ｎｄｇｅ＆ＴｕｎｎｅＩ Ｅｎｇｉｎｅｅ ｇ桥梁与隧道工程 软弱泥质砂岩互层浅埋隧道支护时效性及 施工关键技术研究 王凌云 （贵阳城市发展投资股份有限公司，贵州贵阳５５０００１） 摘要：如何在施工开挖与支护时间的滞后性之间寻求一个有效的时空控制节点，确保隧道结构安全、提高隧道 施工开挖效率、降低工程造价等，具有重要的工程应用价值和社会意义。鉴于此，分析当前软弱泥砂岩互层地 段浅埋隧道开挖过程中支护的时效性问题，指出对其研究的必要性以及研究路线。 关键词：隧道开挖；隧道支护；泥质砂岩；浅埋隧道 中图分类号：Ｕ４５５．４ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７３—８０９８（２０１５）０３—０２０２—０３ ０引言 用以地下工程围岩一支护系统稳定性问题为处理 对象的典型类比分析法。但是对在复杂多变的 地质、工程结构和施工条件下，针对开挖前及 开挖后初期支护时的隧道掌子面，如何有效及 大量工程实践表明，软弱围岩隧道的大变形 失稳破坏并不是开挖后立即发生的，而是需要经 过一段时间的变形发展，即隧道的变形具有强烈 的时效特性。随着贵州省县县通高速的建设规 划，公路建设中的诸多技术难点集中突显，尤其 是黔东南地区软弱泥砂岩互层地段。泥砂岩互层 时地判别其稳定与否还缺乏清晰的认识和明确 的界定。 新奥法隧道工程监控量测实践证明：隧道工 程（特别是软弱围岩工程）开挖后至初期支护施 作期间，正是围岩变形剧烈、围岩稳定性不明确 具有开挖后迅速软化、风化的工程特性，给隧道 开挖及时支护提出了极为严格的要求。但现有施 工水平条件下，隧道围岩开挖后至初期支护Ｎ－－ 衬支护间隔都或多或少的受到各种影响而赶工提 前或延迟滞后。比如隧道出渣、开挖进尺对施工 工作面的影响、软弱围岩的变形周期等因素。如 的关键时期。新奥法将围岩视为施工材料，并强 调系统监测岩土的变形以及采用如喷射混凝土等 简单的围岩约束措施。然而，在理论分析方面， 将隧道静力学问题简化为二维问题，并将分析重 果过早支护，将会使施工效率极大降低。因此， 过早或者是过晚地支护，对软弱泥砂岩互层的隧 道建设均具有一定的制约作用，由此带来工程建 设经费增加的情况很多。 点集中在隧洞收敛上，该理论基础存在以下不足 和缺陷：①未能指出在隧道设计和施工阶段之间 明显的区别；②忽视了新技术，即继续以单一简 单的围岩约束技术来稳定隧道；③不适合用于任 何类型的岩层和任何应力一应变条件下的隧道施 基于此，依托贵州省黔西南地区在建的望安 高速公路的浅埋隧道，针对软弱泥砂岩互层地段 的浅埋隧道开挖过程中支护的时效性问题进行深 入研究，以期为望安高速公路的软弱泥砂岩互层 地段的隧道建设提供有效的技术支持。 １项目前期研究及工作基础 工；④完全忽视了掌子面前方岩心土的重要性， 也忽视了在不同应力一变条件下采用前方岩心土作 为稳定工具的需要；⑤在缺少诊断的情况下，不 可能在设计过程、隧道掘进过程中对隧道的稳定 做出可靠的预报。 １．２泥砂岩互层隧道围岩的稳定性分析 地下工程围岩是极其复杂的非均质、非连续 结构体，其力学属性具有非线性、各向异性及随 １．１ 隧道掌子面破坏和失稳机制分析 对于软弱围岩隧道稳定问题，目前主要采 收稿日期：２０１５－０１．１６ 作者简介：王凌云（１９７６一），男（苗族），高级工程师，从事高速公路及城市道路建设管理工作。 ２０２：交通建设与管理 桥梁与隧道工程 ｎｄｇｅ＆Ｔｕｎ ｎｅｌ Ｅｎｇ＿ｎｅ ｎｇ 时间变化的特性。地下工程围岩中的应力状态不 力场和位移场的时空变化特性，揭示其围岩的位 移变化规律，建立围岩变形的预测模型。具体内 容如下：考虑轴向应力作用下，建立软弱泥砂岩 互层隧道围岩的应力场和位移的三维分析方法； 基于软弱泥砂岩互层隧道围岩的应力场和位移的 变而位移随时间逐步发展直到破坏的行为称为蠕 变失稳，这种失稳破坏对地下工程的长期稳定与 安全构成了严重威胁。因此，开展岩体蠕变特性 研究对地下工程的长期稳定性具有重要的理论意 义和实际应用价值。目前，国内外在围岩隧道的 设计和施工中同时考虑开挖空间效应和时间效应 相互耦合的三维时空效应还很少，对围岩和支护 结构应力状态的时空效应缺乏细致的分析研究。 大多数相关文献在研究施工时空效应方面时只是 三维分析方法，研究其围岩的变形规律及其最佳 支护时机，提出其围岩变形的时空控制节点预测 模型。 ２．３考虑时空效应的围岩形变预测与最佳支护时 机选择 给出了位移、应力、应变时间历程，或者给出了 开挖面空间影响范围等，没有指出相应的最安全 经济的最佳支护施作时机，工序转换时机等，不 能很好地指导和服务隧道工程实际。 １．３ 围岩支护结构设计与施工关键技术 尽管前人围绕软岩围岩变形控制问题进行了 大量的研究，但是软弱围岩时空节点控制一直以 来都是隧道工程中的难题，至今还有很多相关问 基于掌子面和围岩的时空效应分析成果，提 出软弱泥砂岩互层隧道围岩的最优支护时机。 基于围岩变形的时空控制节点预测模型，提出 相应的支护方法；根据时空控制节点预测模型 及相应的支护方法，研究围岩变形及其支护措 施的时效性；根据理论上揭示的时空变形规律 和支护措施的时效性，提出围岩支护的时空控 制节点方法。 ２．４围岩支护结构设计与施工关键技术 题仍未得到根本性解决。因此，基于围岩支护时 空节点控制方法，研究软弱泥砂岩互层隧道进洞 施工与支护方法需要进一步深化。正是基于此， 基于围岩支护的时空节点控制方法，研究软 弱泥砂岩互层隧道进洞施工与支护方法。包括双 本项目开展软弱泥质砂岩层浅埋隧道支护时效性 连拱隧道中隔墙与初期支护的改进措施等。具体 与施工关键技术研究，以期为望安高速公路的软 弱泥砂岩互层地段的隧道工程建设提供有效的技 术支持 ２项目实施方案 为：连拱隧道支护措施的时空节点控制方法；分 离式隧道支护措施的时空节点控制方法；小净距 隧道支护措施的时空节点控制方法；基于上述支 护措施的时空节点控制方法，优化和改进现有的 支护措施，满足软弱泥砂岩互层隧道围岩的支护 需求。 ２．１ 隧道掌子面破坏和失稳机制 假定围岩是连续的弹性介质，采用能量耗散 的分析方法，揭示软弱泥砂岩互层隧道开挖过程 中，其掌子面失稳破坏机制，分析其破坏特性及 其破坏规律，建立其破坏模型，指导围岩和掌子 ２．５总体技术路线 本文拟采用的技术路线如图１所示。本项目研 究的总体技术路线分为四个阶段：①调研与资料 收集阶段；②室内外试验；③软弱泥质砂岩浅埋 隧道施工关键技术研究；④理论分析与试验检 测。针对软弱泥质砂岩浅埋隧道施工关键技术中 存在的主要问题，在充分总结已有科研成果和工 程实践经验的基础上，广泛引进消化吸收国外现 面的开挖施工。具体内容如下：建立软弱泥砂岩 互层隧道掌子面失稳的三维破坏机制，揭示其失 稳过程的破坏机制及其失稳机理；基于建立的三 维破坏机制，建立能耗平衡方程，为其三维破坏 分析提供理论支持；基于三维破坏预测模型，提 出其支护范围及相应的支护措施，并研究其支护 的时效性。 ２．２泥砂岩互层隧道围岩稳定性 基于非线性强度准则，考虑轴向应力和时空 效应，分析软弱泥砂岩互层隧道围岩开挖后其应 有理论方法和分析技术，采用理论分析与实体示 范工程试验研究并举、室内试验与现场试验、跟 踪观测相结合的方法，开展针对性的研究。通过 建立理论体系和试验研究总结，不断完善与提 高，进而形成较为完整的软弱泥质砂岩浅埋隧道 施工关键技术体系。 交通建设与管理：２０３ ｒｊｄｇｅ＆ＴｕｎｎｅＩ Ｅｎｇｉｎｅｅ ｇ桥梁与隧道工程 开展研究，总结出软弱泥砂岩互层隧道掌子 面的破坏与失稳机制并对软弱泥砂岩互层隧 道围岩稳定性进行分析。提出应当对软弱泥 砂岩互层地段的浅埋隧道开挖过程中支护的 时效性问题进行深入研究，以期为望安高速 公路的软弱泥砂岩互层地段的隧道建设提供 有效的技术支持。 参考文献： 【１】庞建勇．软弱围岩隧道新型半刚性网壳衬砌结构研究及 应用【Ｄ］．南京：东南大学，２００６． ［２］傅鑫彬．浅埋软弱围岩大跨隧道的施工技术研究［Ｄ】．成 都：西南交通大学，２００６． ［３】孟秀元．浅谈浅埋湿陷性黄土地区隧道穿越结构物施工 方法ＩＪ１．公路，２０１４（５）：１８９－１９２． 图１技术线路流程图 ［４］孙元春．岩石隧道围岩变形时空效应分析【Ｊ】．工程地质 学报，２００８（２）：２１ １－２１５． ３结语 ［５］ 吕勇刚，秦辉辉．大跨隧道超浅埋段护拱反吊暗挖法设 计及作用分析［Ｊ］．隧道建设，２０１ １（４）：４８９—４９３． ［６ 韩玫．浅埋隧道施工技术浅议『６］Ｊ］．北方交通，２００７ （１２）：７９—８１． 文章以贵州省软弱泥砂岩互层地段软弱围 岩隧道的失稳破坏分析与加固设计方法为研 究对象，对软弱泥砂岩互层岩体的工程特性 ２０４：交通建设与管理
