软弱围岩隧道大变形机理及控制措施研究

软弱围岩隧道大变形机理及控制措施研究
摘要: 软弱围岩大变形是隧道修建过程中常见的灾害。

本文结合青峰隧道工程，对软弱围岩隧道大变形施工处治技术进行分析，在分析大变形产生原因的基础上，提出合理的施工方法和处治措施，对软弱围岩隧道施工具有参考意义。

关键词：隧道、处理措施、大变形、软弱围岩
Study on Mechanism and Treating Methods of Large Deformation of Tunnel in Soft Surrounding Rock
Abstract：The large deformationof soft rock tunnelconstructionisa commongeologicaldisasters. Combined with the Qingfeng tunnel, the reasons of large deformation were analysed. Feasible construction methods and techniques for soft rock tunnels are suggested which can be taken for reference by soft rock tunnel construction.
Keywords: tunnel; treating methods; large deformation; soft rock
1 引言
随着我国高速公路的建设的快速发展，在山岭地区修建的公路隧道越来越多，我国在复杂的地质条件下的隧道修建技术也得到了飞速发展。

当隧道穿越高地应力、浅埋偏压区域以及软弱破碎围岩体时，易产生围岩大变形等相关地质灾害。

大变形的危害程度大，处治费用高且方法复杂，因此，针对实际工程准确分析大变形发生的机理，控制变形的进一步扩大，采取合适的处理方案解决初期支护变形过大的问题就显得尤为重要。

本文以谷竹高速公路青峰隧道为工程依托，对其在施工过程中的大变形问题处理方案进行归纳总结，为以后类似工程提供具有参考价值和指导作用的结论和建议。

2 工程概况
青峰隧道位于湖北省房县青峰镇，青峰断裂带因著名地质学家李四光命名而闻名。

穿越青峰断裂带的青峰隧道，施工难度大。

隧道长1943m，最大埋深约164.7m。

岩性主要为强风化绢云母片岩、千枚岩，片状构造，手捏即碎，部分手捏成团，可塑性强。

成分为石英、长石、云母、高岭石等，地下水类型主要为松散岩类孔隙水及基岩裂隙水。

该隧道施工过程中频繁遭遇围岩大变形、塌方等工程问题，使该隧道工期严重滞后，成为谷竹高速的工期控制性工程。

3 初支大变形特征及原因分析
3.1 大变形发生过程
由于连续大雨，进口段左线ZK75+519至ZK75+500段，初期支护多处渗水，呈线状，埋深为44m，掌子面开挖体前方ZK75+548处为山体冲沟，埋深为30m。

根据现场拱顶测点ZK75+512、+517和+520数据显示，此段初支沉降、收敛值较变化速率以及累积值均较大，部分初期支护出现侵限。

图1 初支侵限示意图
图2 初支裂缝
3.2 大变形原因分析
隧道产生大变形的原因是多方面的，结合该隧道的地质水文情况，得出青峰隧道出现大变形的原因如下：
1、青峰断裂带、逆断层
青峰断裂是武当山推覆构造系中的一个重要组成部分。

可将包括青峰断裂在内的推覆构造单元划分成四个带，自南而北依次为前缘叠瓦带、主滑脱面青峰断裂带、中央褶皱带和后缘拉张带。

青峰断裂是武当山推覆体之主滑脱面，它呈东西向展布，西自竹山，东经房县、青峰再至盛家康而被掩盖，长约180km，南北最宽可达2km。

青峰断裂主要特点：它由数条逆冲断层和破碎带组成，带内劈理化、片理化和糜棱岩化明显，小型褶皱、塑性流变褶皱、小型挤压透镜体和细碎裂岩以及小型断裂带等都比较发育。

受青峰断裂带影响，青峰隧道存在断层破碎带，宽度约45米，走向约297°近直立，断层走向与线路走向呈小角度相交，交角约30°，该逆断层水平挤压对
隧道影响较大，存在明显的构造应力。

2、隧道偏压
通过地表观测及前期勘查，隧道施工中左右洞埋深偏差较大，隧道穿越S305省道，隧道坡体较陡。

隧道存在严重地形偏压，主要压力和变形在右侧，同一断面也是右侧围岩破碎、软弱。

隧道围岩整体呈片状结构，产状成45°～60°，薄片状，围岩自身产生推力、挤压力，导致隧道单侧压力较明显。

3、软岩特性
隧道岩性主要为强风化绢云母片岩、千枚岩，片状构造，手捏即碎，部分手捏成团，可塑性强。

岩石主要矿物成分为绢云母、绿泥石、石英、长石、云母、高岭石等。

片理发育，节理、裂隙发育～较发育，围岩破碎。

结构面光滑、张开、夹泥，结合程度差、自稳性差、易松弛掉块。

局部存在软弱夹泥层，含有石英脉。

局部水量较大，呈滴水状。

岩石遇水后迅速软化，呈软流塑状。

从隧道掌子面对围岩取样分析其常由绢云母、长石、高岭石风化而成，遇水软化膨胀，失水收缩，体积变化大，涨缩可反复交替。

复杂的地质构造背景形成的云母片岩是塌方形成的内在原因，水文地质条件是围岩初支变形破坏的诱发主导因素。

4、地下水丰富
青峰隧道绝大部分地段围岩地下水饱和，大多掌子面湿润，甚至滴水，局部线状流水等，绢云母含量较高，存在一定的膨胀性。

隧道埋深相对较浅，地表水与隧道联通性较好，围岩稳定性受雨季影响明显，局部存在泥质软弱结构面，水的存在不仅使岩石强度降低，还进一步弱化结构面粘聚力，导致围岩变形增大。

5、设计标准较低
该隧道初支、衬砌设计参数较弱，隧道围岩揭示后90%设计低于围岩等级；
4 大变形处理方案
4.1 大变形处理原则
在采取变形处理技术方案时，应以“确保当前，兼顾后续”为原则。

以“自稳塌体，固结岩体”的步序逐步揭露、逐段稳固，使各种支护结构协同作用、，在实现处理坍塌、大变形的同时，加强超前支护保障后续施工。

同时，隧道坍塌、大变形后，不要急于扰动岩体及变形段，因为各种扰动对岩体稳定性有很大影响，随时可能出现小的坍塌体。

所以，要任变形段塌穴自由坍塌一段时间直至达到自然稳定方可进行下步处理。

4.2 大变形处治思路
变形段回填洞渣→ZK75+510-ZK75+505大变形后方加固→ZK75+493-ZK75+502段施做衬砌→ZK75+510-ZK75+520变形段处理→ZK75+510-ZK75+505变形段处理→变形段结构加强处理→施工掌子面。

4.3 大变形处治方案
根据青峰隧道独有的地质条件以及大变形问题，制定处理方案如下：
1、洞渣反压回填
在稳定后为保持大变形段稳定，防止继续变形的进一步发展，同时作为变形段处理的作业平台，6月1日上午利用右洞的石碴在ZK75+511-ZK75+519变形段堆填平台，平台顶面填至一台底，将二台变形段塌体流腔填死。

2、ZK75+510-ZK75+505大变形后方加固
在ZK75+505-ZK75+510段初支开裂面施做井字架临时支撑，间距为2m一榀，防止处置变形继续向后延伸。

竖向立柱下垫方木，横向支撑左右顶到初支面拱墙，竖向立柱上顶初支面拱部，与初支面接触面均用木板及木楔顶紧，后用喷射砼包住，已稳固。

3、ZK75+510-ZK75+520变形段处理
处理思路：喷射砼将变形段裂缝及初支砼开裂处封闭后打设超前管棚及小导管，注浆加固后，采用XS5b衬砌支护参数，逐榀换拱，逐榀施做φ42mm超前小导管及φ42mm径向小导管，注浆加固。

处理自小里程开始向大里程施工。

①洞渣反压及临时支撑后，对变形段裂缝及初支砼开裂处进行全方面封闭，由内到外, 由下而上, 逐段分层喷射砼,采用C20喷射砼。

②为保证后序施工安全进行超前管棚支护，同时保证目前大变形的范围内进行各种施工的安全，并作为钢拱架换拱时的支撑管架，变形面封闭后，在侵限变形段范围打设一环钢管。

钢管采用φ108钢管，环向间距200cm；长度9m、后方在ZK75+510施做；为保证钢管棚架有足够刚度，打设完成后其内压入水泥浆，浆液水灰比为1:1，注浆压力初压0.5-1.0Mpa、终压2.0Mpa。

③管棚打设完后环向施做注浆小导管、ZK75+510-ZK75+520段施做径向小导管。

环向打设φ42超前注浆小导管，间距40cm，超前注浆加固。

小导管长5.0m，外插角30度，纵向间距60cm设置一环。

径向打设φ42注浆小导管，间距40cm，超前注浆加固。

小导管长3.5m，纵向间距60cm设置一环。

小导管管壁钻设梅花孔，孔径1cm，间距15cm，导管前端做成尖状，顶进端1.0m长度内不钻孔。

注
浆采用劈裂注浆注浆终压2.0MPa，水灰比1：1，注浆材料为纯水泥浆，注浆可根据开挖体实际调整加以辅助剂。

注浆前在导管口焊接注浆阀门，每一循环喷锚时必须将挡头封死保证注浆时不跑浆。

④前期变形处理时已打设导管注浆，注浆完毕后采用风镐破除原初支砼再架立拱架。

经检查注浆效果合格后, 按照原施工参数XS5b施工，换拱间距每循环60cm，在原初支面上按设计断面采用人工持风镐开槽,开槽断面按照设计施工参数开槽，尺寸合适后及时进行喷射砼封闭。

每循环开槽后及时施工初期支护，I18工子纲，纵向间距60cm，喷射砼24cm，φ8双层钢筋网片，径向φ42系统导管长350cm，超前φ42注浆导管。

注浆结束后待注浆强度达到后，在按循环继续换拱。

4、ZK75+505-ZK75+510变形段处理
此段处理可利用现有的开挖台车施做，施做工序同ZK75+510-ZK75+520变形段处理。

此段为架立井字架段，处理时自小里程向大里程处理，处理时逐步拆除井字架临时支撑。

5、变形段结构加强处理
侵限处理换拱过程中，将台阶及时跟进，处理完成后将变形段衬砌施做完成后方可开挖掌子面。

6、监控量测
在处理过程中加密监控量测点，动态施工，通过数据指导施工。

5 安全保证措施
1、由于施工作业面存在坍塌、落石等危险，在隧道处理变形的施工过程中，务必严格控制施工人员选配，抽调技术熟练的职工组成施工工班，本着精简、干练的原则组织人员进行施工，严禁多余人等进入工作面。

2、处理施工期间，必须加强隧道内的通风、照明及材料供应的及时正常。

要有专人负责观察围岩变化情况, 如有危险, 及时通知人员撤退到安全处。

6 结语
（1）在隧道发生大变形时必须加强对隧道结构的变形观测，及时调整监测频率以对大变形进行跟踪。

（2）加强超前支护的施作质量，改善掌子面前方的围岩性质，才能有效的
减小初期支护的变形，防止大变形的发生。

（3）根据监测信息及时调整支护结构参数，在软弱围岩中的隧道施工中强支护是减少工程事故的关键手段之一。

（4）地下水的存在不仅使岩石强度降低，还进一步弱化结构面粘聚力，导致围岩变形增大。

在施工过程中必须采取有效的降水排水措施。

（5）由于周围环境的不确定性，所以在隧道施工中采用的方法和技术都应该是动态的，根据工程的自身情况和特点选择最适合的施工方法。

参考文献
1.关宝树.，隧道施工要点集[M] ，北京:人民交通出版社,，2003.
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3.JTG/T F60—2009 公路隧道施工技术细则[S]
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