談軟巖隧道支護(hù)設(shè)計優(yōu)化

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摘要：隨著社會、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國對于特殊地質(zhì)隧道的支護(hù)設(shè)計研究有了更高的要求。我國有廣闊的疆土面積，并有復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此，隧道工程建設(shè)也經(jīng)常會遇到很多特殊地質(zhì)的問題。此時，必須要具體問題具體分析，充分考慮到各方面的因素后再進(jìn)行工程的實施。對于軟巖地質(zhì)，進(jìn)行隧道設(shè)計時就需要充分考慮巖體力學(xué)性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)及裂縫情況、地下水分布等因素，根據(jù)場地具體情況來采取有效的支護(hù)形式與施工方法。文章主要講述了軟巖隧道支護(hù)設(shè)計的優(yōu)化問題，希望對于軟巖隧道設(shè)計者有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：軟巖；隧道；支護(hù)；設(shè)計；優(yōu)化

隨著人民生活水平的不斷提高，我國高速公路的建設(shè)也開始擴(kuò)大規(guī)模，而隧道在其中所占的比重也逐步增高，同時也出現(xiàn)了更多的穿越軟巖地段的隧道。目前對于軟巖隧道支護(hù)的方法有很多，但是在實際的支護(hù)過程中存在著很多失敗的例子，因此，必須要對此予以充分的重視，不斷地更新設(shè)計理念與施工方法。軟巖隧道變形破壞預(yù)防問題已經(jīng)成為很多隧道設(shè)計、施工者所考慮的重要問題之一。

1軟巖隧道失穩(wěn)的表現(xiàn)

軟巖地層相對于其他地層更難進(jìn)行隧道的開挖，經(jīng)常會出現(xiàn)失穩(wěn)的狀態(tài)。其中失穩(wěn)的表征有兩個。首先是松動破壞。在隧道開挖時，洞身受到爆破沖擊，有部分的圍巖會脫離母巖分離成塊狀或者松散體。成為塊狀或者松散體后會受重力的影響存在帽頂或者坍塌的風(fēng)險。其次是變形破壞。隧道巖石的變形破壞往往會經(jīng)歷一段時間才會顯現(xiàn)出來，因此，軟巖隧道整體完工之后也要進(jìn)行后期的監(jiān)控和管理。由于軟巖巖體本身具有較強(qiáng)的流變性質(zhì)，因此，很容易會在二次應(yīng)力的作用下發(fā)生強(qiáng)度降低。當(dāng)實際變形量超過塑性變形所允許的變形量時，就會發(fā)生破壞，使隧道出現(xiàn)一系列的安全問題和質(zhì)量問題。軟巖隧道失穩(wěn)會導(dǎo)致非常嚴(yán)重的事故，隧道設(shè)計時必須要對此給予充分的重視。

2軟巖隧道失穩(wěn)的原因

經(jīng)過對全國多處軟巖隧道失穩(wěn)事故進(jìn)行原因分析，可將軟巖隧道的失穩(wěn)歸納為以下幾個方面的原因。其一，隧道形狀與實際受力情況不符。在隧道開挖之后會受到二次應(yīng)力場的影響，隧道的幾何形狀如果和受力的情況不符，則會出現(xiàn)失穩(wěn)的狀態(tài)。隧道工程相對于其他工程，洞身形狀設(shè)計時會非常注重它的穩(wěn)定性，要注重分析隧道所承受應(yīng)力的實際情況，根據(jù)實際情況選擇隧道的形狀。其二，巖體力學(xué)性質(zhì)的影響。在軟巖隧道勘察時，一定要注重對于軟巖的力學(xué)特征進(jìn)行全面的了解。軟巖的力學(xué)特征有很多方面，其中塑性、擴(kuò)容性、膨脹性、流變性等特性都會對圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。例如，軟巖的膨脹性會使支護(hù)變形或者產(chǎn)生嚴(yán)重的底鼓，嚴(yán)重影響著支護(hù)的實際質(zhì)量。其三，受巖體結(jié)構(gòu)及裂縫分布的影響。圍巖因地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動而形成的結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度一般會低于母巖巖體的強(qiáng)度，同時圍巖結(jié)構(gòu)也存在裂縫，此時圍巖的強(qiáng)度與母巖相比也會大大降低。結(jié)構(gòu)面與裂縫的存在都對圍巖的穩(wěn)定產(chǎn)生很大的影響。其四，受地應(yīng)力的影響。隧道開挖施工的過程會很大程度上影響軟巖隧道的穩(wěn)定性。在進(jìn)行隧道開挖施工的過程中會產(chǎn)生應(yīng)力重分布，而重新分布的應(yīng)力將很有可能超過圍巖的強(qiáng)度，使圍巖產(chǎn)生過度的變形，最終導(dǎo)致隧道失穩(wěn)。其五，受地下水運(yùn)動的影響。軟巖相對于其他的巖石，具有明顯的膨脹性，地下水長期接觸軟巖巖石就會使軟巖產(chǎn)生很大的膨脹力，隧道也會隨之變形受到破壞。其六，受施工不利的影響。受施工技術(shù)的影響。在進(jìn)行支護(hù)時，如果操作不過關(guān)，就很容易產(chǎn)生支護(hù)無法達(dá)到設(shè)計要求的現(xiàn)象導(dǎo)致隧道變形破壞。

3軟巖隧道支護(hù)特點

軟巖隧道支護(hù)具有以下幾種特點：（1）強(qiáng)柔性。通常情況下，在軟巖隧道發(fā)生破壞的初期，隨軟巖隧道變形收斂的不斷增加，圍巖壓力將會逐漸減小。此時，就要求支護(hù)結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)柔性特點。在軟巖隧道支護(hù)過程中，強(qiáng)柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)不僅可以使圍巖大幅度收斂，而且還可以有效降低圍巖對支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓力。（2）邊讓邊支。通過軟巖力學(xué)試驗發(fā)現(xiàn)，軟巖隧道在無圍壓的壓縮狀態(tài)下一般會具有較強(qiáng)的彈脆性，然而一旦軟巖破壞將會導(dǎo)致其強(qiáng)度大大降低。如果圍壓比較大時，將會提高軟巖的塑性變形，當(dāng)其達(dá)到軟巖屈服后，強(qiáng)度下降將會不明顯。因此，一定的圍壓可以使軟巖隧道變形破壞得到改善；（3）高可縮性。軟巖隧道一般具有比較大的變形收斂量，當(dāng)其達(dá)到一個較大值時，將會導(dǎo)致圍巖壓力出現(xiàn)明顯下降，并順利達(dá)到支護(hù)結(jié)構(gòu)可以承受的范圍，此時就需要支護(hù)結(jié)構(gòu)具備高可縮性的特點。實際上，軟巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)只有具有比較大的可縮性時，才可以確保以較低強(qiáng)度的支護(hù)結(jié)構(gòu)來提高軟巖隧道的穩(wěn)定性，進(jìn)而有效降低軟巖隧道支護(hù)成本；（4）有限的可縮性。當(dāng)軟巖隧道出現(xiàn)變形破壞時，圍巖的破壞區(qū)將會不斷擴(kuò)大，當(dāng)破壞區(qū)擴(kuò)展到一定范圍時，隨軟巖隧道變形破壞，圍巖壓力不斷增大，進(jìn)而使支護(hù)結(jié)構(gòu)的可縮性達(dá)到極限狀態(tài)，阻止圍巖的持續(xù)破壞，此時就需要支護(hù)結(jié)構(gòu)具備有限的可縮性，進(jìn)而實現(xiàn)對隧道斷面的有效保護(hù)；（5）增阻性。軟巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)還需要具備增阻性的特點，即隨變形增大支護(hù)抗力隨之增大的性質(zhì)，尤其是在軟巖隧道破壞后期，需要不斷提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的增阻性，進(jìn)而有效提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度，以達(dá)到抑制圍巖變形破壞的效果。

4傳統(tǒng)軟巖隧道支護(hù)設(shè)計理念

4.1改善圍巖自身的承受力條件

傳統(tǒng)軟巖隧道設(shè)計理念認(rèn)為通過改善圍巖自身受力條件可以有效減少軟巖隧道失穩(wěn)的發(fā)生。改善圍巖自身受力條件的方法有很多，主要分為以下幾個方面。其一，注漿固結(jié)。這種方法可以有效地填充圍巖自身的空隙，從而確保其完整性和連續(xù)性，有效地增加圍巖的整體強(qiáng)度。其二，錨桿支護(hù)。這種方法可有效清除巖體結(jié)構(gòu)效應(yīng)，通過錨桿對圍巖施加壓力形成組合拱，使圍巖從二向應(yīng)力狀態(tài)變成三向應(yīng)力狀態(tài)。其三，噴射混凝土支護(hù)。這種方法可以有效地改變圍巖表面的受力狀態(tài)，使圍巖的表面有效防止松動。噴射混凝土相對于其他支護(hù)具有柔軟性，可以有效地降低圍巖的有害塑性，使圍巖的壓力得到有效的釋放。除此之外，噴射混凝土這種方法還可以使圍巖壓力均勻、有效地傳遞給錨桿，使得支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力更加均勻，增強(qiáng)軟巖隧道的穩(wěn)定性。其四，掛鋼筋網(wǎng)。這種方法可以有效地提高混凝土噴射層的承載力和拉力，增強(qiáng)軟巖的硬度。

4.2直接對圍巖提供足夠的支護(hù)

傳統(tǒng)軟巖隧道設(shè)計理念認(rèn)為通過直接對圍巖提供足夠的支護(hù)可以有效減少軟巖隧道失穩(wěn)的發(fā)生。對圍巖進(jìn)行強(qiáng)力支護(hù)的方法也有很多，這些支護(hù)方法一般都是相輔相成的，可以使圍巖的受力條件得到有效的改善，控制圍巖的變形。其一，超前支護(hù)。這種方法是采用超前管棚或小導(dǎo)管在隧道開挖前，對松動圈提供支護(hù)力，從而有效地防止松動塊的塌落，使惡化圍巖的受力面積更加均勻。其二，格柵鋼拱架。主要是通過分析松動壓力和圍巖變形的形變壓力，根據(jù)實際情況來對所需要支護(hù)的地方進(jìn)行隔柵鋼拱架的施工。其三，鋼筋混凝土的二次襯砌。其主要幫助初支分擔(dān)圍巖壓力并提供相應(yīng)的安全儲備，更有助于隧道的穩(wěn)定。

5軟巖隧道設(shè)計優(yōu)化

5.1軟巖隧道設(shè)計理念優(yōu)化

軟巖隧道發(fā)生變形和破壞是由于多種因素的綜合作用而產(chǎn)生的，因此設(shè)計時，要有一個宏觀的思維，且應(yīng)考慮對施工的過程進(jìn)行全面的監(jiān)控。軟巖隧道設(shè)計時不但應(yīng)改善圍巖自身的承受力條件和對圍巖提供足夠的支護(hù)，還應(yīng)重點考慮以下幾個方面。其一，杜絕隧道積水，由上文可知，軟巖如果長時間吸收水分會導(dǎo)致軟巖膨脹，很大程度的降低隧道的穩(wěn)定性。在進(jìn)行施工時，一定要注重堅持“治底先治水”的原則，注重疏排隧道里的水，避免水和軟巖進(jìn)行直接接觸，或者盡可能地降低水和圍巖接觸的時間。其二，要積極地進(jìn)行支護(hù)技術(shù)的改革，不斷地更新支護(hù)的方式。通常情況下，隧道復(fù)合頂板選擇用強(qiáng)力錨桿全長錨固來取代圓鋼錨桿端頭錨固，而且在破碎松軟頂板選擇了超前注漿補(bǔ)強(qiáng)圍巖，支護(hù)斷面還需要對預(yù)留變形量給予綜合考慮，支護(hù)結(jié)構(gòu)也應(yīng)考慮剛?cè)岵?jì)的理念。其三，要注重選擇合理的開發(fā)方式和步驟。遇到不同的隧道要選擇不同的開發(fā)方式和步驟，這樣才能有效地使隧道變形量得到有效的降低。更能增加隧道的穩(wěn)定性。

5.2合理運(yùn)用GIS技術(shù)對軟巖隧道進(jìn)行監(jiān)測

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，信息化技術(shù)也有了顯著的提高，軟巖隧道監(jiān)控設(shè)計時，一定要注重運(yùn)用信息化技術(shù)，充分利用以數(shù)字化信息為核心的信息系統(tǒng)。GIS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)可以使軟巖隧道監(jiān)控工作的效率得到有效提高。因此在進(jìn)行檢測時，一定要注重對于檢測對象的狀態(tài)、穩(wěn)定程度以及變形程度進(jìn)行查詢和分析，對癥下藥，實施有效的支護(hù)方法。運(yùn)用GIS系統(tǒng)可以有效地使軟巖隧道監(jiān)測的數(shù)據(jù)更加完整，也可以有效地保證數(shù)據(jù)的及時性，在施工和確立支護(hù)方式和參數(shù)方面會有很大的幫助。實際上，GIS系統(tǒng)主要是以監(jiān)測各測點布置圖和斷面圖為基礎(chǔ)，用矢量圖形象來對各測點的分布情況進(jìn)行展現(xiàn)，同時還可以對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)管理，形成圖文雙向查詢，此外，還可以根據(jù)實際需要來把軟巖隧道監(jiān)測信息準(zhǔn)確真實地呈現(xiàn)給用戶，為決策者提供準(zhǔn)確、方便的信息支持?？梢詫⑦\(yùn)籌學(xué)引入到監(jiān)測管理系統(tǒng)，借助數(shù)學(xué)模型、統(tǒng)計學(xué)和算法等方法，來尋求最佳或近似最佳的解決方案，以此來優(yōu)化支護(hù)方法可以有效地保證施工安全，同時也可以降低隧道施工工程的投資，降低成本。

6結(jié)語

綜上所述，軟巖相對于其他巖石強(qiáng)度更低，并且更容易風(fēng)化，同時孔隙較大容易滲水，在軟巖地層進(jìn)行隧道設(shè)計就會變得更加困難，軟巖地層進(jìn)行隧道支護(hù)優(yōu)化一直是工程界的熱點問題之一。由于軟巖地層容易膨脹，并且有很明顯的時效性，因此，在進(jìn)行實際施工時會存在很多的安全問題。故對軟巖隧道實行動態(tài)設(shè)計并對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化就變得尤為重要，必須對此予以充分的重視，才能有效地提高隧道施工的安全系數(shù)和質(zhì)量，使用壽命也會大幅度提高。

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作者：王飛 單位：西安公路研究院