摘要：岩体是在经过长久的地壳运动，演化形成了各种各样的复杂地质体。在隧道开挖施工时，隧道岩体之间的初始应力变化过程是先被破坏再重新分布应力，如果隧道开挖的破坏作用大于重新分布作用力，隧道岩体的自身稳定性就会破坏，进而导致隧道施工难度增加。
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
引言：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预留变形量，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。为此，文章主要针对软岩隧道变形控制机理及其支护技术方面进行分析，希望能够给相关人士提供参考价值。
1.工程概况
该新平隧道隧道区属山岭地貌，地形起伏较大，植被较发育；新平隧道进口里程为D1K46+285，出口里程为DK61+120，隧道全长14835m。隧道最大埋深约为578m。隧道地质构造和水文地质条件复杂，为Ⅰ级高风险隧道，穿越5条断层、1条向斜、1条背斜。主要不良地质为泥石流、坡崩体积、岩溶、人工弃土、顺层、高地应力、高地温、压矿和采空区，有害气体，放射性等。设计预测全隧最大用水量为10.8×104m3/d。隧道进洞洞身段围岩主要为强风化～中风化砂质页岩和炭质板岩，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Ⅴ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。
2.软岩隧道开挖后发生持续变形的机理分析
2.1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1、2、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，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，1数值巨增，另一方面3数值降低为0，距周边较近的位置3也同样会降低至很小的数值。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[1]。
2.2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1数值大幅增加，当图中的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，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。
图1.软岩隧道围岩质点应力状态之间关系示意图：
3.软岩隧道大变形控制及“双网+锚喷”初期支护作用机理
3.1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3数值将大幅增加，且增长比率会远大于1数值的增长比率，这样一来，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。
3.2“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[2]。
图2.“双网+锚喷”初期支护示意图：
3.3软岩隧道变形控制方法
首先，必须要支护结构能够抵挡住软岩隧道产生大变形压力，并且阻止了软岩大变形失稳破坏，才能有效控制围岩变形。因此，提出了增强围岩自身抵抗变形性能并改善围岩的性能的超前支护方式；二是使围岩合理地释放一定能量，保持围岩的强度快速下降，不产生围岩松动圈，力求在控制范围内变形，并形成合理的塑性圈，做到边支边让的柔性支护方式。三是加强二次衬砌结构强度和刚度，在围岩已发生部分变形并且前期支护完善处理后的情况下，使用刚性能力来阻止隧道围岩后期变形。另外，由于拱架之间会形成一定的拱效应，在软岩隧道发生变形拱效应形成的拱强不足时，一般会采取环向间距30cm~40cm的小导管围岩注浆，增强围岩强度，以此来补强。最后，为了防止变形破坏隧道的支护结构，在施工开挖时一般会预留一定的变形量，数值一般为10cm左右，这个预留量就是用来释放围岩变形的。在形成初期支护封闭环后，施工的支护结构强行抵抗围岩应力，这时已经释放了应力抵抗作用会很小。
4.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。
结论
简而言之，首先，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。另外，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[3]。
图3.软岩隧道采用“双网+锚喷支护”累计变形量：
参考文献：
[1]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，2017．
[2]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，2017，（2）：128-131．
[3]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，2018，（32）．
[4]周泽林，陈寿根，赵玉报，张海生.强震后软岩隧道变形与破坏机制分析[J].地下空间与工程学报，2017，13（03）：796-803+857.
论文作者:李瑞昌
论文发表刊物:《基层建设》2019年第9期
论文发表时间:2019/7/24
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