探析松散地层对隧道预支护工程影响

刘 永 行

(1.西安科技大学，陕西西安 710054; 2.延安大学基本建设处，陕西延安 716000)

在公路、铁路和既有建筑物等结构物下面修建公路、铁路、地铁，在软弱地层或不良地质条件下修建山岭隧道等工程时，在目前的技术条件下多采用暗挖施工的方法。当隧道的覆盖层较薄且地面荷载较大时，为了保持隧道掌子面、地表的稳定、支撑荷载及防止隧道开挖面因崩塌而影响到地表的工程，一般采用超前支护的方法对开挖面前方的土体进行预加固。因此，探寻松散地层对隧道预支护工程影响，具有重要的理论意义和实际工程意义。

1 松散地层概述

1.1 松散地层的概念

松散地层是指粘结性差、强度低、易风化、有时遇水膨胀、自稳能力差的岩层，它具有破碎、软弱、松散、膨胀、流变、强风化蚀变等特点。国内外学术上，对松散地层的认识存在差别，缺乏充分科学的统一的标准，但其特征都是相对于致密、坚硬、支护容易的岩体而言的松、散、软、弱，为了本科学发展，有待于更深层次学术交流和名词统一。

1.2 松散地层的判别和分类

松散地层是一种典型软弱围岩之一，节理和裂隙比较发育，岩体被切割得很破碎，结构面对岩体的变形和破坏不起作用，其围岩可分为工程软岩和地质软岩。

依据围岩的工程性质主要是强度与变形两个方面，从岩体结构、岩石的物理力学性质、原始地应力和地下水有关因素，可以判别两者:工程软岩是指在工程力作用下产生明显塑性变形的工程岩体，主要强调软岩强度和工程力荷载的关系，体现了软岩的相对实质，即取决于工程力和岩体强度的相对关系;而地质软岩是指强度低、胶结程度差、孔隙度大、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物的岩层，主要强调岩体或者土体的具体情况，形成原因。两者并非对立的关系，在一定条件下，松散地层中的围岩既可能属于工程软岩，又可能属于地质软岩。

2 松散地层变形破坏的机理和力学性质

2.1 松散地层变形破坏机理

松散地层中充斥着破碎的围岩，其变形破坏的机理主要表现在以下方面:1)破碎围岩由于自身结构问题，其不能承受拉应力，而且整体抗压强度也很低，所以松散地层的隧道开挖后围岩稳定性很差，支护力度不够，极易失稳破坏;2)松散破碎围岩的特征是裂隙发育较多，各种结构面互相交织、随机分布，而且无明显方向性。在理论研究和局部工程实际问题中，运用实际复杂物体模型化将其近似看作是各向匀质的连续体来对待;3)若将破碎岩体在局部近似看作连续体研究时，岩体的力学性质总体上将会表现出一定的弹塑性特征，使其应力引起岩体破坏、滑移后，并且随着变形的发展保持一定的强度和强化特性。

松散地层围岩破碎，其破坏机理是与其力学性质有着紧密联系的。隧道围岩的破坏，主要由三方面引起:围岩的卸荷回弹、应力重分布和地下水的重分布。围岩的变形破坏一般由隧道开挖部分开始逐渐向围岩深处扩展，在一定深度范围内形成松动圈，同时围岩中的应力在这个过程中得以重分布，浅部围岩应力，高应力区向围岩深部转移。在影响隧道围岩变形破坏的诸多因素中，围岩的性质和结构是主要因素。如当围岩较为坚硬时，其容易发生岩爆、块体滑移和脆性开裂等。对于层状岩体，破碎岩体，其又有着自身独特的特点。

2.2 松散地层的预支护

2.2.1 松散地层的特征

根据对松散地层性质和机理的分析，可以看出在这种地质条件下进行隧道的开挖，需要在掌子面之前对岩体或者土体进行预支护，以保证施工中围岩或土体的稳定和施工的安全，是十分必要的。根据预支护对周围地层的影响，地层改良法相对预支护加固法就是通过提高掌子面周围岩体的物理特性来提高围岩的强度和稳定性的方法。这种方法主要有:围岩加固、注浆、射流注浆、排水和地层冻结等方法。预支护加固法就是在隧道掌子面开挖前，先对围岩进行超前支护，增加周围岩体的强度和稳定性，使开挖面周围应力尽可能不受隧道开挖的干扰，防止掌子面施工时围岩参数降低过多发生意外的方法。

多年的隧道施工技术发展让广大工程技术人员看到，在巷道或隧道工程中，松散破碎围岩的支护问题一直是一个技术难题，因为在实际工程中其有着各种不同的特征。

1)围岩的变形量大，速度快，持续的时间长。2)在地质条件复杂伴有粘土类软弱物质时，其表现为一定的粘性，且围岩受力与变形速率有关。3)松散破碎围岩在埋深较大时，由于其侧压力较大、围岩裂隙大量发育、强度受各种结构面影响较低，而综合表现为弹塑性变形。4)围岩的自稳时间较短，应力释放快。松散地层的隧道自稳时间仅为几十分钟到几个小时，围岩应力释放较快，所以一般要超前支护。5)围岩四周来压，底鼓明显。在松散岩层中则是隧道四周都有来压且底鼓明显。松散岩层由于结构较为疏松、强度低，所以难以支撑隧道顶部岩层的重量，围岩在岩层自重的作用下，以垂直变形为主。6)当松散地层中具有各种软弱面时，其变为非连续介质。隧道开挖后围岩平衡状态被破坏，导致围岩中原有的软弱面进一步发展，产生新裂隙，围岩应力重分布，这导致隧道支护后很长一段时间内变形依然存在，给隧道施工和后期运营中的稳定和安全造成了一定的危险和挑战。

从松散地层的特征可以看出，对于这种地质条件，应从多方面入手进行控制以确保工程的安全，而预支护就是一种十分必要的而且有效的手段。

2.2.2 松散地层预支护

松散地层的预支护以常用的设计理论为基础，分析了隧道围岩自承力、支护抗力和围岩原始内力三者之间的力学关系，反映了隧道围岩和衬砌结构体系在开挖与支护过程中的相互作用。隧道开挖后，洞周围岩在径向一定范围内应力得到释放，浅部围岩应力重分布，高应力区向深部围岩转移。根据新奥法充分发挥围岩自承能力的思想，围岩预支护力由支护结构体系的承载力和围岩支撑力两部分组成，即:

其中，F为预支护力，kN;T为支护体系施加的支护抗力，kN;P为围岩自承力，kN。

由此看出，在松散地层中，围岩较为松散破碎，变形较大，支护难度较高，如果一味依靠支护结构体系的承载力来维持隧道的稳定，不但支护能力有限，而且支护费用高效率低，故在这种地质条件下的预支护应充分发挥围岩的自承能力。

不同条件的围岩，其自承能力不同，对于松散地层的岩体，在预支护中应充分考虑其破碎，承载力差的具体特点，支护结构体系采用刚性支护，使围岩压力更多的由支护结构体系来承担，根据具体工程情况有限度地让围岩来分担支护体系上的承载力。松散地层岩体的破坏具有围岩松弛时间短等特点，所以支护要快速、提前，这体现了这种特殊的地质条件下预支护的必要性。破碎围岩自承能力差，隧道开挖后短时间之内就可能发生很大变形，围岩极限承载力也较低，容易发生冒顶，洞室坍塌等。

另外，松散地层的破碎围岩经过及时的预支护后，合理控制和保持初期预支护的强度十分重要。围岩条件差，开挖后短时间内应力大量释放，支护结构上荷载较大，若支护结构的承载力不能及时达到一定强度，会导致支护结构体系变形。所以，对于松散地层的隧道，设计预支护时，要遵循初次支护强，二次衬砌做储备的理念。

3 结语

对工程中常见的松散地层的概念、破坏机理和力学性能、变形特征和预支护方法进行了详细分析和论述，由此可以得出以下结论:1)松散地层地质条件较差，其破坏主要是由于其自身的地层构造和围岩的结构特点导致的。地层中含有软弱夹层，围岩较为破碎，结构面大量发育，整体强度低稳定性差，是工程中较难支护的一种情况。2)松散地层有着其独特的特征，主要是其围岩自稳时间短，应力释放速度快，变形量大，持续时间长，隧道四周均存在较大围压等。这些特点导致了其在工程中难以支护。3)根据对松散地层的分析可以看出，在这种地质条件下，隧道开挖前预支护是十分有必要的，对提高围岩强度、控制围岩稳定性、合理释放围岩压力、有效减小围岩中裂隙发展有着十分显著的作用。4)在松散地层条件下预支护，要把握其强度低，松散破碎的主要特点，有针对性的提出支护方案，支护时间要早，初期支护要强。

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［2］刘艳青.软岩隧道围岩压力的位移直接反演研究［D］.北京:北方交通大学，2000.

［3］薛顺勋.软岩巷道支护技术指南［M］.北京:煤炭工业出版社，2001.