软岩隧道变形支护研究

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【摘 要】 目前我国正处于经济发展时期，大量的基础设施、城市建设工程都在高速现代化施工中，然而我国地质情况多变，各区域省市地质情况多有不同，给地下工程的建设施工增加了应变的难度。当前工程界在面对复杂地质情况的施工问题也成为了焦点关注的问题，本文作者从实际工作出发对软岩隧道变形支护进行了全面阐述。

【关键词】 软岩 隧道 变形 支护 研究

1 软岩的分类

首先在地质施工中应对当地的地质类型进行分别归类，在软岩分类中运用地质标准区分表征软岩特性，收集信息进行分析归类，也便于在工程设计中提供最佳地质施工方案。国际上对软岩的分类方法和分级标准有很多种，以下是国内比较常用的几种：

（1）岩石强度分类。在岩体的分类中，可参照岩体的强度、实际渗透性，以及岩体的变形特性与岩体稳定性进行鉴别。

（2）成因类型分。分析软岩的地质形成原因，在从原因入手进行分类，我们可以把软岩分为两类：原生软岩和次生软岩，其中次生软岩亦可分成，“风化软岩”与“断裂破碎软岩”。

原生软岩的定义为“沉积岩”。所谓“沉积岩”是指在地壳表面的常见岩石的一种，起特性是由松散的堆积物经长时间变化小的温度压力环境下自然形成的沉积岩。且具有，粘粒基质含量高、胶结程度比较差，吸水膨胀溶解等特性。

（3）不同类别的软岩，通常的特性区分在岩体强度、泥质含量、与岩体结构塑性变化差异大小等。我们通过普遍特性可将软岩归为四大类即：膨胀性软岩、高应力软岩、节理化软岩和复合型软岩。

膨胀性软岩的判断在于，岩体中是否含有膨胀性黏土矿物、且在低应力（如25MPa）水平作用下是否发生明显的岩体变形而得出结论。节理化软岩的判断可根据，岩体泥质成分含量是否为极少得出结论，复合软岩的判断则是考量具备以上三种软岩的特性组合得出结论。

2 软岩隧道支护设计方法

在软岩隧道支护设计方法中应充分考虑到隧道的变形性、稳定性，根据实际情况作出合理设计。我们将最常见的隧道支护结构设计方法分为四大类即为：经验类比设计模型、荷载结构设计模型、连续介质设计模型和收敛约束设计模型。

2.1 经验类比设计模型

首先需要对施工工程的围岩与土层进行分析区分，再根据规范标准，对比同类工程施工经验总结资料，通过工程分类比进行设计。此种隧道设计模型是当前运用最为普遍。在对比分类中可通过两种方法即为：“直接类比法”与“间接类比法”。直接类比法在具体运用中以以岩体的强度、完整性、地下水影响程度、洞室埋深、可能受到的地应力、施工的方法、施工的质量等指标，将设计工程与上述指标基本相同的已建工程进行对比，藉此确定本工程的地下结构类型与设计方案：间接类比方法的运用则以现行的规范、标准、考察围岩类别以及岩体特性参数，根据现场情况确定工程的结构类型和设计方案。此类模型的难度为，在地下工程唯一性的前提下，精确获取地下工程岩体参数的难度较高。

2.2 荷载结构设计模型

地层荷载一般由两部分构成，即地层压力和弹性抗力。地层压力通常按照土压力公式、经验公式或围岩分级确定；弹性抗力则通过文克尔局部变形理论、弹性地基、梁理论等计算。

荷载结构设计模型的思路是：地层对地下结构的作用只是产生作用在结构上的荷载，按照结构力学的方法计算地下结构在地层荷载作用下产生的内力和变形。设计的关键是确定作用在地下结构上的地层荷载。这种方法特点是，借鉴地面结构成熟的设计理论，思路比较明确，但是地层荷载确定比较困难，也限制了此模型的应用范围。

2.3 连续介质设计模型

考虑到不同形状的地下结构，地层和材料的非线性。连续介质设计模型将隧道衬砌结构和地层视为一个整体，共同承载荷载，其主要作用是约束和限制地层的变形，两者相互作用，使结构体系达到新的平衡状态，它可以对隧道的空间效应和地层的不连续性有很好的兼顾。但是地质岩体的不连续性和模型的连续性存在矛盾，使得这种模型在理论上还需要加以完善。

2.4 收敛约束设计模型

收敛约束设计模型的基本原理：按弹塑性理论等计算并绘制表示地层受力变形特征的隧洞周边收敛曲线，同时按照结构力学的原理计算并绘出表示地下结构受力变形特征的支护约束曲线，得出两条曲线的交点，根据交点处表示的支护阻力值进行地下结构的设计。

收敛约束设计模型又称特征曲线设计模型或变形设计模型，是一种以理论为基础，实测为依据、经验为参考的较为完善的地下结构设计模型。这种模型比较注重理论与实际应用的参照，比较适用软岩地下洞室、大跨度地下洞室和特殊洞型地下洞室的支护结构设计。

3 隧道围岩变形支护理论

从最初的古典压力理论到现在软岩工程力学支护理论，人们对软岩隧道支护理论的认识是随着工程实践不断深化的。经过近百年的发展和完善，已经产生数十种软岩支护理论。但是，目前为止，还没有一种较为成熟的理论，能适用于所有情况。

（1）古典压力理论：隧道支护结构承受的围岩压力是其上覆岩土层厚度和重安的乘积。（2）塌落拱理论：是为解决古典压力理论仅能适应较浅地层的情况而诞生的理论。具有代表性的塌落拱理论有普洛托季雅克诺夫（简称普氏）理论和太沙基理论，两种理论的结论基本一致。（3）新奥法：是“新奥地利隧道施工法”的简称，主要包括隧道设计、隧道施工方法和现场监控量测等多方面。

4 软岩隧道大变形控制技术

在软岩隧道工程中，为适应地质条件和结构条件的变化，常将各种单一支护材料和结构，甚至将常规稳定措施与特殊稳定措施，按照一定的施工工艺进行组合，组合形式都必须是技术可行、受力合理、作用有效、费用经济的。联合支护的施工不仅应满足各部位施工的技术要求，还应注意以下事项：

（1）联合支护彼此要直接地牢固相连，以充分发挥联合支护效应，宜联不宜散。

（2）锚杆要有适量的露头，钢筋网及钢拱架要尽可能多地与锚杆焊接。

（3）钢筋网和钢拱架一般要求被喷射混凝土所包裹、覆盖密实，只有当量测数据显示围岩已经达成稳定时，才可以不必用喷射混凝土完成覆盖，但应在试作二次衬砌时采用普通混凝土填筑密实。

（4）分次试作的联合支护，如超前锚杆与系统锚杆及钢拱架的联结等，应尽快将其相连。

（5）分次试作的联合支护，要在量测指导下进行，并可作适当调整，以做到及时、有效、经济地控制围岩变形，保证围岩稳定。

参考文献：

[1]关宝树编著.隧道工程施工要点集[M].人民交通出版社，2003.