煤系地层软弱围岩隧道大变形施工控制技术

【摘要】在隧道施工过程中，煤系地层是一种不良地质类型，在施工过程中存在很多危险因素，其中软弱围岩隧道变形问题最为严重的，也是最常见的。本文作者通过分析煤系地层软弱围岩大变形的主要特征，对导致隧道变形的原因进行简要的分析，并且提出了针对围岩隧道变形的主要控制措施。

【关键词】煤系地层、软弱围岩；大变形

煤系地层是道路施工中常见的一种地质类型，在施工中会出现瓦斯燃烧或爆炸、煤燃烧等危险性比较高的情况，而且在施工中还会出现软弱地层隧道大变形的问题，影响施工安全的同时也威胁着施工质量和后期的运营安全。

1.煤系地层软弱围岩大变形的特征分析

煤系地层软弱围岩大变形是指围岩在高地应力作用下发生的沉降破坏，隧道围岩稳定性发生改变，围岩应变能被释放，最终导致岩爆现象。当软弱围岩发生破坏性变化时，就会导致隧道的变形。煤系地层软弱围岩隧道变形一般分为三个时期，分别是缓慢期、加速期、稳定期。隧道变形的初期的主要特点是拱顶的沉降量变大，周边收敛变形的现象小，这种情况从开挖时开始，大约在10天的时候趋于稳定。下台阶开挖后会紧接着出现第二次变形，这次变形会较为明显，变形速度不断加快。当仰拱封闭后变形进入稳定期，变形的速度变小但仍会整体下沉，初期支护容易在变形状况下混凝土出现裂隙，局部出现脱落现象，在支护结构连接处容易出现外鼓变形现象。总结隧道变形的主要特征是变形量大、变形速度快、拱脚变形明显、变形时初期支护受到破坏。[1]

2.导致煤系地层软弱围岩隧道变形的原因分析

煤系地层软弱围岩隧道变形的原因主要分为内因和外因，内因是地应力及围岩岩性因素，外因是断面尺寸及支护措施因素，下面对其导致变形原因进行具体分析。

2.1地下水软化作用

造成软弱围岩隧道变形的原因很多，其中包括地下水对围岩的软化作用。不同岩性的围岩对水的吸收率不同，其中泥岩的吸水率最大，砂岩次之，砂质泥岩吸水率最差。围岩吸水性强弱主要与岩石内的主要成分和结构特点有关，岩石的强度受水的软化作用影响，地下水导致围岩体吸水，影响其强度系数和变形参数。地下水的软化作用降低了煤系地层隧道围岩变形模量和强度，加速了隧道的破坏和变形。地下水对不同性质的围岩造成的影响不同，吸水率越大的围岩其影响越强，所以地下水对泥岩的影响是最强的。受到水软化的围岩其强度下降，承载能力不足，很难作为隧道的拱脚材料，初期支护结构也会因其影响而发生变形。[2]

2.2施工工序步距问题

工程施工过程中采取施工一般按照施工方案进行，施工设计对施工来说非常重要。施工方案要结合施工现场环境、施工地点地质特点、施工要求等方面。在具体施工过程中，也有根据实际情况对施工方案进行调整的状况，在应用上下台阶工法进行施工时需要注意施工工序间的衔接问题，如果上下台阶步距不合理就会造成围岩隧道的变形问题。在上下台阶施工过程中，当步距过大时，初期支护会相对较为稳定，但是下台阶施工会受到干扰而产生变形，仰拱封闭坏形成时间较晚，初期支护不能及时封闭成环。此外，施工工序步距不合理还会造成工字钢落脚处的地基不稳定，承载力下降而导致沉降问题，最终导致初期支护变形，整个隧道出现形变。[3]

2.3排水措施不及时

水对围岩具有软化作用，大量水存在会影响围岩的承载力、强度和形变承载力。初期支护拱脚地基的承载力强弱就与排水措施是否有效、及时关系密切。地下水的排出要合理、及时，一般采取设置集水坑进行地下水的抽排。如果没有对地下水进行及时、有效、合理的排出，会导致初期支护变形的速度加快，累计变形的形变量明显增加。排水措施是否及时有效还影响拱脚的强度，地下积水过多会导致拱脚下沉量会明显增加，进一步导致隧道的变形。

3.控制煤系地层软弱围岩隧道大变形的主要措施分析

3.1及时、有效的进行排水

地下水对围岩的影响是严重且明显的，所以为了避免地下水对围岩的软化作用，要采取合理的措施及时、有效的对地下水进行排出。一般会设置集水坑对积水进行引流，保证排水顺畅，减少对围岩的软化作用，提高其强度和承载能力。对于积水较为严重的地方，一般采用在初期支护的岩壁后加入泥浆，对积水进行堵截，进而减少地下水的渗漏和累积。

3.2调整施工工法

调整施工工法是其达到安全步距，主要方法主要包括动态调整施工工法和及时施作仰拱。首先，对于台阶步距问题可进行动态调整，可以将上下台阶法改成三台阶法进行施工，对于重点的工序可以增加锚杆的方式加强钢架的连接强度，减少工程的施工风险。在实际的施工过程中，导致台阶步距过大的主要原因是围岩与支护体系间距问题，上下台阶间尺寸衔接不良。如果上台阶过大，则掌子面与仰拱闭合断面间距离过大，增加初期支护的开放范围，增加了围岩的压力。如果台阶间的步距过长，下台阶开挖过程中会导致稳定性降低，容易造成变形侵限等危险。对于隧道台阶尺寸问题，台阶间距离应控制在1-1.5倍洞跨范围，在进行循环施工后进行数据反馈监控，方便进行工序间步距的调整。其次，初期支护拱脚在施工阶段往往出现承载力不足的现象，随着工程的推进，其沉降变形也不断增加，严重影响了隧道支护结构的稳定性和安全性。所以，在仰拱施作期间及时增强其承载力非常重要，能够加快初期支护的闭合，提高结构的刚度，尽可能的发挥其支撑作用。在初期支护变形量逐渐变大时，要进一步加强二次衬砌，进一步加强前方开挖段的纵向时空效应。

3.3增强超前预支护技术

造成煤系地层软弱围岩隧道变形的主要因素是初期支护承载能力不足，所以可以应用增加小导管长度，增强超前预支护技术来进行初期支护的纵向承载能力，增强其稳定性。当隧道变形过大时，可以增加锁脚锚杆进行加固，长度可设置6到8米，与钢支撑进行连接，加强纵向连接筋的紧密度与刚性，提高整体的承载能力，将支护架上的松弛负荷向拱脚围岩深部传递，进而减少初期支护的变形。此外，如果初期支护在封闭时出现整体下降而变形时，可以增加拱底竖向锚杆提高其承载能力，避免结构整体下降而造成更大的变形。

3.4加强监控信息的反馈

在隧道施工过程中，要加强施工现场数据信息的监控反馈，施工工法及工艺需要根据监控反馈数据进行动态调整，所以及时、准确、高频率的跟踪观测监控非常重要，只有及时的进行信息反馈才能掌握初期支护结构受力及变形的规律。在监控中如果发现初期支护的下沉速率变大或形变量大幅度增加时需要采取加固措施，及时控制施工局面。例如对开挖范围边墙增加注浆锚管，设置临时的仰拱支撑或竖向支撑等措施。所以，及时、有效的监控量测信息反馈非常重要，关系着整体施工的稳定性、安全性以及工程的质量。

结束语：

综上所述，在煤系地层这种不良地质情况下，软弱围岩隧道发生变形现象是不可避免的，除了地下水的软化作用等自然因素影响，还受到施工工序的影响。及时、有效的处理地下水，合理的安排施工工序，加强初期支护的承载能力是控制隧道变形的主要措施，是增强隧道稳定性和安全性的重要手段。

参考文献：

[1]唐爱松，韩 军，夏熙伦.不 良地质隧洞开挖的止水加 固技术[J].岩石力学与工程学报，2012，21（7）：1064— 1067.

[2]刘建忠，杨春和，李晓红 ，等.万开高速公路穿越煤系 地层的隧道围岩蠕变特性的试验研究[J].岩石力学 与工程学报 ，2014，23（22）：3794—3798.

[3] 李晓红，靳晓光，王宏 图，等.采动下卧煤层对深埋隧 道结构稳定性的影响[J].岩土力学，2011，26（9）： 1448-1451，1455.

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