高地应力软岩隧道变形特征与控制技术研究

第３９卷第ｌ３期　２　０　１　３年５月　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨｎＥＣ　ｒＵＲＥ　山　西　建　筑　Ｖｏ１．３９　Ｎｏ．１３　Ｍａｙ．２０１３　・１６５・　文章编号：１００９—６８２５（２０１３）１３－０１６５—０３　高地应力软岩隧道变形特征与控制技术研究　张绪和　（中铁十二局集团有限公司，山西太原０３００２４）　摘要：通过对围岩变形破坏特征进行深入分析，确定了高地应力作用下隧道围岩变形破坏的主要原因，据此提出了相应的支护　理念，并进一步提出了超前加固，封闭掌子面，采用双层初支，扩大拱脚等具体控制措施，较好的控制了隧道围岩的变形，保证了隧　道的施工安全。　关键词：高地应力，软岩隧道，变形特征　中图分类号：Ｕ４５６．３１　０　引言　云南地区位于欧亚板块和印度洋板块相互碰撞汇聚形成的　青藏高原，地质构造复杂，新构造运动强烈，以活动断裂规模大，　分布密集，地震活动频繁，震级大，地震破裂带长，位错量大为主　要特征。受复杂的大地构造背景的影响，该地区隧道处于高地应　力区，施工风险高、难度大，隧道施工过程中常出现较大变形和塌　方等工程事故，严重制约隧道的施工安全和进度。位于该区域范　围内的成昆线扩能改造工程广通一昆明段老东山隧道，施工过程　中出现了严重的围岩大变形，洞身左右侧围岩变形呈不对称分　布，初期支护喷射混凝土开裂、脱落，型钢屈服。　本文针对广昆线老东山隧道构造挤压带段的围岩大变形问　题，通过对隧道初期支护变形特征和原因进行系统分析，确定了　控制围岩变形的控制原则和具体控制措施。　１　隧道变形破坏特征与机理分析　１．１　水的影响大　初期支护变形开裂均受渗水或股水的影响，软岩遇水泥化，　无自稳能力，并向开挖轮廓外延伸，作用于初支的压力增大，初支　总是从小变形开始，然后累积到一定的程度，在一处或者几处关　键部位首先产生破坏，进而导致整个支护系统失稳。　１．２变形大、距离长、比例高　围岩下沉量大于收敛量，平均下沉量大于２０　ｅｍ，最大下沉量　可达４５　ｅｍ，平均收敛量大于１５　ｃｍ，最大收敛量可达４０　ｅｍ；单次　初期支护变形开裂最小距离均在１５　ｍ以上，变形开裂段落占施　工段落比例超过３５％，严重影响了施工安全和进度。　１．３变形速度快　初期支护后下沉速率一般可达到３０　ｍｍ／ｄ、收敛速率一般可　达到２５　ｍｍ／ｄ，特殊地质段下沉速率最大可达到７０　ｍｍ／ｄ、收敛速　率一般可达到４８　ｍｍ／ｄ，而且其变形速度降低缓慢。　１．４突变几率高　由于隧道沉降收敛速度高，在短时间内，围岩强度降低，地压　随时间增长，围岩变形破坏发展迅速，围岩与支护结构相互作用，　导致薄弱环节发生的突变几率高。　１．５破坏大　围岩变形的破坏力大，突变易造成初期支护钢架发生折曲，　甚至折断，变形开裂主要出现在线路右拱腰处，呈纵向开裂，随时　间推移出现环向开裂并不断加剧。目前２号斜井正洞掌子面由　于强大的围岩应力，累计挤出位移４　ｍ多，５０　ｃｍ厚钢筋混凝土封　堵墙被完全破坏。　收稿日期：２０１３—０２－２６　作者简介：张绪和（１９７１一），男，工程师　文献标识码：Ａ　２变形控制措施研究　２．１　变形控制原则　隧道开挖支护的全过程实质上是一个应力重分布从而达到　一个新的应力平衡的过程，在这个过程中，初始原岩应力一部分　由未开挖的岩体承担，另一部分由支护结构承担。在新奥法理论　中，强调采用柔性支护，以使围岩分担较大的荷载，从而减小作用　于支护结构上的荷载，但其前提条件是围岩本身能够承受足够大　的围岩压力，否则就有可能导致围岩塑性区不断扩大而最终失稳　破坏。对于处于高地应力条件下的软岩隧道而言，一方面由于处　于高地应力区，其初始原岩应力很大，另一方面岩体本身承载力　极低，所能够分担的应力很小，单纯采用传统的“以放为主，先放　后抗”的围岩变形控制原则，势必会导致围岩极快的达到其屈服　强度而失稳破坏。　因此，对于高地应力软岩隧道，必须改变传统的“以放为主”　的变形控制原则，采用“抗放结合，加强初支”变形控制原则，从提　高围岩及支护结构的承载力等多方面进行控制，施工过程中采取　“宁强勿弱，宁补勿拆、岩变我变、及时封闭”的支护理念，通过提　高初期支护的强度和刚度来控制隧道围岩产生过大变形，同时通　过预加固提高围岩的承载力，并根据围岩的变化特征及时动态调　整支护参数，以达到对围岩变形的有效控制。　２．２变形控制措施　在总结经验教训的基础上，经过多次研究，以通过围岩量测　和地应力测试为支撑，采用“刚性支护”作为控制变形的理念，坚　持“快挖、快支、快闭合”的基本原则，并且配合多项针对性的辅助　措施，对施工过程实施“动态管理”，实现变形开裂的长期有效可　控。具体按“掌子面先行位移、掌子面挤出位移、掌子面后方位　移、各台阶拱脚下沉和地下水对初期支护影响”等五个方面来进　行控制。　２．２．１　掌子面先行位移控制　通过加密超前小导管纵、环向间距的方式控制掌子面先行位　移，确保其位移值控制在总位移值的３０％以内。小导管的长度和　纵向间距由型钢钢架纵向间距确定，一般地段采用长度为３　ｍ～　３．５　ｍ，１．２　ｍ—１．８　ｍ一环，环向间距３０　ｅｍ～４０　ｅｍ；地质较差段落　每循环施作超前小导管，小导管长度为３　１＂１１，１．２　ｍ一环；地质差异　较大时，加密地质较差侧的小导管环向间距，间距控制在２５　ｃｌｎ一　３０　ｃｍ，此法的实施有效控制了掌子面的先行位移（见图１）。　２．２．２　掌子面挤出位移控制　通过采用环向开挖预留核心土的方式控制掌子面挤出位移，　爹　９１　荤　张绪和：高地应力软岩隧道变形特征与控制技术研究　・１６７・　１）通过高地应力软岩隧道变形特征的分析，确定了其变形机　具体变形控制措施，较好的控制了隧道围岩的变形，保证了隧道　理，高地应力软岩隧道产生大变形的主要原因是由于高地应力作　的施工安全，在老东山隧道工程实践中取得了良好的变形控制效　用下软弱围岩超过其屈服强度而产生塑性挤出引起的，而地下水　果，保证了隧道的施工安全。　的存在又进一步降低了软岩的屈服强度。　６０．００　３５Ｏ．００　３００．００２５０．００　目　参考文献：　［１］　史彦文，丁小军，韩长岭．极软岩隧道沉降变形的控制措施　毛　５Ｏ．００　§４０．０ｏ　３０．００　２００．００息　１５０．００　５ＯＪＤ０Ｏ．００　［Ｊ］．中外公路，２００９，２９（４）：３９７．４００．　［２］　张梅，何志军，张民庆，等．高地应力软岩隧道变形控制设　计与施工技术［Ｊ］．现代隧道技术，２０１２，４９（６）：１３－２３．　［３］　王树仁，刘招伟，屈晓红．软岩隧道大变形力学机制与刚隙　柔层支护技术［Ｊ］．中国公路学报，２００９，２２（６）：９０－９６．　［４］　孙伟亮．堡镇隧道高地应力顺层偏压软岩大变形段的快速　２０．００　：　１０．００　１００．００考　雌　Ｏ．００　…一一　１～竺　一一２＝￡ｊ　．．．．．一　■　：２　：一　‘　昌高高昌高　吾　吾　施工技术［Ｊ］．隧道建设，２００９，２９（１）：７６－８１．　时间，年．月．日　＋收敛速率　＋累计收敛值　｛∞∞∞∞∞０　荨瑚瑚啪ｍ　㈣　［５］　张文强，王庆林．木寨岭隧道大变形控制技术［Ｊ］．隧道建　图８采取措施前周边收敛一时间曲线　设，２０１０，３０（２）：１５７－１６２．　Ⅱ，一曝　［６］　田洪铭，陈卫忠，啸峰辎　４０．０ｏ　谭贤君，等．高地应力软岩隧道合理支护方　？３５．００　案研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０１１，３０（１１）：２２８５—　ｌ　３０．２５．００　００　２２９３．　删２０．０ｏ　［７］何满潮．软岩巷道工程概论［Ｍ］．北京：中国矿业大学出版　螓ｌ５．００　１０．００社。１９９３．　ｓ－　．－５．００　［８］　董方庭，宋宏伟．巷道围岩松动圈支护理论［Ｊ］．煤炭学报，　０．００　ｑ　ｎ　ｎ　ｎ　ｎ　ｎ　ｎ　ｎ　ｎ　ｎ一一一一●　置　２＝￡ｊ　０　ｑ　一　１９９４，１９（１）：２２—３１．　詈§　吾吾　基詈誉詈誉星塞　［９］　何满潮，景海河．软岩工程地质力学研究进展［Ｊ］．工程地质　时间，年．月．日　学报，２０００，８（１）：４６－６３．　＋下沉速率　＋累计下沉值　［１０］Ｇｕｏ　Ｈｏｎｇｙｕｎ，Ｃｈｅｎ　Ｘｉｎ，Ｈｅ　Ｍａｎｃｈａｏ．Ｆｒｉｃｔｉｏｎａｌ　ｃｏｎｔａｃｔ　ａｌｇｏ－　图９采取措施后拱顶下沉一时间曲线　ｒｉｔｈｍ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｄｅｅｐ　ｓｏｆｔ　ｒｏｃｋ　ｔｕｎｎｅｌｓ［Ｊ］．Ｍｉｎｉｎｇ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　２０１０（２０）：５２４－５２９．　［１１］　王丙堤．高地应力软弱围岩变形控制方法［Ｊ］．铁道工程学　报，２００６（４）：５７—６１．　［１２］Ｒ．Ｙｏｓｈｉｎａｋａ，Ｍ．Ｏｓａｄａ，Ｔ．Ｖ　Ｔｒａｎ．Ｎｏｎ．１ｉｎｅａｒ　ｓｔｒｅｓｓ．ａｎｄ　ｓｔｒａｉｎ．　ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｓｏｆｔ　ｒｏｃｋｓ　ｕｎｄｅｒ　ｃｙｃｌｉｃ　ｔｒｉａｘｉａｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｒｏｃｋ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｓｃｉ．　ｅｎｃｅｓ＆Ｇｅｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ　Ａｂｓｔｒａｃｔｓ，１９９８，３５（７）：９４１－９５５．　［１３］　Ｓｕｎ　Ｊｕｎ．Ａ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　３－Ｄ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｔｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｂｅｈａｖｉｏｕｒ　ｏｆ　ｓｏｔｆ　ｒｏｃｋｓ［Ａ］．Ｉｎ：Ｈｅ－Ｈｕａ　Ｚｈｕ，Ｊｉｎ－Ｃｈｕｎ　Ｃｈａｉ，Ｍａ－Ｓｏｎｇ　Ｈｕａｎｇ，ｅｄｓ．Ｐｒａｃｔｉｃｅ　ａｎｄ　ａｄｖａｎｃｅ　ｉｎ　ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．　Ｓｈａｎｇｈａｉ，２００２．　［１４］Ａｙａａｎ　Ｏ，Ａｋ　Ｔ，Ｋａｗａｍｏｔｏ　Ｔ．Ｔｈｅ　ｓｑｕｅｅｚｉｎｇ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｏｆ　ｒｏｃｋｓ　ａｒｏｕｎｄ　ｔｕｎｎｅｌｓ：ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｒｏｃｋ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｒｏｃｋ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９３，２６（２）：１３７—１６３．　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｗｅａｋ　ｒｏｃｋ　ｔｕｎｎｅｌ　ｕｎｄｅｒ　ｈｉｇｈ　ｉｎｉｔｉａｌ　ｇｅｏｓｔｒｅｓｓ　ＺＨＡＮＧ　Ｘｕ－ｈｅ　（Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｔｗｅｌｖｅ　Ｂｕｒｅａｕ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００２４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｎａａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｆａｉｌｕｒｅ，ｔｈｅ　ｍａｊｏｒ　ｃａｕｓｅ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｃｏｋ　ｕｎｄｅｒ　ｈｉｓｈ　ｉｎｉｔｉａｌ　ｇｅｏｓｔｒｅｓｓ　ｉｓ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ，ｔｈｅ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｉｄｅａｓ　ａｒｅ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ，ｃｌｏｓｅｄ　ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ，ｔｈｅ　ｄｏｕｂｌｅ　ｓｔｅｅｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｎａｄ　ｅｘｐａｎｄｉｎｇ　ａｒｃｈ　ｆｏｏｔ　ｓｐｅｃｉｉｆｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ａｒｅ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ，ｔｈｅ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｓａｆｅ－　ｔｙ　ｏｆ　ｔｕｎｎｅｌ　ｉｓ　ｇｕａｒａｎｔｅｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ　ｉｎｉｔｉａｌ　ｇｅｏｓｔｒｅｓｓ，ｗｅａｋ　ｒｏｃｋ　ｔｕｎｎｅｌ，ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ