談軟巖隧道支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

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摘要：隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國對(duì)于特殊地質(zhì)隧道的支護(hù)設(shè)計(jì)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(huì)遇到很多特殊地質(zhì)的問題。此時(shí)，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(shí)施。對(duì)于軟巖地質(zhì)，進(jìn)行隧道設(shè)計(jì)時(shí)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(chǎng)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(jì)的優(yōu)化問題，希望對(duì)于軟巖隧道設(shè)計(jì)者有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：軟巖；隧道；支護(hù)；設(shè)計(jì)；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(shí)也出現(xiàn)了更多的穿越軟巖地段的隧道。目前對(duì)于軟巖隧道支護(hù)的方法有很多，但是在實(shí)際的支護(hù)過程中存在著很多失敗的例子，因此，必須要對(duì)此予以充分的重視，不斷地更新設(shè)計(jì)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(jì)、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(duì)于其他地層更難進(jìn)行隧道的開挖，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)的狀態(tài)。其中失穩(wěn)的表征有兩個(gè)。首先是松動(dòng)破壞。在隧道開挖時(shí)，洞身受到爆破沖擊，有部分的圍巖會(huì)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(huì)受重力的影響存在帽頂或者坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。其次是變形破壞。隧道巖石的變形破壞往往會(huì)經(jīng)歷一段時(shí)間才會(huì)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(huì)在二次應(yīng)力的作用下發(fā)生強(qiáng)度降低。當(dāng)實(shí)際變形量超過塑性變形所允許的變形量時(shí)，就會(huì)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(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重的事故，隧道設(shè)計(jì)時(shí)必須要對(duì)此給予充分的重視。

2軟巖隧道失穩(wěn)的原因

經(jīng)過對(duì)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(gè)方面的原因。其一，隧道形狀與實(shí)際受力情況不符。在隧道開挖之后會(huì)受到二次應(yīng)力場(chǎng)的影響，隧道的幾何形狀如果和受力的情況不符，則會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)的狀態(tài)。隧道工程相對(duì)于其他工程，洞身形狀設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)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(shí)際情況，根據(jù)實(shí)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(shí)，一定要注重對(duì)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(huì)對(duì)圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。例如，軟巖的膨脹性會(huì)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(shí)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(dòng)而形成的結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度一般會(huì)低于母巖巖體的強(qiáng)度，同時(shí)圍巖結(jié)構(gòu)也存在裂縫，此時(shí)圍巖的強(qiáng)度與母巖相比也會(huì)大大降低。結(jié)構(gòu)面與裂縫的存在都對(duì)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(huì)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(huì)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(dòng)的影響。軟巖相對(duì)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(huì)使軟巖產(chǎn)生很大的膨脹力，隧道也會(huì)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(shí)，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(jì)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(diǎn)

軟巖隧道支護(hù)具有以下幾種特點(diǎn)：（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(huì)逐漸減小。此時(shí)，就要求支護(hù)結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)柔性特點(diǎn)。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(duì)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(yàn)發(fā)現(xiàn)，軟巖隧道在無圍壓的壓縮狀態(tài)下一般會(huì)具有較強(qiáng)的彈脆性，然而一旦軟巖破壞將會(huì)導(dǎo)致其強(qiáng)度大大降低。如果圍壓比較大時(shí)，將會(huì)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(huì)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(gè)較大值時(shí)，將會(huì)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(shí)就需要支護(hù)結(jié)構(gòu)具備高可縮性的特點(diǎn)。實(shí)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(shí)，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(shí)，圍巖的破壞區(qū)將會(huì)不斷擴(kuò)大，當(dāng)破壞區(qū)擴(kuò)展到一定范圍時(shí)，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(shí)就需要支護(hù)結(jié)構(gòu)具備有限的可縮性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(diǎn)，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(jì)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(jì)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(gè)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(duì)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(dòng)。噴射混凝土相對(duì)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(duì)圍巖提供足夠的支護(hù)

傳統(tǒng)軟巖隧道設(shè)計(jì)理念認(rèn)為通過直接對(duì)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(duì)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(duì)松動(dòng)圈提供支護(hù)力，從而有效地防止松動(dòng)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(dòng)壓力和圍巖變形的形變壓力，根據(jù)實(shí)際情況來對(duì)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(chǔ)備，更有助于隧道的穩(wěn)定。

5軟巖隧道設(shè)計(jì)優(yōu)化

5.1軟巖隧道設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)，要有一個(gè)宏觀的思維，且應(yīng)考慮對(duì)施工的過程進(jìn)行全面的監(jiān)控。軟巖隧道設(shè)計(jì)時(shí)不但應(yīng)改善圍巖自身的承受力條件和對(duì)圍巖提供足夠的支護(hù)，還應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面。其一，杜絕隧道積水，由上文可知，軟巖如果長時(shí)間吸收水分會(huì)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(shí)，一定要注重堅(jiān)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(shí)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(duì)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(duì)軟巖隧道進(jìn)行監(jiān)測(cè)

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(jì)時(shí)，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(cè)時(shí)，一定要注重對(duì)于檢測(cè)對(duì)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(duì)癥下藥，實(shí)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(cè)的數(shù)據(jù)更加完整，也可以有效地保證數(shù)據(jù)的及時(shí)性，在施工和確立支護(hù)方式和參數(shù)方面會(huì)有很大的幫助。實(shí)際上，GIS系統(tǒng)主要是以監(jiān)測(cè)各測(cè)點(diǎn)布置圖和斷面圖為基礎(chǔ)，用矢量圖形象來對(duì)各測(cè)點(diǎn)的分布情況進(jìn)行展現(xiàn)，同時(shí)還可以對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，形成圖文雙向查詢，此外，還可以根據(jù)實(shí)際需要來把軟巖隧道監(jiān)測(cè)信息準(zhǔn)確真實(shí)地呈現(xiàn)給用戶，為決策者提供準(zhǔn)確、方便的信息支持。可以將運(yùn)籌學(xué)引入到監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，借助數(shù)學(xué)模型、統(tǒng)計(jì)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(shí)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(duì)于其他巖石強(qiáng)度更低，并且更容易風(fēng)化，同時(shí)孔隙較大容易滲水，在軟巖地層進(jìn)行隧道設(shè)計(jì)就會(huì)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(diǎn)問題之一。由于軟巖地層容易膨脹，并且有很明顯的時(shí)效性，因此，在進(jìn)行實(shí)際施工時(shí)會(huì)存在很多的安全問題。故對(duì)軟巖隧道實(shí)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化就變得尤為重要，必須對(duì)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(huì)大幅度提高。

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作者：王飛 單位：西安公路研究院