基于监测技术的软弱围岩茜坑隧洞设计施工原则

李 东，黄志怀

（珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东 广州 510611）

茜坑隧洞全长322 m，设计为有压自流隧洞，水压差14.5～19.0 m，设计断面为城门洞型，断面尺寸为2.5 m×2.7 m，采用新奥法施工。茜坑隧洞围岩为花岗岩，围岩稳定性差，极易塌方。隧洞全段均为不良地质条件。下面根据工程建设需要，针对软弱围岩隧洞工程不良地质条件下的新奥法施工，给出了软弱围岩隧洞的设计和施工原则。

1 软弱围岩隧洞设计原则

软弱围岩茜坑隧洞洞体开挖卸荷后变形量大，空间效应与时间效应均较明显，围岩结构复杂，地层含水量大，设计工作必须根据监测结果采用动态设计的原则，根据围岩变形规律确定开挖方式、开挖程序、开挖进尺、一次支护参数、永久衬砌参数和时机。为此应采用如下设计原则：

1）根据初设阶段提供的地质条件、沿线的地层岩性、结构设计特点和运行要求，进行专门的施工期和运行期的安全监测设计，定期适时开展监测工作，并根据地质条件变化，及时调整监测项目和监测布置。

2）现场设计代表应根据监测结果，及时调整隧洞的开挖进尺，调整一次支护参数。

3）根据监测数据需要对设计做出重大调整时，应进行现场试验或理论计算进行验证。

4）现场设计应与施工、地质、监测有机配合，做到调整及时有效。

5）为了信息处理及时，监测单位应向设计、施工、监理、地质、建设单位监测报告，以监控指标为标准，发现异常时，及时进行预测预报，设计及时做出相应的对策。

6）施工地质和监测应进行跟踪工作，必要时应做超前预测预报。

2 软弱围岩隧洞施工原则

2.1 关于隧洞开挖的安全规定

1）尽可能采用非爆破方法开挖，主要目的是不扰动围岩，保护围岩固有的自稳能力。

2）短进尺，就茜坑隧洞而言，隧洞开挖循环进尺不得大于1.5 m，变形特大的洞段不得大于0.5 m，循环进尺按设计要求及时调整。

3）采用分步开挖方式，先开挖上导洞，上导洞领先下导洞3～5 m，下导洞每循环进尺与上导洞相同。

4）下导洞开挖分左右两侧进行，一侧领先另一侧1～2个循环，目的为减缓变形速率，防止变形突然释放。

5）开挖时，变形释放量应控制在30%以内。

6）地下水发育的部位，需要采用导水封闭控制措施。

7）严格控制开挖轮廓尺寸，每开挖一个循环后立即进行测量，绘制开挖图和地质素描图。

2.2 关于一次支护

1）一次支护必须在开挖后立即施作，开挖一个循环支护一个循环，支护没完成之前，不得进行下个循环开挖。

2）一次支护施工的程序是：安装超前小导管开挖→安装格栅拱架→第一次喷射混凝土→布置钢筋网、绑扎连接筋→第二次喷射混凝土→视需要滞后1～2个循环，第三次喷射混凝土。

3）一次支护完成后，在设计的观测断面安装监测仪器，并立即开展监测工作，监测仪器安装位置与掌子面距离不大于1.0 m。

4）格栅拱架的间距应和开挖进尺一致，上导洞格栅拱架安装后，以锁脚锚干固定，系统锚干或超前导管应与格栅拱架焊接，下导洞格栅拱架应在底板开挖控制线以下0.5 m设置0.5 m×0.5 m的混凝土基座，基座混凝土强度等级为C20。

5）一次支护的格栅拱架、钢筋网、喷混凝土、连接筋、系统锚杆、锁脚锚杆、超前导管必须按工程质量检查标准进行质量控制。

6）依据监测结果，设计单位应及时调整一次支护的相关参数。

7）根据变形监测结果，确定是否需要进行二次临时支护，并确定其方案和支护参数。

2.3 关于永久衬砌时间的确定

按永久性水工建筑物结构受力最小的原则，隧洞的永久衬砌应该在围岩变形全部释放后施作较为合理。实际上GB50087-2001[1]《锚干喷射混凝土支护技术规范》与SL279-2002[2]《水工隧洞设计规范》均有相应的规定，例如GB50087-2001第5.3.5条规定：

1）隧洞周边水平收敛速度小于0.2 mm/d；拱顶或底板垂直位移速度小于0.1 mm/d。

2）隧洞周边水平收敛速度，以及拱顶或底板垂直位移速度明显下降。

3）隧洞位移相对值已达到总相对位移量的90%以上。

SL279-2002第6.6.4条也规定：采取了支护或加固措施的围岩，根据其稳定状况，可不计或少计围岩压力。

在一些软岩隧洞工程中，永久衬砌施作时间也是按上述原则确定的，为了防止衬砌过多地承担剩余的变形压力，规定隧洞周边径向位移速率小于0.1 mm/d,断面周边位移达到总位移量的90%，在必须同时满足上述两条件下，开始永久混凝土衬砌。

对于具有大变形和流变效应明显的软岩而言，要达到上述标准需要较长时间，一次支护需要较大刚度，否则会发生围岩失稳，甚至发生较大塌方。在这种隧洞施工过程中，发生较大塌方的主要原因除没有采用信息化设计与施工外，永久衬砌选择的时间不甚合适，也是原因之一。

在茜坑隧洞，根据监测结果分析，当距开挖面2.5倍洞径时，围岩的“空间效应”变形基本完成，超过2.5倍开挖洞径后，围岩变形主要来源于“时间效应”，2.5倍洞径以后的剩余变形大小，主要取决于围岩的流变特性。

对于Ⅳ类围岩而言，岩体变形的时间效应较小，时间效应曲线衰减也较快，20 d后围岩变形速率已小于0.1 mm/d，并已接近稳定状态，在此之后围岩剩余变形一般小于1.0 mm,所做的混凝土衬砌承受的围岩变形压力一般小于20 kPa。

对于全风化类围岩，虽然其流变效应较大，开挖至3倍洞径之后，尽管空间效应引起的变形已经完成，仍有一定的时间效应引起的变形，由于一次支护较强的约束，30 d内围岩变形速率小于0.1 mm/d。所以，对于流变效应较大的围岩，采用刚度较大的格栅拱架喷混凝土支护限制时效变形是必要的。否则，仍需要采用早衬砌措施提供抗力来限制这种变形，避免造成大的危害。

一般地讲，一次支护和二次混凝土衬砌之间仍有一定的径向接触压力，对于流变效应较大的围岩，一次支护在工程初期发挥了重要的作用，二次混凝土衬砌对隧洞的长期稳定性也起到必不可少的作用。

3 结语

1）根据初设阶段提供的地质条件、沿线的地层岩性、结构设计特点和运行要求，进行专门的施工期和运行期的安全监测设计，定期适时开展监测工作，并根据地质条件变化，及时调整监测项目和监测布置。

2）为了确保隧洞施工安全，防止围岩失稳，杜绝塌方事故，应严格执行“短进尺、勤监测、快支护”的原则。

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