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摘要：随着国家加大对基础设施建设的投入,我国隧道工程建设与科研取得了长足的进步与发展。本文以国内某重点铁路工程隧道施工为背景，简要介绍软弱炭质板岩隧道施工过程中的隧道变形预测与控制技术。
关键词：隧道变形预测控制技术
中图分类号：U45文献标识码： A
一、前言
众所周知，控制围岩变形已经成为指导各类隧道施工的主要控制性原则，尤其是在高地应力软岩隧道施工过程中，首先亟需解决的问题就是隧道围岩大变形问题。但在实际施工中，各类软岩隧道的变形成因非常复杂，除了与褶曲、断裂构造发育、顶部覆盖埋深、断面设计大小和形状密切相关外，也跟施工过程中采取的支护强度和施工工艺等息息相关。本文以国内某重点铁路工程炭质板岩隧道施工为例，简单介绍如何从观察隧道炭质板岩的物理特征和变形规律特征入手，通过采用超前地质预报和变形预测方法，合理确定开挖方法和支护方案，从而实现抑制隧道围岩变形，确保施工安全的目的。
二、炭质板岩特性和变形规律[1]
通过现场观察，可以观测到隧道炭质板岩为灰黑色，岩层呈薄斜层状，走向与隧道轴线夹角为20~30°，节理裂隙发育，局部地段有渗水，且有可溶性物质。新开挖围岩遇水极易风化 、泥化，且完整性极差，具有可塑性和很强的膨胀性。由于隧道处于高地应力区，开挖爆破后围岩应力重新分布，导致在开挖时，隧道岩层膨胀所产生侧压力和开挖后地应力均较大，容易产生侧向水平大变形；内部围岩在开挖后，风化速度较快，且遇水易软化，导致拱脚处承载力变弱，产生拱顶沉降。
通过现场开挖经验总结，发现该隧道变形具有以下规律：
1.开挖后无支护状态下的变形规律
在无支护状态下，该隧道开挖后，新暴露围岩自稳能力较差，初期会出现掉碴、掉块，且时有片状大块岩层剥落现象，如裸露时间超过3～5小时，内岩层常常出现沿着节理滑塌。
2.开挖后采取支护状态下的变形规律
在采取I20拱架支撑、间距60cm/榀、喷射混凝土层厚25cm、边墙打长砂浆锚杆、拱部打长组合中空锚杆、环纵间距1.0×0.8m的支护状态下，掌子面附近围岩变形速率前期发展较为平缓，且出现收敛趋势，但在20～30天后，围岩变形量显会著增大，且变形较快，收敛终值较大。由于大变形发生时间滞后，且之前围岩变形已有明显收敛趋势，在施工过程中，工程技术人员在变形量测时容易忽视，导致突变发生后不能及时发现，从而错过了最佳处理时机，造成后期治理困难且成本高昂。
三、炭质板岩变形预测
通过对该隧道炭质板岩岩性特征和变形规律的总结分析，项目部采取了3种方法对炭质板岩变形情况进行预测，从而提确定合理的开挖方案和技术措施，从而抑制围岩变形，保证施工安全。
1.超前小导管钻孔预测
通过超前小导管钻孔成孔后，用高压风进行清孔，清除孔内虚碴。静置3小时后，如果小导管孔径普遍出现缩孔现象，可以确定前方围岩具有较大地应力，围岩易出现较大变形。此种方法是利用小导管钻孔孔径变化进行预测，不需要增加额外的工序和成本，有利于在施工过程中执行。
2.监控量测、地质素描预测
通过对前方围岩地质素描和后方已支护段围岩地质素面对比分析，从而确定前方围岩岩性变化。在施工工程中，可结合后方已支护段监控量测数据，预测前方围岩变形情况。
3.超前预报进行预测
利用超前探孔、TSP、地质雷达等方法对隧道前方围岩进行地质超前预报，掌握围岩级别、特性，并结合现场实际情况，预测掌子面前方围岩变形情况。
四、炭质板岩变形控制措施[2]～[5]
针对隧道地质特点，在施工过程中，重点从应力释放控制、开挖方法选择、加强前期支护、监控量测等方面，采取有效措施，从而达到控制围岩变形的目的。
1.提前释放应力
由于炭质板岩具有高的地应力，在地应力作用下，围岩内部趋向于向结构薄弱处挤压变位，导致变形加大。为此，可采用在掌子面进行一定数量超前钻孔、超前导坑等措施，提前进行应力释放，从而减小支护后围岩地应力，可起到抑制隧道围岩变形的效果。
2.合理选择开挖方法
由于炭质板岩易风化、崩解，且其岩层走向与隧道轴线夹角较小。掌子面附近围岩自撑能力较弱，不易稳定。如采用传统的两台阶开挖方法，由于台阶步距过大，支护不及时，围岩暴露时间长，容易导致围岩变形加大。为此，可采用三台阶七步法进行开挖，一方面减小每循环开挖空间及对围岩的扰动范围，另一方面加快每循环封闭时间，尽可能缩短围岩暴露时间，避免岩层风化、崩解，减小围岩变形。
3.加强前期支护
该隧道在施工过程中，采用H175型钢钢架，拱架间距0.6m/榀；拱部采用Φ22组合中空锚杆，边墙采用Φ22螺纹砂浆锚杆，长度6.0m，环纵间距1.0×0.8m,按梅花形布置；拱墙挂φ8钢筋网，网格间距20×20cm；拱架设Φ22纵向连接筋，环向间距1.0m；拱脚处每榀钢架设8根φ42锁脚锚管，长度6.0m，并压注水泥浆。拱墙喷射C25混凝土30cm厚，仰拱30cm厚。采用上述支护，H175型钢钢架具有较大的抗弯能力，可以抵抗围岩地应力；Φ22长锚杆可以穿透隧道轮廓周边松散层，使钢架与密实岩层结合，从而形成整体支护体系，抑制隧道围岩变形。
4.径向注浆控制
支护完成后，若发现围岩变形持续发展，速率较大，可采取径向注浆对围岩进行固结，抑制围岩变形。径向注浆管采用φ50mm，壁厚3.5mm无缝带孔钢管，钢管长度3m，环纵间距2.0m×2.0m，沿拱墙径向布设。浆液采用1:1水泥浆。
5.钢管桩及I18工字钢纵梁控制
在炭质板岩断层带，通过加强钢拱架及增长锚杆后，支护仍在变形，可通过钢管桩及纵梁控制支护沉降变形。
钢管桩：在钢拱架每一个拱脚处沿斜向下并排打入两根4m长Φ108mm带孔无缝钢管，钢管内注1:1水泥浆。钢管桩端头与拱架固定。
纵梁:拱架在拱脚处采用I18工字钢纵向连接，可以增加钢拱架整体稳定性，同时也可增大拱脚处拱架与地面接触面积，减小支护沉降变形。焊接I18工字钢时，要保证I18工字钢底面与拱架底面相平，以便与地面充分接触。
6.监控量测控制
炭质板岩隧道由于收敛持续时间长，累计变形量较大，且具有前期变形有明显收敛趋势，大变形发生时间滞后的特点。工程技术人员在现场施工过程中，常常容易忽视后期断面量，导致突变发生后不能及时发现，错过最佳处理时机，治理较为被动。为此，在实际监控量测中后期，不能轻易降低量测频率。
该隧道监控量测点分布、主要监控项目及量测方法如下：
（1）监控量测布点（见图4）
图4 监控量测布点示意图
② 主要监控项目及量测方法
五、总结
通过在施工中采用了多种方法对围岩变形进行预测，采取多种措施组合施工工法，笔者参与施工的隧道围岩变形情况得到有效控制，收敛平均变形速率由15mm/d降低到4.5mm/d，沉降平均變形速率由13mm/d降低到3mm/d。累计最大水平收敛值由135cm降低到25cm，累计最大沉降值由78cm降低到20cm。不但成功穿越了Ⅳ、Ⅴ软弱围岩以及断层破碎带，加快了施工进度，而且取得了较好的技术效益、经济效益和社会效益。
参考文献：
[1]GB 50218-94 工程岩体分级标准[S]
[2]JTJ042-94 公路隧道施工技术规范[S]
[3]JTJ064-98 公路工程地质勘察规范[S]
[4]GB 50086-2001 锚杆喷射混凝土支护技术规范[S]
[5]TZ214-2005 客运专线铁路隧道工程施工技术指南[S]
作者简介：史玉（1980—），2002年毕业于同济大学车辆工程专业，工程师，在读硕士研究生，现在中铁七局工作。
关键词：隧道变形预测控制技术
中图分类号：U45文献标识码： A
一、前言
众所周知，控制围岩变形已经成为指导各类隧道施工的主要控制性原则，尤其是在高地应力软岩隧道施工过程中，首先亟需解决的问题就是隧道围岩大变形问题。但在实际施工中，各类软岩隧道的变形成因非常复杂，除了与褶曲、断裂构造发育、顶部覆盖埋深、断面设计大小和形状密切相关外，也跟施工过程中采取的支护强度和施工工艺等息息相关。本文以国内某重点铁路工程炭质板岩隧道施工为例，简单介绍如何从观察隧道炭质板岩的物理特征和变形规律特征入手，通过采用超前地质预报和变形预测方法，合理确定开挖方法和支护方案，从而实现抑制隧道围岩变形，确保施工安全的目的。
二、炭质板岩特性和变形规律[1]
通过现场观察，可以观测到隧道炭质板岩为灰黑色，岩层呈薄斜层状，走向与隧道轴线夹角为20~30°，节理裂隙发育，局部地段有渗水，且有可溶性物质。新开挖围岩遇水极易风化 、泥化，且完整性极差，具有可塑性和很强的膨胀性。由于隧道处于高地应力区，开挖爆破后围岩应力重新分布，导致在开挖时，隧道岩层膨胀所产生侧压力和开挖后地应力均较大，容易产生侧向水平大变形；内部围岩在开挖后，风化速度较快，且遇水易软化，导致拱脚处承载力变弱，产生拱顶沉降。
通过现场开挖经验总结，发现该隧道变形具有以下规律：
1.开挖后无支护状态下的变形规律
在无支护状态下，该隧道开挖后，新暴露围岩自稳能力较差，初期会出现掉碴、掉块，且时有片状大块岩层剥落现象，如裸露时间超过3～5小时，内岩层常常出现沿着节理滑塌。
2.开挖后采取支护状态下的变形规律
在采取I20拱架支撑、间距60cm/榀、喷射混凝土层厚25cm、边墙打长砂浆锚杆、拱部打长组合中空锚杆、环纵间距1.0×0.8m的支护状态下，掌子面附近围岩变形速率前期发展较为平缓，且出现收敛趋势，但在20～30天后，围岩变形量显会著增大，且变形较快，收敛终值较大。由于大变形发生时间滞后，且之前围岩变形已有明显收敛趋势，在施工过程中，工程技术人员在变形量测时容易忽视，导致突变发生后不能及时发现，从而错过了最佳处理时机，造成后期治理困难且成本高昂。
三、炭质板岩变形预测
通过对该隧道炭质板岩岩性特征和变形规律的总结分析，项目部采取了3种方法对炭质板岩变形情况进行预测，从而提确定合理的开挖方案和技术措施，从而抑制围岩变形，保证施工安全。
1.超前小导管钻孔预测
通过超前小导管钻孔成孔后，用高压风进行清孔，清除孔内虚碴。静置3小时后，如果小导管孔径普遍出现缩孔现象，可以确定前方围岩具有较大地应力，围岩易出现较大变形。此种方法是利用小导管钻孔孔径变化进行预测，不需要增加额外的工序和成本，有利于在施工过程中执行。
2.监控量测、地质素描预测
通过对前方围岩地质素描和后方已支护段围岩地质素面对比分析，从而确定前方围岩岩性变化。在施工工程中，可结合后方已支护段监控量测数据，预测前方围岩变形情况。
3.超前预报进行预测
利用超前探孔、TSP、地质雷达等方法对隧道前方围岩进行地质超前预报，掌握围岩级别、特性，并结合现场实际情况，预测掌子面前方围岩变形情况。
四、炭质板岩变形控制措施[2]～[5]
针对隧道地质特点，在施工过程中，重点从应力释放控制、开挖方法选择、加强前期支护、监控量测等方面，采取有效措施，从而达到控制围岩变形的目的。
1.提前释放应力
由于炭质板岩具有高的地应力，在地应力作用下，围岩内部趋向于向结构薄弱处挤压变位，导致变形加大。为此，可采用在掌子面进行一定数量超前钻孔、超前导坑等措施，提前进行应力释放，从而减小支护后围岩地应力，可起到抑制隧道围岩变形的效果。
2.合理选择开挖方法
由于炭质板岩易风化、崩解，且其岩层走向与隧道轴线夹角较小。掌子面附近围岩自撑能力较弱，不易稳定。如采用传统的两台阶开挖方法，由于台阶步距过大，支护不及时，围岩暴露时间长，容易导致围岩变形加大。为此，可采用三台阶七步法进行开挖，一方面减小每循环开挖空间及对围岩的扰动范围，另一方面加快每循环封闭时间，尽可能缩短围岩暴露时间，避免岩层风化、崩解，减小围岩变形。
3.加强前期支护
该隧道在施工过程中，采用H175型钢钢架，拱架间距0.6m/榀；拱部采用Φ22组合中空锚杆，边墙采用Φ22螺纹砂浆锚杆，长度6.0m，环纵间距1.0×0.8m,按梅花形布置；拱墙挂φ8钢筋网，网格间距20×20cm；拱架设Φ22纵向连接筋，环向间距1.0m；拱脚处每榀钢架设8根φ42锁脚锚管，长度6.0m，并压注水泥浆。拱墙喷射C25混凝土30cm厚，仰拱30cm厚。采用上述支护，H175型钢钢架具有较大的抗弯能力，可以抵抗围岩地应力；Φ22长锚杆可以穿透隧道轮廓周边松散层，使钢架与密实岩层结合，从而形成整体支护体系，抑制隧道围岩变形。
4.径向注浆控制
支护完成后，若发现围岩变形持续发展，速率较大，可采取径向注浆对围岩进行固结，抑制围岩变形。径向注浆管采用φ50mm，壁厚3.5mm无缝带孔钢管，钢管长度3m，环纵间距2.0m×2.0m，沿拱墙径向布设。浆液采用1:1水泥浆。
5.钢管桩及I18工字钢纵梁控制
在炭质板岩断层带，通过加强钢拱架及增长锚杆后，支护仍在变形，可通过钢管桩及纵梁控制支护沉降变形。
钢管桩：在钢拱架每一个拱脚处沿斜向下并排打入两根4m长Φ108mm带孔无缝钢管，钢管内注1:1水泥浆。钢管桩端头与拱架固定。
纵梁:拱架在拱脚处采用I18工字钢纵向连接，可以增加钢拱架整体稳定性，同时也可增大拱脚处拱架与地面接触面积，减小支护沉降变形。焊接I18工字钢时，要保证I18工字钢底面与拱架底面相平，以便与地面充分接触。
6.监控量测控制
炭质板岩隧道由于收敛持续时间长，累计变形量较大，且具有前期变形有明显收敛趋势，大变形发生时间滞后的特点。工程技术人员在现场施工过程中，常常容易忽视后期断面量，导致突变发生后不能及时发现，错过最佳处理时机，治理较为被动。为此，在实际监控量测中后期，不能轻易降低量测频率。
该隧道监控量测点分布、主要监控项目及量测方法如下：
（1）监控量测布点（见图4）
图4 监控量测布点示意图
② 主要监控项目及量测方法
五、总结
通过在施工中采用了多种方法对围岩变形进行预测，采取多种措施组合施工工法，笔者参与施工的隧道围岩变形情况得到有效控制，收敛平均变形速率由15mm/d降低到4.5mm/d，沉降平均變形速率由13mm/d降低到3mm/d。累计最大水平收敛值由135cm降低到25cm，累计最大沉降值由78cm降低到20cm。不但成功穿越了Ⅳ、Ⅴ软弱围岩以及断层破碎带，加快了施工进度，而且取得了较好的技术效益、经济效益和社会效益。
参考文献：
[1]GB 50218-94 工程岩体分级标准[S]
[2]JTJ042-94 公路隧道施工技术规范[S]
[3]JTJ064-98 公路工程地质勘察规范[S]
[4]GB 50086-2001 锚杆喷射混凝土支护技术规范[S]
[5]TZ214-2005 客运专线铁路隧道工程施工技术指南[S]
作者简介：史玉（1980—），2002年毕业于同济大学车辆工程专业，工程师，在读硕士研究生，现在中铁七局工作。