隧道（洞）围岩稳定与支护的工程地质浅议

□史改利(洛阳水利勘测设计院)

□黄晓林 □高 波 □韩永楠(洛阳市河渠管理处)

一、工程概况

嵩县洛卢公路老道沟隧道，位于K16+320～K16+605里程之间，全长284m，隧道净断面尺寸为5.0m×10.5m，隧道穿越风化和微风化的安山岩地层。地表第四系覆盖不厚，时断时续，一般厚度为0～15m，其中黄土厚度为0～3m，碎石层厚为3～12m。碎石土下为风化或新鲜岩层，石质坚硬。隧道穿越不高的山梁，一般埋置深度不大，多在10～70m。本地区无大的地质结构大断裂，地下水不发育，仅有少量地表滞水和岩层裂隙水，这对隧道的施工和营运是有利的。

二、围岩应力重分布的一般特征

隧洞开挖前，岩体内任意点上的压力都是平衡的，隧洞开挖后，原来的应力平衡状态被破坏，围岩内的应力就要重新分布，至建立新的平衡状态为止。应力重新分布与岩体的初始应力状态及隧洞断面的形状等各种因素有关。

由于隧洞开挖后引起洞周边应力集中,当周边应力小于岩体的强度（脆性岩）或屈服极限（塑性岩）时，隧洞围岩稳定。否则，周边围岩首先破坏或出现大的塑性变形，并向深部扩展到一定的范围形成松动圈。在松动圈形成的过程中，隧洞周边集中的高应力逐渐向松动圈外转移，形成新的应力升高区，该区岩体挤压的紧密，宛如一圈天然加固的岩体，故称承载圈。如果岩体非常软弱或处于塑性状态，则隧洞开挖后，由于塑性松动圈的不断扩展，承载圈就很难形成。这时岩体始终处于不稳定状态，开挖隧洞就十分困难，要维持围岩稳定就要进行支撑和衬砌。

三、围岩变形破坏的特点

围岩变形和破坏失稳的形成，除与岩体内初始应力状态及洞形有关外，主要取决于围岩的岩性和结构特征。该隧洞围岩主要为碎裂结构岩体，其主要特征是岩体被各种硬性结构面（如节理）切割成大小和形状不同的分离体，其中有不规则块状的，砌体状的和碎块状的几种类型。该类岩体的破坏机制相当复杂，既有沿结构面滑移和张裂，也有结构体的剪切，张裂及塑性流动等。破裂岩体稳定强度的结构效应显著，通常随着结构体数的增加，岩体的整体强度随之降低。因此，控制该类岩体稳定性的主要因素是岩体的完整性、结构面性能及结构的强度。

块状结构围岩的稳定性，取决于岩块的形状、结构性质及岩块间咬合的程度，其变形和破坏主要表现为大块岩石冒落或滑落。

当节理切割的分离岩块出露于拱顶时，尖棱朝下的楔形体，较尖棱朝上者稳定，若上述楔形岩块出露于侧壁时，其稳定性与上述情况相反。

砌块状结构围岩的变形和破坏特征还受产状的控制。一般在开挖后，顶拱砌块将发生松弛下沉。如砌块间摩阻力较小时，则拱顶岩块将塌落形成梯形或三角形的塌落拱，否则下沉不再继续发展。

碎块状围岩较少,其主要特征是结构面密集杂乱，从而导致岩体完全解体。这类岩体的不良作用非常明显，岩体具有塑性和流变特征。

四、对围岩稳定的设计措施

在隧洞设计中，曾广泛应用普洛托基雅克夫的理论计算山岩压力。该隧洞采用“新奥法”设计理论。“新奥法”设计理论与“普氏”的平衡拱理论（塌落拱或压力拱）相比，有显著的不同。平衡拱理论认为塌落拱内岩体的重量就是垂直的山岩压力，并作为衬砌设计时考虑的主要荷载。“新奥法”是在隧洞开挖后，围岩大量变形以前适时进行支护，其作用是密封岩面，防止围岩风化。粘结和充填岩层裂隙，防止围岩松动，围岩与支护在共同变形的过程中，逐渐稳定，达到主动加固围岩，提高其强度和完整性。有效地控制和调整了围岩应力的变化，充分发挥了围岩自身的承载能力，因而将围岩从荷载转变为具有一定承载能力的结构。

五、对隧洞围岩的支护

隧洞围岩的松动圈一旦形成，围岩就会坍塌或向洞内产生大的塑性变形，要维持围岩稳定就必须进行支护。由20世纪50年代喷锚支护技术发展而来，对围岩稳定，广泛采用喷射混凝土的连续支护。本隧洞采用“新奥法”设计方案，开挖后，适时有效地对围岩表面喷射5cm厚ZP型早强混凝土，密封岩面，防止围岩风化。必要时，先在拱部布设钢插管，予注水泥浆。围岩表面喷射5cm厚ZP型早强混凝土，作为临时支护。由于围岩的变形和破坏有一发展过程，所以，待间隔一定时间后，再布设格栅钢架、砂浆锚杆、边墙钢筋网等设施，然后按设计要求，复喷25cm厚混凝土，承受围岩压力和自身荷载，复喷混凝土作为永久支护。待隧洞喷射混凝土支护后，利用全断面钢模台车进行模注混凝土衬砌30cm厚，该层混凝土仅承受特殊荷载和安全储备。实践证明，将喷锚支护与现浇混凝土衬砌相比，如喷锚支护作为永久支护时，可减薄混凝土衬砌厚度50%左右，节约水泥1/2～1/3，缩短工期1/2～1/3，减少劳动力和投资1/2以上。不需要安装模板和进行回填灌浆，操作方便，施工安全。

六、隧洞现场检控量测及计算

本隧洞采用“新奥法”设计施工，在施工中为掌握围岩和支护的力学动态及稳定程度，以及确定施工工序，保证施工安全，所以在现场进行监控量测是十分必要的。

通过收敛计、罗盘、水平仪、水准仪等工具，针对岩性结构面产状及支护裂缝、周边位移、拱顶或地表下沉等项目的观察及量测，经有关数据的分析处理与必要的计算和判断后进行预测和反馈，以保证施工安全和隧洞稳定。

根据现场量测数据及时绘制位移—时间曲线。曲线的时间横坐标下应注明施工工序和开挖面距量测断面的距离。当位移—时间曲线趋于平缓时，应进行数据处理或回归分析，以推算最终位移变化规律。当位移—时间曲线出现反弯点，即位移出现反常的急骤增长现象，此时表明围岩和支护呈不稳定状态。通过周边任意点的实测相对位移或用回归分析推算的最终位移值均应小于表内所列数据。

隧道（洞）周边允许相对位移值表

七、结束语

根据“新奥法”设计方案，开挖后，适时有效地对围岩进行表面初喷及复喷混凝土，达到密封围岩和承受围岩压力及自重荷载的目的。它与现浇混凝土衬砌相比，可以减薄混凝土衬砌厚度 50%左右，节约水泥1/2～1/3，缩短工期1/2～1/3，减少劳动力和投资1/2以上。不需要安装模板和进行回填灌浆，操作方便，施工安全，因此，认为这种“新奥法”设计可以进一步推广。