韩冬
中铁九局集团有限公司大连分公司 辽宁 大连 116000
摘要：软岩隧道施工一直是隧道交通工程中的技术难点，由于软岩体质地松软、自稳性较差，在岩体自身重力和隧道施工扰动的共同作用下，本身出现围岩顶部沉降和失稳破坏的风险就比较大。如果施工技术和围岩控制措施不当，很容易发生围岩大变形，引发隧道塌方等事故灾害，严重威胁隧道内及地表人员、设备、建筑的安全，施工进度也会因此受到影响。软岩隧道大变形主要与施工区域岩体力学性质有关，为避免软岩隧道施工中出现围岩变形及相关灾害，需结合该施工区域水文地质条件，采取合理的施工和支护技术措施。本文首先分析了软岩隧道的受力特征及不同形式围岩变形破坏机理，并据此提出了相关施工技术和防范措施。
关键词：公路隧道；应对措施；围岩大变形；变形特征；地应力
引言
目前，公路隧道多采用复合式衬砌，初期支护是主要承载单元，控制围岩的变形与松弛，起到充分发挥围岩自承能力的作用。在高地应力软岩公路隧道中，为保证结构安全性，控制围岩变形，隧道初期支护多采用双层或多层结构，而何时施作内层初期支护极大影响双层初期支护结构支护效果。若内层初期支护施作过早，围岩荷载得不到充分释放，支护结构承受较大的形变压力，则可能使其荷载分担比例过大而导致结构开裂，降低隧道耐久性;若内层初支施作过晚，则可能造成初期支护变形无法控制，以致隧道侵限或失稳。因此合理的内层初期支护施作时机对隧道长期安全稳定十分重要。
1初期支护变形特征
为研究该隧道初期支护的变形特征，在右线K70+990—K71+240区段内选取50个监测断面分析拱顶沉降及水平收敛随时间的变化情况。5个典型断面初期支护的拱顶沉降及水平收敛时程曲线见图5。分析可得：同一断面处，拱顶沉降和水平收敛时程曲线形态相似，两者随时间变化规律一致。根据围岩变形速率，5个断面围岩变形均可划分为3个阶段：①快速发展阶段。处于隧道变形前期，变形速率最快。初期支护变形在0~7d超出预留变形量，随即出现围岩塌方或初期支护被严重压屈、侵限等现象。②持续发展阶段。处于隧道变形中期（第2~3周），变形速率明显减缓，但变形仍在持续增长，各断面的变形速率和累计变形量出现较大差异。③稳定阶段。处于变形后期，变形速率最慢，大部分断面变形已趋于稳定，个别断面仍然有较大增长。
2软岩大变形原因分析
2.1地质因素
（1）软岩系指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性黏土类矿物的松、散、软、弱岩层的总称。软弱围岩的工程地质性质决定了其在隧道工程中的变形特征，即开挖后自稳能力差，表现出“自稳时间短、易坍塌”的特征。由于隧道的开挖，使先前支撑隧道洞身的围岩被移走，洞壁临空；造成围岩应力重新调整，围岩与洞壁均向隧道净空方向变形。（2）具有膨胀岩性质的围岩在一定条件下体积膨胀，形成了较大的膨胀力。隧道变形段的围岩主要为炭质灰岩，含蒙脱石、绿泥石等，吸水后体积可膨胀１０％～２０％，围岩膨胀压力直接加荷在初支上产生了大变形。
2.2施工问题
经检查发现围岩与初期支护之间存在空洞，锁脚锚杆固定强度不够，系统锚杆深度不足，隧道爆破开挖扰动及初期支护闭合时间晚。这些施工问题对隧道大变形有一定影响。
2.3设计因素
设计的支护参数仅仅是各种围岩在理论应力状态下的一种预案，但实际施工过程中存在的各种外界附加的因素会加剧软岩大变形的发展，其中较为突出的因素为地下水不同的赋存量引起的水岩藕合作用程度大小的不同，当水岩藕合作用力超过了工程设计初支所能承受的最大压力时将导致初支产生不同程度的变形。
2.4初期支护强度不足
I18或I20工字钢所形成的支护体系难以抵御围岩压力，造成初期支护喷射混凝土掉块、钢拱架扭曲变形等情况。
同时，原设计锁脚锚杆长4.5m，不足以锁住拱脚，造成初期支护周边收敛较大，边墙钢拱架折断变形
3围岩大变形应对措施
3.1加强监控量测，科学分析数据
监控量测是软弱围岩隧道安全施工的“眼睛”，是判断结构稳定性、指导软弱围岩隧道安全施工“最重要”的信息化手段。该隧道每个监测断面设５个位移量测项目：拱顶下沉、拱腰收敛、拱脚收敛、墙腰收敛、仰拱隆起，每５～１０ｍ布设一个断面。当有渗漏水时宜适当加密，在初支完成后４ｈ内布置埋设点，于１２ｈ内读取初始读数，每天至少进行一次监测，可根据变形情况增大量测频率，根据量测数据进行分析，判断围岩的变形情况是否处于正常状态，从而为施工安全和支护参数的确定提供科学的依据。
3.2及时强支护
及时强支护设计理念为:在隧道开挖后立即施做支护结构，通过设置高强度钢拱架、提高喷射混凝土厚度等设计措施加大支护结构刚度。是早期“强支硬顶”的支护设计理念的体现。及时强支护设计在实际应用过程中，由于形变压力过大，导致支护结构承载能力不足情况常有发生，造成支护受压变形、扭转弯曲，甚至出现破坏失效的严重后果。从而导致围岩收敛过大，隧道轮廓侵入净空等问题，影响施工安全和进度。根据前述理论分析的结论，及时强支护将使围岩损失的非弹性应变能Wn大幅降低，导致围岩重新积聚能量与支护结构吸收的能量Wf之和较高。同时，传统支护结构刚度大，吸收能量后在刚性体内积聚，容易导致整体结构失效。
3.3锁脚锚杆设计优化
此类项目施工采用三台阶开挖法，多次开挖对围岩产生扰动会导致初期支护结构整体下沉、侧移和收敛。在隧道支护结构中设置锁脚锚杆，可有效减少变形。本项目隧道软弱围岩地段锁脚锚杆设计长度为3.5m，施工中发现支护结构出现了明显的下沉、侧移和收敛变形。由于边墙处的围岩位移和周边位移变形最大，优化后中台阶锁脚锚杆长度为6m，上下台阶锁脚锚杆长度为5m。
3.4简化施工方法，快挖快支，减少围岩暴露时间
应充分发挥大型机械化施工优势，选择三台阶和三台阶预留核心土法施工。采用人工配合带松土器的挖掘机开挖各台阶；按照流水作业法及时安装钢架、围岩应力释放装置、钢筋网片、锁脚锚管；采用ＨＰＳ３０１６Ｓ型湿喷机械手快速喷射混凝土。
3.5分层支护技术的应用
分层支护是指在隧道支护结构设计中，初期支护分为两层或多层施做，第一层多采用刚度较小的支护措施，释放围岩内部积聚的形变能，降低围岩压力。围岩收敛到一定程度后，再施做第二层支护。如有需要，可依此方法进一步施作多层支护，最终使隧道硐室保持稳定状态。双层支护设计的理论基础就在于通过第一层支护吸收能量，提高Wf;通过第一层支护与第二层支护之间的预留变形增大围岩损失的非弹性应变能Wn，在合理的预留变形量范围内，保证围岩松散压力不致过大;从而最大程度降低围岩重新积聚能量。目前，分层支护技术在我国大变形隧道建设中已经得到较为成熟的应用。
结束语
目前，国内外针对高地应力软岩大变形隧道支护设计，主要有及时强支护、分层支护和让压支护等型式。通过能量法分析及应用实践可知，大变形隧道应用分层支护是合理可行的。让压支护技术具备先让再抗后刚特性，可充分调动围岩自承能力及支护材料的性能，使两者达到最优状态。在此理论下，新型让压支护结构基本构成主要由让压锚杆、可缩式钢拱架、带让压控制器或变形槽的喷射混凝土等构成，在具体结构上有进一步优化和创新，具有良好的应用前景。
参考文献
[1]周亮.软岩隧道大变形成因分析及处置措施[J].工程技术研究,2018(16):19-21.
[2]姚正源.软岩隧道中双层初期支护变形分析[J].建筑结构,2018,48(S2):991-993.
[3]陈伟,曹鹏,郭鸿雁,胡学兵.典型公路炭质页岩隧道变形安全基准值研究[J].地下空间与工程学报,2018,14(S2):752-756+762.
[4]廖疆平,陈实,黄和江,段家贵,王小龙.监控量测在软岩大变形隧道施工中的应用[J].公路交通科技(应用技术版),2018,14(12):157-159+166.
[5]李中山.铁路软弱围岩大变形隧道施工控制技术研究[J].工程技术研究,2018(15):42-43.