软弱粉砂岩隧道开挖变形特征研究.pdf

桥|隧|工|程软弱粉砂岩隧道开挖变形特征研究罩钟1.4,杨庭伟1-2.3.4,，卢超波1-2.3.4.,姜洪亮12.4（1.广西壮族自治区公路隧道安全预警工程研究中心，广西室，广西南宁53 0 0 0 7;3.广西交科集团有限公司，广西料及装备交通运输行业研发中心，广西南宁53 0 0 0 7)摘要：文章以V级浅埋围岩段初期支护的变形特征为研究对象，根据监控量测结果结合数值分析（围岩纵向变形曲线），对粉砂岩地区隧道开挖后围岩变形在空间上的分布特性进行研究。通过确定软弱粉砂岩隧道开挖后围岩扰动范围及分布特性，为指导现场安全施工及风险评估提供重要依据。关键词：软岩隧道；粉砂岩；纵向变形曲线；监控量测；开挖变形中图分类号：U456.3文献标识码：ADOl：10.13 2 8 2/j.c n k i.Wc c s t.2 0 2 3.0 8.0 44文章编号:16 7 3-48 7 4(2 0 2 3)0 8-0 13 8-0 30引言“十三五”期间，广西公路通车总里程由2 0 15年的11.8104km提高至2 0 2 0 年的13.16 10 4km,增幅为11.5%。“十四五”期间，广西着力提升交通运输对外开放水平，建成基本综合立体交通网，公路预期增幅为6.4%。在这庞大的交通里程中，公路隧道占比非常大。开挖后初期变形量值大、速度快是软弱围岩隧道开挖变形的显著特征 1-3。如东西山隧道发生主支护大变形,衬砌开裂剥落 4;乌鞘岭隧道由于围岩大变形,围岩塌 5等。围岩大变形易造成严重的人身安全和社会经济损失，准确预测和研究软岩变形特征规律对指导隧道安全施工、减少人员伤亡具有重要意义。本文以粉砂岩隧道的V级浅埋围岩段作为研究对象，通过现场监控量测数据结合数值分析，对开挖后的围岩在空间上的影响范围进行研究，得到软弱粉砂岩隧道开挖后对隧道周边围岩的影响范围及围岩变形特性，以优化现场施工、设计及监测方案。1隧道开挖变形研究由于浅埋段软弱粉砂岩具有强风化、易碎、吸水软化等特性，隧道开挖后，开挖及已支护周边围岩易受到施工扰动，产生一定的影响区，大致分为塑性区及弹性区。弹性区对隧道开挖影响较小，认为在该区域内产生的岩体位移是可恢复的；塑性区范围是研究软岩隧道开挖后围岩变形特征的重要影响参数。对于确定围岩塑性区范围的研究已有许多，比较常用的分析手段为小孔扩张理论，小孔扩张理论综合考虑围岩应力、空隙水压及位移变化，可以得到线性或非线性岩体隧道开挖变形的合理解答。软岩隧道开挖后，由于围岩压力释放是一个过程，围岩变形在开挖范围内呈现一定的分布特性。戴世伟等 6 建立基于N-K模型的致灾因素耦合模型，得到大变形事故致灾因素耦合影响性序列；陶永虎等基于灰作者简介：覃钟钦（1996 一），硕士，主要从事隧道检测工作。南宁530007;2.广西道路结构与材料重点实验商南宁530007;4.高等级公路建设与养护技术、材色理论对围岩变形进行预测，验证了灰色模型对软岩大变形具有预测精度；韩常领等8 从应力释放和塑性流变两方面对软岩隧道挤压性大变形的机理进行了分析；于维刚9以九绵高速公路白马隧道为背景，从概率统计角度对已有监测预警数据进行统计分析，总结给出建议预警阈值。张标L10I基于Hoek一Brown屈服准则采用FLAC 3D软件建立了三维隧道开挖模型，得到了修正的纵向变形曲线拟合公式，分析了不同岩质条件下开挖区围岩变形特征。本文采用围岩纵向变形曲线(Longitudinal Deform-ationProfile，以下简称LDP曲线）结合现场监控量测结果综合分析，得到围岩随着隧道开挖掘进时的变形分布规律。2围岩纵向变形曲线LDP曲线综合考虑围岩性质、围岩应力、地质构造等因素，直观体现出隧道开挖过程中开挖面空间特性，反映围岩变形及开挖后围岩应力释放与开挖面之间的关联性。LDP曲线可以更好地描述和预测开挖掘进的影响范围和影响程度。Vlachopoulos提出的二维轴对称分析模型考虑了最大塑性半径对围岩变形的显著影响，对分析围岩变形的空间分布特性具有良好的适用性，其表达式如下 1，Uo=U.xeU=Umx(1-(1-U)eU。=e-0.1 5/3C=2C/DX;=1:/D式中:U。一一围岩标准化变形量（mm）；Umax一掌子面后方初期支护变形稳定后的最大位移量(mm）；C-塑性区半径(m)；D一一隧道开挖洞径(m);X0(1)(2)(3)(4)138西部交通科技VemiemcainsCommunications Science&Technology软弱粉砂岩隧道开挖变形特征研究/覃钟钦，杨庭伟，卢超波，姜洪亮距开挖面的距离（m）；x;一离掌子面的距离(m)，x i 0为掌子面后方。3工程实例分析3.1 项目概括百湾隧道位于桂林市龙胜县百湾村的山岭中，地表水裂隙水发育，隧道全长13 55m，隧道围岩等级多为IV、表1围岩特性指标表监测断面饱和抗压强度ciZK25+830ZK25+880203.2监控量测结果分析3.2.1监控量测方案为标定软弱粉砂岩围岩开挖后的最终累计位移量，结合现场工程地质条件，确定的监测方案如下：根据地质条件和工程特点，每10 m量测一个断面，拱顶下沉和净空收敛的测点布置在同一断面上。采用徕卡全站仪TZ08型进行持续监测，测量精度优于0.5mm。根据现场掌子面开挖的实际情况，围岩变形监测示意图如图1所示。图1围岩变形监测示意图3.2.2监控量测结果分析选取监测段五个断面的拱顶沉降情况作为分析重点，监测结果如图2 所示。4026(uw)n252015106.50图2 拱顶沉降监测结果图由上图可以看出，当围岩趋于稳定时，最大沉降量Umx为3 2.0 mm，随着隧道开挖掘进的进行，已开挖面的隧道周边位移收敛会受到影响。约为0.51倍洞径时，图形斜率最大，开挖所造成的空间效应的影响最大，大于2倍洞径时趋于平缓，在超过2.1倍开挖洞径时开挖的影响趋于零。V级。隧址属构造侵蚀低山丘陵深切割地貌区，隧道穿过低缓丘陵地区，地形起伏大，地面标高3 6 7.9 725.5m,地面相对高差约3 7 2.5m。本文选取V级围岩段ZK7+460Z K 7+510 为分析断面，其围岩为强风化粉砂岩，薄层状，整体破碎，开挖易掉块、塌，开挖方式为预留核心土台阶法。依据室内试验成果结合物探情况及有关规范综合确定围岩特性及物理指标如表1所示。岩体完整度kv地下水k1软弱结构面k2初始应力k3定量指标 BQ围岩等级0.150.63.3围岩变形特征分析结合国内、外学者对软岩开挖的塑性区的研究成果，围岩塑性区比例C/D取1.5 12。LDP曲线计算参数如表1所示。表1LDP曲线计算参数表塑性区范围C/D隧道开挖洞径D（m）最大变形量umax（m m）2.013.56将计算参数代入式(1)可得围岩纵向变形曲线如图3所示。3025(uu)n2015108.12531.831.93232180.51.01.52.22.53.03.5X0.22.5 2.0 1.5 1.0 0.5图3 围岩开挖特征分析曲线图速调开挖后，短时间内掌子面围岩会释放一部分位移，由图3 可知，开挖面处（x；=0）的位移释放量为8.1mm，占远处已稳定断面总变形量的2 5.0%左右。隧道开挖纵向影响范围大致为2.1倍开挖洞径，在未开挖区域的影响范围大致为开挖洞径的2 倍。4结语研究表明，粉砂岩地区隧道V级不良围岩段开挖后，短时间内围岩会释放掉约2 5%的位移量；开挖影响范围大致为前后2 倍开挖洞径，同时考虑到台阶法的分步开挖会产生扰动，实际的开挖影响半径应大于2 倍开挖洞径。本文研究结果对在已有建筑物旁新修隧道或其他大型构造物制定合理的监测方案具有重要的参考意义，同00.00.51.01.52.12.5X107.532.01V32.02023年第8 期总第193 期13 9桥隧工程时可为其他岩质隧道开挖变形特征研究提供参考。参考文献1E.T.Brown E.Hoek.Practical estimates of rock mass strengthJ.Int.J.Rock Mech.Min.Sci.,1997,34(8):1 165-1 186.2覃钟钦.软岩隧道开挖变形特征规律及优化支护设计研究 D.南宁：广西大学，2 0 2 0.3李术才，徐飞，李利平，等.隧道工程大变形研究现状、问题与对策及新型支护体系应用介绍 J.岩石力学与工程学报,2 0 16,3 5(7)：13 6 6-13 7 6.4Kui Wu,Zhushan Shao,Su Qin,et al.Determination of Deform-ation Mechanism and Countermeasures in Silty Clay TunnelJ.Journal Of Performance Of Constructed Facilities,2020,34(1):04019095.5杨国庆.兰张三四线乌鞘岭特长隧道施工工期研究 J.公路,2 0 18,6 3(12):3 3 5-3 3 9.6戴世伟，刘鑫鑫，万飞.软岩隧道大变形事故致灾因素耦合分析 J.中国安全科学学报，2 0 2 1,3 1(8)：119 12 4.7刀陶永虎，饶军应，熊鹏，等.软岩隧道大变形预测模型及支护措施 J.矿业研究与开发，2 0 2 1,41(5)：59-6 6.+8韩常领，夏才初，徐晨.软岩隧道挤压性大变形控制技术研究进展J.地下空间与工程学报，2 0 2 0，16（S1)：492-505.9于维刚,胡鹏，宋浪.基于概率统计下白马隧道监控量测预警阅值研究 J.现代隧道技术，2 0 19，56（S2)：285-290.10 张标,崔岚,郑俊杰.基于Hoek-Brown 屈服准则的修正纵向变形曲线分析 J.地下空间与工程学报，2017,13(S1):52 57.11JN.Vlachopoulos,M.S.Diederichs.Improved Longitudinal Dis-placement Profiles for Convergence Confinement Analysis ofDeep Tunnels JJ.Rock Mechanics And Rock Engineering,2009,42(2):131-146.12JRasoul Sadeghiyan,Mahmoud Hashemi,Ehsan Moloudi.De-termination of longitudinal convergence profile consideringeffect of soil strength parametersJ.International Journal OfRock Mechanics And Mining Sciences,2016(82):10-21.收稿日期：2 0 2 3-0 4-10+“+(上接第99页）(2)配重后退架桥机。天车1收紧吊梁钢丝绳让前支腿抬起离开前盖梁50 mm。拔掉前支腿销子，启动前支腿油缸收起前支腿。启动架桥机的中支腿、后支腿往后走，两天车同步向前走形成配重。前支腿退到后盖梁上方时完成跨线拆除任务。每拆除完成一孔I型梁就需完成一次退孔。3.7梁片运输与破碎拆除的旧梁片采用运梁车进行运输，旧梁片在运梁车上的支撑位置应该为梁片支座支撑的位置，并支承牢固，避免因受力不均出现意外。用导链将梁体与运梁车捆绑牢固再进行梁片运输，避免在运输过程中出现梁体倒斜事故。梁片运输至临时破碎场后，采用吊车将梁体落至破碎场，梁体放在破碎场时要做好支撑，防止梁体出现倾倒现象，采用破碎机对拆除的I型梁进行破碎，同时采用隔离防护措施，防止碎渣飞溅，并进行喷雾降尘，避免扬尘污染环境。破碎完通过渣土车将建筑垃圾运至指定弃土场。4结语桂柳改扩建项目波寨1号桥采用了架桥机逆作法对桥梁上构进行成功拆除，在实施过程中，基于架桥机在架梁工艺上的成熟使用，安全系数较高，既能避免拆桥对既有桥梁结构稳定的影响，也能保证既有高速公路的正常运营安全，交通管制时间短，交通组织压力小，有效提高交通安全。架桥机逆作法拆桥工艺适用于桥梁高度较高，周边环境要求较高，没有场地架设大型吊车，也不能采用爆破和原位破除的桥梁；该工艺当前的难点在于梁片吊装的钢丝绳安装以及架桥机退孔，在后续的应用中可采用自动化以及智能化等工艺进行辅助施工，以提高该工艺的施工安全及施工效率，促进该工艺的成熟应用。参考文献王聪.浅谈高速公路改扩建旧桥拆除及加固技术 J.北方交通,2 0 15(8):59-6 1.2陈雅雄,王卫胜，祝卫星.基于SPMT工艺的桥梁快速拆除施工技术应用研究 J.西部交通科技，2 0 2 1（12）：133-136.3蒋锦桂.高速公路改扩建跨河旧桥拆除施工技术分析J.西部交通科技,2 0 2 1(11):16 9-17 1.4李强，祝哨晨，刘琳.既有预应力混凝土连续梁桥逆序切割拆除的监控分析 J.桥梁建设，2 0 12（11)：849-850.5龙劲草.高速公路改扩建中的旧桥拆除 J.中国水运，2007(4):105-106.收稿日期：2 0 2 3-0 4-3 0140西部交通科技wemiemncainsCommunications Science&Technology