过晚，则可能造成初期支护变形过大而无法控制，以致隧道失稳;但如果施作过早，则不利于地应力的释放和充分发挥围岩的自稳能力，从而使二衬受力过大而导致开裂，降低了隧道结构稳定性。因此，合理确定二次衬砌施作时机是保证隧道施工阶段和长期运营阶段安全性的关键。但是现阶段，对于隧道二次衬砌支护时机的研究仍然没有形成系统的体系。研究者多根据具体的工程背景选择不同的岩石弹塑性模型，采用的确定合理支护时机的判定方法也各有不同。对于二衬支护时机的影响因素的分析也多是针对单一影响因素，并没有综合考虑。

3软岩隧道的发展与展望

为了满足交通建设的需要，将不可避免的遇到更多的软岩隧道工程。围岩大变形的控制问题仍然是未来软岩隧道工程需要解决的关键问题。从根本上讲要更深入的研究围岩的变形机理，找出适用于实际工程地质状况的围岩的本构关系。在施工的过程中，超前地质预报要贯穿整个隧道的开挖过程，监控测量要及时跟进。对于具有代表性的工程要完善施工工法，以便以后类似工程经验借鉴。隧道是地层围岩和支护结构共同组成的复杂受力体。支护是一个过程，一个好的支护方案要让这一过程与围岩变形过程相协调。考虑到软弱围岩的蠕变特性，围岩的自稳能力是与施加相关的，因此二次衬砌的支护需要一个合理的时机。反过来理解，如果要确定合理的二衬支护时机，首先要对围岩的蠕变特性和变形机理进行充分而深入地分析，只有在此基础上，才能选择适当的支护时机和支护形式以及确定合适的支护参数。由于目前的研究多针对二次衬砌的支护时机探讨，应该将整个支护过程统一起来，形成与不同围岩级别、不同断面尺寸、不同开挖方式、不同支护参数相对应的系统的支护方案，以及更完善的施工工法。

4结语

本文主要针对近年来出现的软岩隧道工程中的突出问题进行了讨论，并对软岩隧道工程今后的发展进行了展望。为了满足交通建设的需要，更多更为复杂的软岩隧道工程也必将积累更多的工程经验，更好更深入的解决围岩大变形的控制问题。随着支护理论的不断发展、支护技术的不断进步，软岩隧道工程施工技术水平将会不断提高和发展。

参考文献:

［1］陈玉．共和隧道围岩大变形机理及防治措施研究［D］．重庆:重庆大学，2008．

［2］喻渝．挤压性围岩支护大变形的机理及判定方法［J］．世界隧道，1993，2(1):46-50．

［3］刘伴兴．软岩隧道大变形机理及位移控制基准［D］．石家庄:石家庄铁道学院，2006．

［4］段庆伟，何满朝，张世国．复杂条件下围岩变形特征数值模拟研究［J］．煤炭科学技术，2002，30(6):55-58．

［5］柴瑞峰，王才高．鸟鞘岭特长隧道大变形围岩段施工技术［J］．铁道建筑，2005(12):38-39．

［6］王祥秋，杨林德，高文华．软弱围岩蠕变损伤机理及合理支护时间的反演分析［J］．岩石力学与工程学报，2004，23(5):793-796．

［7］王建宇，胡元芳，刘志强．高地应力软弱围岩隧道挤压型变形和可让性支护原理［J］．现代隧道技术，2012，49(3):9-17．

［8］刘全林，杨敏．软弱围岩巷道锚固支护机理及变形分析［J］．岩石力学与工程学报，2002，21(8):1158-1161．

［9］张良辉，熊厚金，张清．隧道围岩位移的弹塑粘性解析解［J］．岩土工程学报，1997，19(4):66-72．

作者：任海勇 单位：山西蓝焰煤层气集团有限责任公司