談軟巖隧道支護設(shè)計優(yōu)化

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摘要：隨著社會、經(jīng)濟的發(fā)展，我國對于特殊地質(zhì)隧道的支護設(shè)計研究有了更高的要求。我國有廣闊的疆土面積，并有復雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此，隧道工程建設(shè)也經(jīng)常會遇到很多特殊地質(zhì)的問題。此時，必須要具體問題具體分析，充分考慮到各方面的因素后再進行工程的實施。對于軟巖地質(zhì)，進行隧道設(shè)計時就需要充分考慮巖體力學性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)及裂縫情況、地下水分布等因素，根據(jù)場地具體情況來采取有效的支護形式與施工方法。文章主要講述了軟巖隧道支護設(shè)計的優(yōu)化問題，希望對于軟巖隧道設(shè)計者有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：軟巖；隧道；支護；設(shè)計；優(yōu)化

隨著人民生活水平的不斷提高，我國高速公路的建設(shè)也開始擴大規(guī)模，而隧道在其中所占的比重也逐步增高，同時也出現(xiàn)了更多的穿越軟巖地段的隧道。目前對于軟巖隧道支護的方法有很多，但是在實際的支護過程中存在著很多失敗的例子，因此，必須要對此予以充分的重視，不斷地更新設(shè)計理念與施工方法。軟巖隧道變形破壞預防問題已經(jīng)成為很多隧道設(shè)計、施工者所考慮的重要問題之一。

1軟巖隧道失穩(wěn)的表現(xiàn)

軟巖地層相對于其他地層更難進行隧道的開挖，經(jīng)常會出現(xiàn)失穩(wěn)的狀態(tài)。其中失穩(wěn)的表征有兩個。首先是松動破壞。在隧道開挖時，洞身受到爆破沖擊，有部分的圍巖會脫離母巖分離成塊狀或者松散體。成為塊狀或者松散體后會受重力的影響存在帽頂或者坍塌的風險。其次是變形破壞。隧道巖石的變形破壞往往會經(jīng)歷一段時間才會顯現(xiàn)出來，因此，軟巖隧道整體完工之后也要進行后期的監(jiān)控和管理。由于軟巖巖體本身具有較強的流變性質(zhì)，因此，很容易會在二次應力的作用下發(fā)生強度降低。當實際變形量超過塑性變形所允許的變形量時，就會發(fā)生破壞，使隧道出現(xiàn)一系列的安全問題和質(zhì)量問題。軟巖隧道失穩(wěn)會導致非常嚴重的事故，隧道設(shè)計時必須要對此給予充分的重視。

2軟巖隧道失穩(wěn)的原因

經(jīng)過對全國多處軟巖隧道失穩(wěn)事故進行原因分析，可將軟巖隧道的失穩(wěn)歸納為以下幾個方面的原因。其一，隧道形狀與實際受力情況不符。在隧道開挖之后會受到二次應力場的影響，隧道的幾何形狀如果和受力的情況不符，則會出現(xiàn)失穩(wěn)的狀態(tài)。隧道工程相對于其他工程，洞身形狀設(shè)計時會非常注重它的穩(wěn)定性，要注重分析隧道所承受應力的實際情況，根據(jù)實際情況選擇隧道的形狀。其二，巖體力學性質(zhì)的影響。在軟巖隧道勘察時，一定要注重對于軟巖的力學特征進行全面的了解。軟巖的力學特征有很多方面，其中塑性、擴容性、膨脹性、流變性等特性都會對圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。例如，軟巖的膨脹性會使支護變形或者產(chǎn)生嚴重的底鼓，嚴重影響著支護的實際質(zhì)量。其三，受巖體結(jié)構(gòu)及裂縫分布的影響。圍巖因地質(zhì)構(gòu)造運動而形成的結(jié)構(gòu)面的強度一般會低于母巖巖體的強度，同時圍巖結(jié)構(gòu)也存在裂縫，此時圍巖的強度與母巖相比也會大大降低。結(jié)構(gòu)面與裂縫的存在都對圍巖的穩(wěn)定產(chǎn)生很大的影響。其四，受地應力的影響。隧道開挖施工的過程會很大程度上影響軟巖隧道的穩(wěn)定性。在進行隧道開挖施工的過程中會產(chǎn)生應力重分布，而重新分布的應力將很有可能超過圍巖的強度，使圍巖產(chǎn)生過度的變形，最終導致隧道失穩(wěn)。其五，受地下水運動的影響。軟巖相對于其他的巖石，具有明顯的膨脹性，地下水長期接觸軟巖巖石就會使軟巖產(chǎn)生很大的膨脹力，隧道也會隨之變形受到破壞。其六，受施工不利的影響。受施工技術(shù)的影響。在進行支護時，如果操作不過關(guān)，就很容易產(chǎn)生支護無法達到設(shè)計要求的現(xiàn)象導致隧道變形破壞。

3軟巖隧道支護特點

軟巖隧道支護具有以下幾種特點：（1）強柔性。通常情況下，在軟巖隧道發(fā)生破壞的初期，隨軟巖隧道變形收斂的不斷增加，圍巖壓力將會逐漸減小。此時，就要求支護結(jié)構(gòu)具有強柔性特點。在軟巖隧道支護過程中，強柔性支護結(jié)構(gòu)不僅可以使圍巖大幅度收斂，而且還可以有效降低圍巖對支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓力。（2）邊讓邊支。通過軟巖力學試驗發(fā)現(xiàn)，軟巖隧道在無圍壓的壓縮狀態(tài)下一般會具有較強的彈脆性，然而一旦軟巖破壞將會導致其強度大大降低。如果圍壓比較大時，將會提高軟巖的塑性變形，當其達到軟巖屈服后，強度下降將會不明顯。因此，一定的圍壓可以使軟巖隧道變形破壞得到改善；（3）高可縮性。軟巖隧道一般具有比較大的變形收斂量，當其達到一個較大值時，將會導致圍巖壓力出現(xiàn)明顯下降，并順利達到支護結(jié)構(gòu)可以承受的范圍，此時就需要支護結(jié)構(gòu)具備高可縮性的特點。實際上，軟巖隧道支護結(jié)構(gòu)只有具有比較大的可縮性時，才可以確保以較低強度的支護結(jié)構(gòu)來提高軟巖隧道的穩(wěn)定性，進而有效降低軟巖隧道支護成本；（4）有限的可縮性。當軟巖隧道出現(xiàn)變形破壞時，圍巖的破壞區(qū)將會不斷擴大，當破壞區(qū)擴展到一定范圍時，隨軟巖隧道變形破壞，圍巖壓力不斷增大，進而使支護結(jié)構(gòu)的可縮性達到極限狀態(tài)，阻止圍巖的持續(xù)破壞，此時就需要支護結(jié)構(gòu)具備有限的可縮性，進而實現(xiàn)對隧道斷面的有效保護；（5）增阻性。軟巖隧道支護結(jié)構(gòu)還需要具備增阻性的特點，即隨變形增大支護抗力隨之增大的性質(zhì)，尤其是在軟巖隧道破壞后期，需要不斷提高支護結(jié)構(gòu)的增阻性，進而有效提高支護結(jié)構(gòu)的剛度，以達到抑制圍巖變形破壞的效果。

4傳統(tǒng)軟巖隧道支護設(shè)計理念

4.1改善圍巖自身的承受力條件

傳統(tǒng)軟巖隧道設(shè)計理念認為通過改善圍巖自身受力條件可以有效減少軟巖隧道失穩(wěn)的發(fā)生。改善圍巖自身受力條件的方法有很多，主要分為以下幾個方面。其一，注漿固結(jié)。這種方法可以有效地填充圍巖自身的空隙，從而確保其完整性和連續(xù)性，有效地增加圍巖的整體強度。其二，錨桿支護。這種方法可有效清除巖體結(jié)構(gòu)效應，通過錨桿對圍巖施加壓力形成組合拱，使圍巖從二向應力狀態(tài)變成三向應力狀態(tài)。其三，噴射混凝土支護。這種方法可以有效地改變圍巖表面的受力狀態(tài)，使圍巖的表面有效防止松動。噴射混凝土相對于其他支護具有柔軟性，可以有效地降低圍巖的有害塑性，使圍巖的壓力得到有效的釋放。除此之外，噴射混凝土這種方法還可以使圍巖壓力均勻、有效地傳遞給錨桿，使得支護結(jié)構(gòu)的受力更加均勻，增強軟巖隧道的穩(wěn)定性。其四，掛鋼筋網(wǎng)。這種方法可以有效地提高混凝土噴射層的承載力和拉力，增強軟巖的硬度。

4.2直接對圍巖提供足夠的支護

傳統(tǒng)軟巖隧道設(shè)計理念認為通過直接對圍巖提供足夠的支護可以有效減少軟巖隧道失穩(wěn)的發(fā)生。對圍巖進行強力支護的方法也有很多，這些支護方法一般都是相輔相成的，可以使圍巖的受力條件得到有效的改善，控制圍巖的變形。其一，超前支護。這種方法是采用超前管棚或小導管在隧道開挖前，對松動圈提供支護力，從而有效地防止松動塊的塌落，使惡化圍巖的受力面積更加均勻。其二，格柵鋼拱架。主要是通過分析松動壓力和圍巖變形的形變壓力，根據(jù)實際情況來對所需要支護的地方進行隔柵鋼拱架的施工。其三，鋼筋混凝土的二次襯砌。其主要幫助初支分擔圍巖壓力并提供相應的安全儲備，更有助于隧道的穩(wěn)定。

5軟巖隧道設(shè)計優(yōu)化

5.1軟巖隧道設(shè)計理念優(yōu)化

軟巖隧道發(fā)生變形和破壞是由于多種因素的綜合作用而產(chǎn)生的，因此設(shè)計時，要有一個宏觀的思維，且應考慮對施工的過程進行全面的監(jiān)控。軟巖隧道設(shè)計時不但應改善圍巖自身的承受力條件和對圍巖提供足夠的支護，還應重點考慮以下幾個方面。其一，杜絕隧道積水，由上文可知，軟巖如果長時間吸收水分會導致軟巖膨脹，很大程度的降低隧道的穩(wěn)定性。在進行施工時，一定要注重堅持“治底先治水”的原則，注重疏排隧道里的水，避免水和軟巖進行直接接觸，或者盡可能地降低水和圍巖接觸的時間。其二，要積極地進行支護技術(shù)的改革，不斷地更新支護的方式。通常情況下，隧道復合頂板選擇用強力錨桿全長錨固來取代圓鋼錨桿端頭錨固，而且在破碎松軟頂板選擇了超前注漿補強圍巖，支護斷面還需要對預留變形量給予綜合考慮，支護結(jié)構(gòu)也應考慮剛?cè)岵睦砟睢Ｆ淙?，要注重選擇合理的開發(fā)方式和步驟。遇到不同的隧道要選擇不同的開發(fā)方式和步驟，這樣才能有效地使隧道變形量得到有效的降低。更能增加隧道的穩(wěn)定性。

5.2合理運用GIS技術(shù)對軟巖隧道進行監(jiān)測

隨著我國經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，信息化技術(shù)也有了顯著的提高，軟巖隧道監(jiān)控設(shè)計時，一定要注重運用信息化技術(shù)，充分利用以數(shù)字化信息為核心的信息系統(tǒng)。GIS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)可以使軟巖隧道監(jiān)控工作的效率得到有效提高。因此在進行檢測時，一定要注重對于檢測對象的狀態(tài)、穩(wěn)定程度以及變形程度進行查詢和分析，對癥下藥，實施有效的支護方法。運用GIS系統(tǒng)可以有效地使軟巖隧道監(jiān)測的數(shù)據(jù)更加完整，也可以有效地保證數(shù)據(jù)的及時性，在施工和確立支護方式和參數(shù)方面會有很大的幫助。實際上，GIS系統(tǒng)主要是以監(jiān)測各測點布置圖和斷面圖為基礎(chǔ)，用矢量圖形象來對各測點的分布情況進行展現(xiàn)，同時還可以對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行動態(tài)管理，形成圖文雙向查詢，此外，還可以根據(jù)實際需要來把軟巖隧道監(jiān)測信息準確真實地呈現(xiàn)給用戶，為決策者提供準確、方便的信息支持?？梢詫⑦\籌學引入到監(jiān)測管理系統(tǒng)，借助數(shù)學模型、統(tǒng)計學和算法等方法，來尋求最佳或近似最佳的解決方案，以此來優(yōu)化支護方法可以有效地保證施工安全，同時也可以降低隧道施工工程的投資，降低成本。

6結(jié)語

綜上所述，軟巖相對于其他巖石強度更低，并且更容易風化，同時孔隙較大容易滲水，在軟巖地層進行隧道設(shè)計就會變得更加困難，軟巖地層進行隧道支護優(yōu)化一直是工程界的熱點問題之一。由于軟巖地層容易膨脹，并且有很明顯的時效性，因此，在進行實際施工時會存在很多的安全問題。故對軟巖隧道實行動態(tài)設(shè)計并對設(shè)計進行優(yōu)化就變得尤為重要，必須對此予以充分的重視，才能有效地提高隧道施工的安全系數(shù)和質(zhì)量，使用壽命也會大幅度提高。

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作者：王飛 單位：西安公路研究院