高地应力软弱围岩隧道大变形初期主动控制关键技术.pdf

第 卷 第 期 年 月四 川 水 利 .高地应力软弱围岩隧道大变形初期主动控制关键技术周红祖(中国水利水电第七工程局有限公司成都)【摘 要】高地应力软弱围岩隧道大变形具有安全风险大施工进度缓慢成本控制困难等问题 文章通过研究高地应力软弱围岩隧道大变形初期的特征总结围岩变形机理和初期发展规律分析变形原因对应地从开挖工法、支护参数、预留变形量、较少扰动、择机施作二衬等方面入手研究高地应力软弱围岩隧道大变形初期主动控制关键技术有效抑制其大变形发生【关键词】高地应力 软弱围岩 隧道 大变形 主动控制 关键技术 中图分类号:文献标志码:文章编号:()高地应力软弱围岩隧道大变形控制一直是隧道施工中的一大难题目前暂无有效的控制措施根据相关文献资料检索显示我国大变形典型隧道有:兰新二线乌鞘岭隧道、兰渝铁路木寨岭隧道、宜万铁路堡镇隧道、滇藏铁路哈巴雪山隧道、广成山隧道等等 其中滇藏铁路哈巴雪山隧道长 历时 时间方贯通工期翻倍兰渝铁路中木寨岭隧道长约 历时近 方贯通 由于地质条件复杂多样性高地应力软弱围岩隧道大变形带来突泥涌水、溜塌掉块、隧道坍塌等诸多灾害 本文以某铁路隧道高地应力软弱围岩隧道出现初期大变形为案例分析总结大变形机理和发展规律找出变形原因针对性地采取应对措施尽可能抑制变形量以达到减少拱架拆换的目的确保安全高效施工 工程概况某铁路隧道全长 围岩长度 占比 级围岩长度 占比 级围岩长度 占比 根据地勘资料显示隧址区地质构造十分强烈岩性以含炭质板岩为主岩体强度低隧道埋深较大极易发生大变形隧道主要穿越含炭质板岩、灰岩、砂砾岩隧道共穿 条断层、条解译断层、条背斜褶皱 隧道设计软弱围岩大变形段长 占隧道全长的 其中一级大变形长度 占隧道全长的 二级大变形长度 占隧道全长的 三级大变形长度 占隧道全长的 四级大变形长度 占隧道全长的 该隧道属构造剥蚀、侵蚀中高山峡谷地貌隧址区长段穿越三叠系下统党恩组洞身主要穿越三叠系下统党恩组(/)含炭质板岩、绢云母板岩二叠系上统冈达概组三段(/)中厚层状灰岩、千枚岩夹板岩第三系热鲁组(/)砂砾岩地层 软弱围岩隧道大变形机理、表现特征及发展规律 变变形形机机理理高地应力、低强度、强流变的挤压性围岩开挖后表现出显著的掌子面挤出、先行位移和后方径向位移的时空演化过程随岩体流变粘性时效发展变形持续增大围岩逐渐进入粘塑性时效屈服状态()软弱围岩的塑流:开挖导致围岩应力调整应力调整引起的扩容使岩体中原本闭合的结构面张开滑移以及围岩岩体进一步碎裂化在改变岩体应力状态和强度的同时围岩中地下水沿张开裂隙渗流和软化作用导致围岩塑性流动使 第 期四 川 水 利围岩产生较大的收敛位移()碎裂结构变形:围岩层间存在着软弱夹层开挖卸载后由于裂隙发育不均匀造成局部应力集中原本在高地应力和自重应力作用下闭合的节理张开、扩张部分围岩切割为碎裂状开挖时易坍塌掉块和顺层滑移但仍有部分较完整围岩沿层状弯曲破坏此时隧道破坏表现为弯曲、顺层滑移、坍塌等组合形式()散体压密结构:围岩较为破碎、松散埋深较大时受围岩压力及高地应力作用围岩成压密状由于隧道开挖后应力释放和重分布导致原本压实闭合的结构面张开滑移以及围岩岩体进一步碎裂化围岩即刻呈松散状围岩的变形破坏表现为松动圈累进性扩展特点 但随着主应力方向及侧压力系数的不同塑性区可出现在洞周不同的部位从而引起这些部位围岩及支护结构破坏将导致大变形发生 变变形形初初期期表表现现特特征征及及发发展展规规律律 变变形形初初期期表表现现特特征征大变形初期表现特征主要为监控量测变形数据大、底板隆起、初支开裂、喷混凝土剥落掉块、钢拱架扭曲、切断、锁脚 型筋切断等 根据监控量测数据统计分析边墙单侧最大变形量为 累计变形最大值为 日最大变形速率达 /以收敛变形为主拱顶沉降变形相对较小初期变形分布不均匀不对称收敛变形持续时间长 初初期期变变形形发发展展规规律律初支开裂、喷混凝土剥落掉块及拱架扭曲主要发生在上下台阶拱架连接板位置处根据监控量测数据分析上台阶开挖支护后变形量并不大但变形量持续小数量增长在下台阶开挖后仰拱初支钢架闭环之前该期间变形速率最大(/)期间变形量占开挖至稳定阶段总变形量的 仰拱初支钢架成环后每天仍有 的变形量仰拱填充混凝土浇筑完成后 左右每天仍有 的变形然后趋于稳定(变形速率/)初期变形前后持续时间超过 初期变形发展规律见图 图 初期变形发展规律 高地应力软弱围岩隧道变形原因分析 地地质质原原因因为了了解高地应力软弱围岩隧道变形原因对该隧道分段落开展软弱围岩大变形试验先后对岩石成分、强度等进行测试具体情况如下 岩岩石石成成分分测测试试分分析析该隧道从掌子面处取得新鲜炭质板岩分为 部分分别为新鲜炭质板岩和浸泡时间为、的炭质板岩 对试样进行 射线衍射全岩分析测试组成炭质板岩的成分和含量及浸泡时间对炭质板岩成分和含量的影响结果如图 所示 通过 射线衍射可以得出该隧道的炭质板岩主要由黏土矿物和石英组成伴有少量的钾长石、斜长石、方解石、白云石、菱铁矿、硬石膏、铁白云石和石盐等矿物其中黏土矿物的含量占比达到 其对炭质板岩的宏观性质起到了重要的作用 黏土矿物具有较强的亲水性大部分的黏土矿物具有吸水膨胀性新鲜炭质板岩 浸泡时间为 浸泡时间为 浸泡时间为 浸泡时间为 图 岩石成分测试周红祖:高地应力软弱围岩隧道大变形初期主动控制关键技术第 卷 岩岩石石强强度度测测试试该隧道连续 个月开展点荷载试验由于岩性极为软弱、难成块获得的试样数量较少排除 组受爆破影响的试样其他由点荷载获得的岩石单轴抗压强度最大值为 最小值为 数据标准差为 平均强度为 属于极软弱围岩 室室内内三三轴轴岩岩石石蠕蠕变变试试验验利用软弱围岩真三轴实验仪器模拟现场地应力环境通过探究不同围岩角度开展隧道围岩的时效蠕变试验探究不同岩层角度导致的围岩时效变形的各向异性 初步得出结论该隧道薄层状板岩在一定范围内随着岩层角度的增大围岩变形量会增加且破坏速率更快 炭炭质质板板岩岩叠叠加加不不良良地地质质发生大变形地段为炭质板岩或板岩层状中薄层或压碎岩及断层影响带受构造影响明显节理裂隙发育岩体破碎或褶皱明显自稳性差岩层走向与隧道轴线夹角较小伴随地下水 且岩层走向与隧道轴线夹角越小变形越大 岩层层厚越薄变形值越大褶皱越明显变形值越大 设设计计原原因因()拱架支护参数偏弱 设计图纸明确的软弱围岩变形段支护采用 和 拱架级围岩间距 不足以抵抗软弱围岩大变形()锁脚锚管及系统锚杆加固强度不足 锁脚锚管采用 长直径 的无缝钢管系统锚杆采用长度 间排距 的低预应力锚杆 但该隧道经试验测得松动圈超过锚杆长度不足对控制围岩松弛变形不利()隧道断面结构不利于受力 隧道断面结构属于类椭圆形而非圆形高跨比较大初期支护一旦出现内鼓现象支护抗力急剧减小变形持续增大支护结构难以抵抗地应力 施施工工原原因因现场施工扰动及现场施工工艺控制不严是产生大变形的直接原因 现场爆破施工、施工超前支护、系统锚杆等钻孔过程中经常出现岩层扰动掉块现场支护施工不及时封闭时间偏长等因素对软弱围岩松动圈影响较大造成变形控制效果差错失变形控制时机导致变形扩大 高地应力软弱围岩隧道大变形初期主动控制关键技术结合该隧道初期变形的实际情况现场出现大变形后基本都采用增加横撑、斜撑或套拱进行临时加固同时增加锁脚锚管组数、增加系统锚杆长度及调整锚杆间排距、加大初期支护钢架型号、调整钢架间距、浅层注浆等专项措施进行处理变形基本可以得到控制但对工程进度、工程安全及工程成本有较大的影响 结合现场的试验结果、监控量测数据及上述加强措施针对该隧道的施工现状确定的变形控制总原则为:“快挖快支早封闭主动控制初期支护宁强勿弱一次到位以稳为主减少套拱杜绝换拱二衬适时施作达到安全、经济、高效的变形控制目的”通过该隧道大变形初期控制工程实践大变形初期主动控制技术归纳如下 加加强强预预加加固固措措施施 减减少少围围岩岩扰扰动动施工过程中尽可能减少引起围岩变形的不利因素积极主动采取保护围岩的施工理念以控制围岩大变形具体从以下几个方面考虑()遵循先加固后开挖原则采用超前支护对隧道掌子面围岩进行主动加固该隧道设计给的超前支护为隧道顶拱 范围内采用长度 直径 纵向间距 环向间距 的中管棚因对软弱破碎围岩超前支护效果不佳现场实际采用隧道顶拱(部分洞段)范围内采用长度 直径 纵向间距 环向间距 (部分破碎围岩按 控制)的小导管代替中管棚短小导管外插角度较中管棚更易控制支护效果更好工效更高且更经济()严格控制软弱围岩大变形段落一次性开挖进尺和爆破单响药量做到短进尺、快循环、弱爆破一方面减少围岩暴露时间另一方面减少对围岩的扰动对大变形有较好的抑制作用()针对软弱围岩大变形段落尽可能采用铣挖机、旋挖机、鹰钩机、破碎锤、振动锤、反铲等非爆破方式开挖既可以有效控制超挖又可以减小对围岩的扰动但该方式工效偏低需要进一步调研 规规范范工工法法 仰仰拱拱初初支支尽尽早早闭闭环环针对软弱围岩大变形段落短台阶开挖工法较长台阶更有利于控制大变形 短台阶开挖工法主要有微台阶(两台阶)及三台阶法微台阶工法的台阶长度 三台阶法的台阶长度 因台阶长度较短仰拱初支可控制在 范围内跟进掌子面同步施作尽快让上部拱架、中部拱架及底拱拱架形成闭环与围岩一起形成拱效应有效减缓围岩大变形速率实现快挖快支早封闭的 第 期四 川 水 利目的 根根据据地地质质特特点点实实时时调调整整支支护护参参数数通过分析软弱围岩大变形段落围岩岩性、产状、地下水等据实调整围岩级别遵循主动控制宁强勿弱的初期支护原则实时调整加强支护参数确保施工安全 因大变形段落围岩变化频繁且受围岩级别、岩性、产状及地下水等因素叠加影响支护参数不能根据单一指标一概而论该隧道结合监控量测数据考虑围岩级别、岩性、产状等通过分段试验确定不同组合下的支护参数为后续大变形提供依据 例如在一级大变形级围岩缓倾角段落设计给的 拱架、两组 长直径 的锁脚锚管、长间排距 的低预应力系统锚杆等支护参数足以抵抗围岩挤压力但在一级大变形级围岩片状薄层陡倾角略有渗水段落全环采用 拱架、四组 长直径 的锁脚锚管、长间排距 的低预应力系统锚杆等支护参数仍无法抑制大变形现场出现变形量持续增加拱架扭曲等大变形典型特征最终将 拱架换成 型拱架其他参数不变的情况下该段落变形才得到抑制 预预留留合合理理变变形形量量 及及时时加加强强支支护护 减减少少换换拱拱针对大变形段落预留变形量非常有必要但预留多少变形量很难把握预留多了变形量未达到则增加成本预留少了变形量超标则要换拱既影响进度、增加成本又带来安全隐患 预留变形量可参考的依据唯有监控量测数据结合围岩情况通过连续大量监控量测数据分析找出变形趋势进行预判但在施工过程中需实时关注监控量测数据一旦数据异常则加强措施进行控制 如:该隧道预留变形量建立预警机制当预留变形量小于 时及时预警立即采取锚杆、锁脚、注浆、套拱等加强措施确保初支不侵限不换拱并及时调整后续支护措施 适适时时施施作作二二衬衬是是控控制制软软弱弱围围岩岩大大变变形形的的关关键键软弱围岩大变形持续时间长二衬浇筑不宜过早过早会造成二衬提前受力承受过大荷载则易出现二衬开裂也不宜太晚太晚会造成围岩出现二次变形支护结构变形过大造成坍塌 很多情况下围岩的变形速率还达不到小于 /(单线隧道)的要求但预留变形量不能满足变形要求或安全步距()不能满足要求时如果再持续变形将会侵限换拱或不浇筑二衬安全步距将会超标逼停掌子面 在以上情况出现时需及时进行四方现场会勘采取施工缓冲层等支护措施提高支护体系抗变形能力提前施作二衬确保变形稳定、安全步距等满足要求上述措施在软弱围岩大变形段落得以应用并行之有效但还需要规范施工在有地下水段要及时引排防止含炭质板岩浸泡软化造成承载力下降等确保每项措施落实到位这也是保证大变形初期主动控制的重要因素 结语我们初期对高地应力软弱围岩隧道大变形初期主动控制认识不足但通过大变形原因分析和工程实践发现该隧道大变形不可避免但可采取措施进行控制 该隧道经国内多名院士、专家问诊把脉后大多偏向“主动控制”理念随着工程进度隧道埋深增大变形量持续积累隧道变形控制难度越来越大我们秉承“主动控制”理念后续继续从调整隧道断面形式、增设双层拱架、深层锚索支护、变形段径向浅层预固结注浆等方面入手继续探究高地应力软弱围岩隧道大变形主动控制关键技术参 考 文 献李国良朱永泉.乌鞘岭隧道高地应力软弱围岩大变形控制技术.铁道工程学报():.张文强王庆林李延伟等.木寨岭隧道大变形控制技术.隧道建设():.张 旭.堡镇隧道高应力软岩变形大变形地段施工技术要点及体会.山东交通科技():.李贵民郭永发丁文云.丽香铁路玄武岩大变形隧道衬砌开裂处理.中国铁路().臧守杰.广成山隧道挤压大变形围岩的施工技术探讨.水利与建筑工程学报():.王建军.兰渝线高地应力区隧道变形机制及分级探讨.隧道建设():.赵福善.兰渝铁路两水隧道高地应力软岩大变形控制技术.隧道建设():.肖广智.复杂地质条件下铁路隧道修建技术与对策.中国铁路():.张献伟.木寨岭隧道炭质板岩段大变形控制技术.隧道建设():.作者简介:周红祖()男汉湖北随州人高级工程师本科从事水利水电、公路、市政、铁路工程施工和管理工作