双三隧洞环境软岩变形特性分析与施工预处理措施

崔健，李莉

（1.新疆天合环境技术咨询有限公司，新疆乌鲁木齐830063；2.新疆新水建设工程咨询有限责任公司，新疆乌鲁木齐830000）

1 工程概况

双三软岩隧洞全长26km，埋深90～130m，设计洞径5.4m，纵坡1/5000。隧洞主要采用盾构法掘进施工（或钻爆法施工）。

2 区域地质

2.1 地形地貌

双三软岩隧洞位于准噶尔盆地东部边缘北塔山山前冲洪积平原区，总地势由北高南低，东高西低，地形较平坦，海拔高程750～770m，相对高差5～20m，为干燥戈壁荒漠地貌。

2.2 地层岩性

双三软岩隧洞段通过的地层岩性主要为软质岩和松散层两大类：

（1）侏罗系（J）砾岩、砂岩夹泥岩（桩号66+836～71+349m），其中：桩号66+836～68+062m段隧洞穿过的地层岩性为中侏罗统（J2）钙质胶结砂岩、砾岩，该段为Ⅳ类围岩，长度1.23km；桩号68+062～71+349m段隧洞穿过的地层岩性为上侏罗统（J3）泥质砂岩、泥炭质粉砂岩夹钙质砂岩，该段为Ⅴ类围岩，长度3.29km。

（2）白垩系（K）泥岩、砂岩（桩号71+349～79+209m），长度7.86km，为Ⅴ类围岩。

（3）第三系(N)泥岩夹砂岩（桩号79+209～89+273m），长度10.064km，该段为Ⅴ类围岩。

（4）第四系（Q3）含土角砾（桩号89+273～90+468m），长度1.195km，为Ⅴ类围岩。

（5）第四系（Q3）含土角砾（桩号102+946～105+263），长度2.319km，为Ⅴ类围岩。

2.3 地质构造

双三软岩隧洞段在区域构造上受准噶尔优地槽褶皱带的控制，断裂构造线的走向以290°～320°为主。沿线自西向东主要发育1条区域性大断裂：纸房断裂（f92），走向NW、倾角72°、破碎带宽度30m，最宽100m，其次还发育有2条规模不等的次级断层。经统计，双三软岩隧洞段通过的3条断层破碎带累计长度0.25km。

2.4 水文地质条件

双三软岩隧洞段沿线无河流通过，区内地表水贫乏，地下水主要接受北塔山冰雪融水补给，其次为大气降水补给，北塔山盐池是地下水排泄区。孔隙潜水主要分布于北塔山盐池盆地的覆盖层内，水位埋深一般1～3m。下部基岩裂隙水一般高于洞顶40～70m，没有统一的地下水位。由于当地蒸发量远大于降水量，地下水矿化度都高，并形成卤水。

3 主要环境工程地质问题

3.1 软岩变形问题

双三软岩隧洞段中，泥岩具有一定的膨胀性，遇水软化，砂岩遇水崩解，围岩变形较大，自稳能力差，尤其是在开挖过程中，当遇到断层、含水砂层时，施工风险较大。若初期支护与永久支护间隔过长，则会存在软岩大变形问题，初期支护结构可能会发生破坏。应做好合理隧洞断面预留变形量设计，防止变形侵占设计衬砌断面。

3.2 外水压力问题

双三软岩隧洞段附近有盐湖聚集，且泥岩遇水软化，砂岩遇水崩解，含土碎石透水性强。不同地层围岩特性、渗透性不同，加之地下水位的差异，以及隧洞埋深的不同，则对隧洞结构的综合外水作用也会有所差异，衬砌施工后外水渗流场对岩石及衬砌结构将有较大的影响。因此，研究外水压力对衬砌结构的设计和永久安全运行有着重要的意义。

3.3 突涌水问题

双三软岩及含土碎石洞段，均处于地下水位以下，埋深大，含水率高，透水性强，开挖过程中可能会出现突涌水、突泥、流变现象，洞室稳定性难以控制。隧洞突涌水是区域水文地质条件与隧洞施工扰动综合作用的结果。隧洞开挖形成了自由排水面，原有地下水运移系统的平衡状态遭到破坏，不但导致渗流加速，也加剧了地下水对围岩的改造作用。在渗流与围岩的耦合作用下，易形成贯通的水流通道，诱发隧洞渗透型突水。因此，对隧洞突水机理分析，避免或减少施工过程中可能发生的突涌水灾害事故具有极大的指导作用。

4 软岩变形特性试验及数值试验

4.1 软岩软化特性试验

为掌握各类软岩在不同含水条件下的力学性质和软化特性：可采用单轴压缩试验法测定软岩抗压强度，劈裂法测定软岩抗拉强度，直剪法测定软岩抗剪强度；还可采用德国DOLI公司EDC全数字伺服测控器、自平衡压力仪、轴向和径向变形引伸计等技术，并配合声波检测系统，可进行复杂应力条件下的单、三轴压缩试验、剪切试验、疲劳试验、流变试验和实时声波检测。通过统计拟合，可获得不同岩性、不同含水率下软岩力学性质的软化规律。

试样采用圆柱形(∅50mm×100mm)，根据岩性和位置选取6个断面，每个断面分5组试样进行不同岩性、不同含水率下的软化特性试验（初始含水率下限、平均含水率下限、平均含水率、平均含水率上限、饱和含水率），每组11个试样进行（单轴压缩、直剪试验、劈裂抗拉）试验。

含水率采用烘干法测量，天然含水率试样应现场非爆破采集，且在采集和运输储存制样过程中，应保持天然含水状态。试样饱水采用自然吸水饱和，即先将试样放入水槽，注水至试样高度的1/4处，以后每隔2h分别注水至试样高度的1/2和3/4处，6h后全部浸没试样，试样全部浸入在水中吸水一定时间后进行试验。

4.2 软岩耦合流变特性试验

软岩耦合流变特性试验，可采用软岩流变试验仪或经过改装的三轴或单轴直剪仪上进行蠕变或松弛试验，分析软岩流变过程中的应力—应变、应力—时间、应变—时间全过程变化曲线，掌握软岩的变形、强度以及破坏特征。软岩破坏前后微观结构分析，拟采用CT扫描仪或SEM电镜扫描进行，了解破坏前后结构变化规律。

试样采用圆柱形(∅50mm×100mm)，根据岩性和位置选取6个断面，每个断面分2组（初始含水率下限、饱和含水率）进行试验，每组6个试样进行单试样围压（围压分别为0、1、2、4、8、16MPa）、轴向偏应力分级加载的三轴软岩流变特性试验。

确定加载应力水平，待变形稳定后进行下级加载，保持恒定应力为48h或72h，加载速率为0.37MPa/min。施加偏应力阶段，首先预加载试验机压头与试样上端面接触；其次施加分级偏应力并保持恒定，测试应变随时间的改变；重复操作，直至试验产生流变破坏。由此归纳、总结出岩石流变力学特性。

4.3 软岩隧洞变形机理与控制对策

根据上述岩性和位置选取6个断面，进行软岩隧洞数值试验研究。首先对于软岩隧洞的变形机理进行研究，主要研究软岩应力释放、变形、支护时机，分别对围岩稳定性的影响和相互关系。其次对盾构法和钻爆法适应性和风险性进行分析评价。最后分别对2种开挖方式下的支护体系提出建议。

对于盾构法，各洞段段开挖洞径、支护参数、支护时机、预留变形量、围岩变形时效、塑性区开展、围岩加固措施、管片技术参数（管片厚度、配筋、壁后注入材料、灌浆的时机）等提出建议。

对于钻爆法，各洞段开挖洞径、支护参数、支护时机、预留变形量、围岩变形时效、塑性区开展、围岩加固措施、衬砌结构参数等提出建议。

4.4 软岩隧洞渗流分析

渗流计算主要研究不同地层、不同岩性、不同渗透特性、不同水文条件下的渗流场，从而提出合理的外水折减系数及外水压力，并对富水区辅助施工措施进行建议。

渗流计算拟采用FLAC3D有限差分程序计算，具有强大的力学、渗流计算功能，内置丰富的弹、塑性材料本构模型，有静力、动力、蠕变、渗流、温度5种计算模式，且各模式间可以相互耦合，以模拟各种复杂的工程力学问题。通过渗流分析，对隧洞不同水头压力下的结构设计支护体系提出建议。

5 软岩隧洞施工预处理措施

软岩隧洞工程的建设关键是在于控制周边围岩的渗透水量、减小开挖对围岩的扰动、控制隧洞周边围岩及开挖工作面围岩的变形、初期支护和及时封闭等。为此，可采用以下的工程措施：超前预报—超前支护—注浆防渗—开挖掘进—联合支护—监控量测。

5.1 超前预报

通过超前预报，及时发现异常情况，预报掌子面前方不良地质体的位置、产状及其围岩结构的完整性与含水的可能性，为正确选择开挖断面、支护设计参数和优化施工方案提供依据，并为预防隧洞突涌水、突泥等可能形成的灾害性事故及时提供信息，使施工单位提前做好施工准备，保证施工安全。因此，开挖前详细了解和掌握地质情况，对于隧洞建设有着十分重要的作用。

（1）水平钻孔。在隧洞内采用水平钻进，利用钻孔岩芯、孔内电视、声波波速来探明掌子面前方50～120m范围内的围岩条件、地下水富水性等，从而可掌握开挖面前方的地质情况。钻孔数量、角度及深度可视具体情况来确定。

（2）TST超前预报技术。通过可视化地震反射成像技术，可较准确预报隧洞掌子面前方100～150m范围内的断裂破碎带、影响带以及岩体工程类别变化等地质对象的位置、规模和性质。该方法充分运用地震反射波、散射波的运动学和动力学特征，具有方向滤波功能、岩体波速扫描、地质构造方向扫描、速度偏移成像、吸收系数成像、走时反演成像等多种功能，从岩体的力学性质、岩体完整性等多方面对地质情况进行综合预报。

（3）三维激发极化超前探水技术。三维激发极化超前探水技术，是通过向掌子面前方供入电流来建立激发电场，含水体中的正负离子会发生反向扩散迁移及恢复的过程而产生二次极化电场。激发电场关闭后，通过测量极化电场衰减时间和视电阻率来判断探测区域电阻率的分布情况和含水体位置等信息。据此判断掌子面前方一定范围内有无含水构造。

5.2 超前支护

超前支护是保证隧洞工程开挖工作面稳定而采取的超前于掌子面开挖的辅助措施。采用超前支护可有效地保障施工质量和安全。

（1）超前锚杆或超前小钢管，一般长3～5m，用于锚固前方围岩，搭配钢架施用。

（2）超前管棚，用于锚固前方围岩，适用于特殊困难地段，搭配钢架使用。管棚所用钢管一般选用直径70～180mm，壁厚4～8mm无缝钢管，管节长度视具体情况而定。短管棚超前支护，采用长度小于10m小钢管；长管棚超前支护，采用长度10～45m且较粗钢管。

（3）超前注浆，是利用浆液把围岩周围的各种软弱面充实、重新胶结起来，改善围岩的物理力学性能，从而提高围岩的整体稳定性、抗渗性和强度的有效方法。

超前小导管注浆，沿开挖外轮廓线向前以一定角度打入管壁带有小孔的导管，且以一定压力向管内压注起胶结作用的浆液，待其硬化后围岩得到预加固。

超前深孔注浆，目的是加固地层、封堵水源，适用于特殊困难地段。其机理是依靠浆液压力，将破碎围岩或粘土层压裂成缝用浆液充填、固结，通过压密作用达到加固和堵水作用。

5.3 帷幕注浆

帷幕注浆是用液压或气压将能凝固的浆液按设计的浓度通过特设的注浆钻孔，压送到规定的岩土层中，填补岩土体中的裂缝或孔隙，改善注浆围岩的物理力学性能，从而提高围岩的整体性、抗渗性和强度，按其功能不同可分为防渗注浆和加固注浆。

对于富水段，应采用超前探孔查明地下水涌水量、压力大小、化学性质及水温等，在此基础上决定注浆设计参数（注浆液的选用、注浆范围、注浆压力、配合比、胶凝时间、注浆量、注浆孔布置、注浆顺序和注浆方式等）。

5.4 盾构掘进

双三软岩隧洞若采用盾构法施工，则断面为圆形，圆形管片支护后过流洞径4.5m。该软岩洞段埋深在90～130m之间，岩性为侏罗系砾岩、砂岩及泥岩；白垩系泥岩夹砂岩；第三系泥岩夹砂岩；第四系含土碎石，围岩类别为Ⅳ-Ⅴ类。在盾构掘进过程中易发生塑性变形、突涌水、突泥、流变现象，洞室稳定性难以控制。因此，应选择合理的盾构掘进机械，是保证洞室围岩的稳定和支护结构的安全关键因素。

盾构隧洞施工法：是指一边控制开挖面及围岩不发生坍塌失稳，一边进行隧洞掘进、出渣，并在机内拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆，不扰动围岩而修筑隧洞的方法。由于盾构一般使用于以土为围岩的隧洞工程施工中，与岩石围岩不同，土体不具有自稳能力，所以保持开挖面稳定的系统(盾)就非常重要。按平衡开挖面可分为：土压平衡式、泥水平衡式等。双三软岩隧洞段侏罗系、白垩系泥及第三系地层适合于土压平衡式盾构；第四系含土碎石洞段适合于水压平衡式盾构。

5.5 钻爆开挖

双三软岩隧洞若采用钻爆法开挖，则断面为马蹄形，开挖洞径5.4m，钢筋混凝土衬砌过流洞径4.2m。

（1）全断面开挖法：是按照设计轮廓一次爆破成形，然后修建衬砌的施工方法。开挖断面与作业空间大、干扰小；有条件充分使用机械，减少人力，工序少，对围岩扰动少，有利于围岩稳定。该种方法主要适合于硬质岩地层，对于双三软岩地层，围岩易发生变形，因此需边开挖边衬砌，及时封闭仰拱。

（2）台阶开挖法：又有正台阶法和反台阶法之分。正台阶法系在稳定性较差的岩层中施工时，将整个隧洞断面分为几层，由上向下分部开挖，每层开挖面的前后距离较小，而形成几个正台阶；反台阶法则用于稳定性较好的岩层中施工。

（3）环形开挖留核心土法。环形开挖进尺宜为0.5～1.0m，核心土面积应不小于整个断面面积的50%。开挖后应及时支护、挂网、喷锚施工，并增设锁角锚杆。

（4）双侧壁导坑法一般将断面分成4块，左、右侧壁导坑、上部核心土和下台阶。双侧壁导坑法施工安全，但速度慢，成本较高。该方法主要适用于粘性土层、砂砾石层地层。

（5）交叉中隔壁法(CRD法)是将大断面隧洞分成4个相对独立的小洞室分部施工。CRD工法遵循“小分部、短台阶、短循环、快封闭、勤量测、强支护”的施工原则，自上而下，分块成环，随挖随撑，及时做好初期支护。

5.6 爆破控制

隧洞开挖采用钻爆法开挖,为保证开挖轮廓成型质量,岩面平整,减少围岩扰动,增强围岩的自身稳定能力,保护围岩不被破坏,减小安全隐患，宜采用光面爆破。

光面爆破是通过调整周边眼的各爆破参数,使爆炸先沿各孔的中心边线形成贯通破裂缝,然后内围岩体裂解,并向临空面方向抛掷。这种爆破在围岩中产生的裂缝较少,使爆破后的岩石表面能按设计轮廓线成型,表面较平顺,超欠挖很少。光面爆破的成功主要取决于爆破参数的确定（周边眼间距、光面层厚度、炮眼密集系数、炮眼深度、装药量、炮孔数量）。

光面爆破对围岩扰动小,围岩壁面平整，又尽可能保存了围岩自身原有的承载和稳定能力,有利于衬砌结构的受力状况，为初期支护和二次衬砌缩短工期，节省投资。

5.7 监控量测

双三软岩隧洞，泥岩具有一定的膨胀性，围岩变形较大，自稳能力差，尤其是在开挖过程中，当遇到断层、含水砂层时，施工安全风险较大。若初期支护与永久支护间隔过长，则会存在软岩大变形问题，所以要做好变形监控量测工作。隧洞内监控量测，主要是量测净空收敛、拱顶下沉和围岩变形以及支护结构受力等，通过变形速率和变形大小及支护受力来判断隧洞是否处于安全状态。主要采用下列方法：

收敛仪：是利用机械传递位移的方法，将2个基准点间的相对位移转变为数显位移计的2次读数差。

多点位移计：是由位移计组、位移传递杆及其保护管、减摩环、安装支座、锚固头等组成。适用于长期埋设在隧洞等结构物内，测量结构物深层多部位的位移、沉降、应变、滑移等。

钢筋计：适用于长期埋设在水工结构物或其它混凝土结构物内，测量结构物内部的钢筋应力。加装配套附件可组成锚杆测力计、基岩应力计等测量应力的仪器。