隧道软弱围岩变形控制技术探究

摘要隧道软弱围岩变形是隧道施工建设的一大难题，关系到隧道建设施工人员和设备的安全性。文章首先概括讲解了隧道软弱围岩变形这一概念，对软弱围岩的变形机理，变形方式，变形过程进行阐述。然后就软弱围岩变形的特征进行总结分析，主要包含四个方面。最后就如何应对隧道软弱围岩变形提出三点措施。

关键词隧道软弱围岩变形概念特征措施

引言

近年来，我国交通道路建设发展速度很快，隧道施工工程也越来越多，软弱围岩隧道占据着很大一部分。隧道建设施工中，软弱围岩变形问题突出，对于隧道建设安全性造成威胁，提高了隧道建设成本。这一问题也是隧道建设研究的热点，如何控制软弱围岩变形，提高隧道工程施工水平，研究人员进行大量的理论分析，并将这些理论应用于实践，本文也对这一问题进行了分析探讨。

一、隧道软弱围岩变形概述

隧道软弱围岩指的是整体性较差，强度较低，在一定的压力条件下，由于施工等极易产生失稳破坏的岩体。按照隧道软弱围岩变形机理可以将变形分为两类。一类是材料变形，材料变形又可以根据力学性质进一步划分。一类是结构变形，结构变形的种类很多，围岩结构的不同产生的变形也有差异。块状围岩发生滚动变形，层状围岩发生滑动变形，软弱围岩的挤压变形等。隧道软弱围岩变形主要是因为在隧道开掘时围岩应力释放再分布造成的。

在掌子面不断向前移动的同时，围岩应力也随之发生改变，因此软弱围岩的变形与时间和空间的变化相联系，这就是时空效应。围岩结构不同，随掌子面的推进围岩产生变化量也是不同的。当围岩结构比较完整并且强度较大时，在隧道挖掘过程中，围岩应力释放速度快，比较容易发生弹性变形，变形量较小，变形时间很短，此时空间上和时间上的变化都难以察觉。当隧道围岩结构不完整，强度比较差时，在掌子面推进过程中，围岩变形过程缓慢，应力释放速度慢，主要发生弹性与黏性变形，由于变形时间跨度大，所以变形在时间空间上都比较明显。

二、隧道软弱围岩变形特征

通过对隧道软弱围岩的监测分析，总结了软弱围岩的一些变形特征。

（1）、掌子面前方变形范围相较于坚固围岩大。坚固围岩挖进正前方的变形范围基本保持在一倍洞泾之内，在以外的范围内变形量很难察觉，分析时也不用考虑。软弱围岩前方的变形范围可以达到三四倍洞泾的大小，并且随着掌子面的推进，围岩发生破碎及塌陷，变形会向着深处发展。软弱围岩掌子面前方变形范围占总变形的比例较大。坚固围岩变形范围一般占比在五分之一左右，但是软弱围岩其占比可能在三分之一以上，如果这种情况得到到不到改善，那隧道顶部很容易出现塌陷的情况。软弱围岩变形破坏方式多，后果严重。

（2）、软弱围岩掌子面后方变形显著。对于坚固围岩，在隧道机械掘进时，变形蔓延趋势很快得到控制，但是软弱围岩不可以，当变形停止稳定时，变形范围已经很大，如果没有相应的支撑加固结构，变形蔓延趋势可能得不到遏制，导致隧道结构失稳。

（3）、软弱围岩变形速度快，时间跨度大，变形量大。在隧道挖掘开始时其变形速度很快。由于软弱围岩不能很快的达到稳定状态，变形持续的时间长，在隧道挖掘几小时内不能稳定下来，甚至有的变形持续几个月的时间，此时变形还有蔓延的趋势。变形量大会造成拱顶沉降，洞壁变形，隧道支撑加固结构损坏，

三、隧道软弱围岩变形控制技术

3.1控制隧道掌子面前方变形

控制掌子面前方变形有很多措施，实际工程施工中主要使用超前支护加固隧道掌子面前方的软弱围岩，增强隧道开挖后围岩的自稳能力，降低超前变形量及其范围，降低掌子面前方围岩的变形范围与变形量。超前支护可以分为利用隧道纵向刚性的梁构造和利用隧道横向刚性的梁构造大类，图一是超前支护分类示意图。

图一超前支护分类示意图

3.2控制隧道掌子面后方变形

（1）、改进隧道挖掘方法。隧道软弱围岩施工常用方法有单壁导坑法，双壁导坑法，预留核心土台阶法等。在实际施工中，应该根据实际情况以其中一种为主，辅以其他方法，来使软弱围岩达到稳定。每个方法都有其使用条件，应该根据实际情况加以选择。

（2）、使用高质量混凝土。喷射混凝土是初期支撑隧道结构的重要手段，高性能的混凝土可以与隧道围岩紧密结合，有效地填充隧道围岩裂隙和空隙，在隧道中形成承载环，可以传递各个方向的应力，将作用在混凝土上的应力分散开来。工程对喷射混凝土的性能有着严格要求，有很多措施可以提高混凝土质量。

（3）、提高隧道支撑结构的强度。通过提高钢架的强度可以有效完成隧道初期支撑的任务，钢架可以在隧道挖进时提供支持力，有效的控制围岩变形量。使用合适的钢架材料来提高强度，也可以通过降低钢架之间的距离等措施，还有就是采用高性能钢架，这也是隧道用钢架未来的发展方向。

（4）、采用多重支护的方式。首先是根据经验计算围岩可能的变形量，在此基础上留出一定的富余量，随着隧道挖掘，软弱围岩的变形量一步步变大，这时就可以施加第一次支护，在变形量再次到达一定值时施加第二次支护，支护次数可以根据变形量进行调节，最后实现将变形量控制在规定范围内的目的。优点是不需要进行反复扩挖和反复支护，就是说没有拆除顶替已经承载的支护构件和对围岩多次扰动的问题。

3.3控制隧道软弱围岩的挤出变形

隧道软弱围岩挤出变形也是围岩变形的一种主要形式，挤出变形的范围与地质倾向和隧道走向的夹角有关系。控制软弱围岩挤出变形的的方法很多。一是改变掌子面的形状，使用倾斜或球状的掌子面，这种形状的掌子面可以改善受力条件，降低围岩的变形量。倾斜或球形掌子面可以对软弱围岩形成支撑力。倾斜、球形，直面的掌子面各有优劣。球形不适合机械掘进，但稳定性好，倾斜掌子面优劣居中，直面掌子面适合在围岩强度足够高的情况下使用。

预留核心土是在隧道施工时采用弧形开挖法优先开挖拱部及边墙外层岩体，将掌子面中央部位的岩体留下，以挡土墙的形式对掌子面施加一个反向推力，提高掌子面的稳定性，从而控制掌子面挤出变形和掌子面超前变形，有效减少掌子面地层的松弛范围。预留核心土的效果取决于核心土的长度、宽度和高度这3个设计参数。一般而言，预留核心土的长度越长，掌子面与核心土交线处的纵向位移就越小，但若预留核心土的长度过长，容易引起过大的围岩变形。同时，在工程施工条件许可的情况下，应尽可能地增加预留核心土的高度和宽度。

总结

隧道软弱围岩变形是隧道施工的一个难点，软弱围岩变形的情况多种多样，引起的原因也千差万别。文章根据近年来隧道软弱围岩施工中出现的问题及应对策略进行了总结分析。首先介绍隧道软弱围岩的变形机理，变形方式等，使读者对软弱围岩有一个简单认识。然后介绍隧道软弱围岩施工中几个比较常见的问题，并进行了原因分析。最后就这些问题提出针对性的应对措施。

参考文献

[1]赵勇.隧道软弱围岩变形机制与控制技术研究[D].北京：北京交通大学，

2012.

[2]关宝树，赵勇.软弱围岩隧道施工技术[M].北京：人民交通出版社，2011.

[3]何满潮，景海河，孙晓明.软岩工程力学[M].北京：科学出版社，2002.