软岩隧道变形控制机理及其支护技术研究

张吉昌 梁东伟

摘要：软岩隧道大变形难控制的特点一直是施工过程中的难点，特别是隧道刚开挖完后，在隧道周围形成松动圈，如若隧道初期支护强度不能有效的抵抗围岩变形，那么软岩隧道开挖后将会出现持续变形的现象。如果这种持续变形不能有效的抑制，隧道变形量就会超出原设计的預留变形量，这时隧道二次衬砌施工后隧道的原设计净空变小，隧道的施工质量就会受到影响，同时软岩隧道的大变形给隧道施工带来巨大的安全隐患，严重的影响了施工进度，因此研究软岩隧道大变形机理，提出一种有效的初期支护技术来快速有效的抑制软岩隧道的持续变形至关重要。本文以渑池—垣曲高速公路中某隧道中的一段软岩段为研究对象，分析了该软岩段隧道的变形机理，并提出了一种“双网+锚喷”的高强初期支护技术，并通过现场试验验证了该支护技术的有效性。

关键词：软岩隧道；松动圈；持续变形机理；双网+锚喷高强初期支护

中图分类号：文献标识码：A

1 绪论

近年来随着我国交通工程基础建设的飞速发展，高速公路作为其重要组成部分也取得了长足的发展。在高速公路建设中，隧道在工程规划、设计和施工中越来越多的受到人们的亲睐，同时经济安全的隧道施工也越来越受到人们的重视。随着我国修建隧道范围不断扩大，在修建过程中会遇到各种各样的地质环境，特别是当遇到岩溶、断裂带、高地温、高应力、软弱围岩等不良地质段时，隧道能在保证安全的情况下经济有效的贯通是研究的重要课题。对于穿越软岩段的隧道来说，持续变形难抑制的特点一直是困扰施工单位的难题，主要原因是软岩隧道开挖后，围岩自身强度比较低，自稳能力比较差，如果不采取有效的方法快速抑制隧道的持变形，将给隧道后期的施工乃至交竣工验收带来严重的影响。[1]本文以渑垣高速公路中的某隧道为研究对象，重点分析了软岩开挖后发生大变形的机理，并提出了“双网+锚喷”的高强初期支护技术，分析了该支护形式的作用机理，并通过现场工业性试验验证了该初期支护形式在快速有效抑制开挖后软岩隧道持续变形中的效果。

2 工程概况

该隧道区属山岭地貌，地形起伏较大，植被较发育，该隧道长度为1100m，隧道岩层产状为240°∠5°，隧道走向为173°，隧道进洞洞身段围岩主要为强风化～中风化砂质页岩和石英砂岩，块状或层状，根据根据洞深和风化程度，围岩强度等级低，并且遇水后围岩软化情况比较严重，围岩定级主要为IV级，为典型的软岩隧道。隧道洞身主要结构面为岩层产状和节理裂隙，节理裂隙多倾斜，围岩在开挖后自稳能力比较差，需要采用有效的支护方式进行支护。

3 软岩隧道开挖后发生持续变形的机理分析

3.1 围岩松动圈发生机理

软岩隧道周边各点在隧道未开挖之前，其所处的应力状态为三向压应力状态，由于三个主方向的应力值

SymbolsA@ 1、

SymbolsA@ 2、

SymbolsA@ 3数值相差不大，根据岩石破坏的强度准则（库仑—纳维尔准则）可知[2]，岩体不会发生破坏。

当隧道开挖后，一方面因隧道周边地应力重新分布发生应力集中，

SymbolsA@ 1数值巨增，另一方面

SymbolsA@ 3数值降低为0，距周边较近的位置

SymbolsA@ 3也同样会降低至很小的数值，根据公式（1），在隧道围岩强度较弱的情况下，公式左边的数值就会超过公式右边的数值，从而导致围岩破裂，形成围岩松动圈。

[JZ（][XCimage206.tif；E+4.002mm。47.372mm]〖JZ）〗〖JY〗（1）

3.2 软岩隧道开挖后松动圈发展机理

软岩隧道开挖后在其周围形成松动圈，处于松动圈范围内的破碎岩体传递地应力的方式发生很大变化，原先由该部分岩体传递的地应力，绝大部分改道松动圈外围的稳定岩体进行传递，该部分岩体在力学作用方面的表现也相应地转化为对外围稳定岩体的支撑作用。此时松动圈外围的稳定岩体因松动圈范围内的岩体退出了绝大部分原始地应力的直接传递而担负起本应由松动圈范围内的岩体和开挖前隧道内的岩体传递的地应力，即稳定岩体的内缘发生应力集中。应力集中的结果是下图中的

SymbolsA@ 1数值大幅增加，当图中的

SymbolsA@ 3数值不能保证足够大的话，稳定围岩内缘的岩体将继续发生破坏，导致松动圈范围的继续增大，而松动圈范围的扩大又将导致稳定围岩内缘应力集中程度的进一步提高[45]，从而导致软岩隧道的自稳能力下降，导致隧道发生开挖后发生持续变形现象。

[JZ][XCimage207.tif]

[BT6]图1 软岩隧道围岩质点应力状态之间关系示意图

4 软岩隧道大变形控制及“双网+锚喷”初期支护作用机理〖ST〗

4.1 软岩隧道松动圈控制机理

在支护有效的情况下，伴随着松动圈的发生与发展，松动圈内岩体的碎胀力会急剧上升，此时图1中的

SymbolsA@ 3数值将大幅增加，且增长比率会远大于

SymbolsA@ 1数值的增长比率，这样一来，松动圈外围边界的岩体很快就会满足公式（1）的要求，于是松动圈就不会再继续扩展下去，隧道的变形也就会停滞下来。由于松动圈范围得到了控制，外围稳定岩体中应力集中的程度就得到了有效控制，此时松动圈与稳定岩体交界面边缘的切向应力和松动圈内的碎胀力也就稳定了下来，支护结构所承受的压力也就不再继续增加。

4.2 “双网+锚喷”初期支护作用机理

隧道开挖后围岩应力状态变为二次应力状态，一般情况下隧道开挖后采用拱架初期支护就能有效的控制隧道的变形，但对于该软岩段隧道来说，采用拱架支护后围岩变形很大，初支拱架在松动圈碎胀力作用下发生扭曲，这时根据软岩隧道变形原因及控制松动圈扩展原理，提出一种“双网+锚喷”高强初期支护（图2），该支护作用机理为：隧道第一层初支施工后，隧道碎胀力作用在第一层网上，由于隧道周围围岩的自稳能力较差，隧道发生较大的变形，这时第二层网开始承担其抵抗隧道变形的能力，这样就提高了

SymbolsA@ 3数值（图1），使公式1左边小于右边，使隧道周围的松动圈得到抑制，同时初支两层网之间的混凝土在双层网的作用下强度也明显提高，这样软岩隧道周围的松动圈就得到控制，隧道大变形被有效抑制。

5 现场监测

该隧道软岩段采用“双网+锚喷”高强初期支护后，其累计变形量如下图3所示，隧道刚开挖后采用单层网支护，短短两天隧道累计变形量就达到9cm左右，变形比较大，施工方马上调整支护方案，在原有支护的基础上又加一层锚网，施工完后隧道变形马上受到的较好的抑制，并趋于收敛。

6 结论

（1）软岩隧道开挖后在其周围形成松动圈，处于松动圈范围内的破碎岩体传递地应力的方式发生很大变化，当隧道的初期支护强度不能够抵抗松动圈围岩的碎胀力时，隧道周围松动圈就会不断扩展，这样软岩隧道就会出现持续变形的现象。

（2）通过分析围岩松动圈扩展机理提出了一种快速抑制软岩隧道大变形的支护形式，及“双网+锚喷”高强初期支护，该支护通过双层网来抑制软岩隧道的松动圈碎胀力，同时双层网中间的喷射混凝土在双层网作用下处于双向应力状态，使其强度大幅提高，并通过现场监测论证了该支护形式的有效性。

参考文献：

[1]隧道工程施工管理现状及对策分析[J].科学时代，2015，（05）：170.

[2]刘从友.薄层软弱岩体流变研究[J].山西建筑，2016，（30）：8182.

[3]董海龙.软岩巷道蠕变过程的动态仿真模拟研究[D].淮南：安徽理工大学，2014.

[4]吴庆东.地下水封洞室围岩松动圈范围测试分析[J].土工基础，2013，（2）：128131.

[5]兰付岭.主动支护与被动支护有机结合的原理分析[J].科技创新导报，2010，（32）.

[6]刘鹏祖.论防治隧道软岩大变形的技术研究[J].城市建设理论研究（电子版），2014（19）：179.