高地应力区挤压破碎围岩隧道施工技术探讨

赵运臣1,2刘强1,3

(1同济大学上海2000922中铁隧道集团科研所河南洛阳471009

3河南省洛阳市消防支队河南洛阳471009)

摘要随着采矿、交通、水电工程的发展,许多隧道修建于高地应力区,特别是当穿越挤压破碎围岩时,极易引起隧道及掌子面不稳定,严重影响施工安全与进度。介绍了国外高应力挤压破碎条件的判别方法,对高地应力区挤压破碎围岩隧道开挖支护施工与设计方法及地层预加固技术等进行初步的探讨。

关键词高地应力挤压破碎隧道变形开挖支护

Discussions on Construction Technology of Tunnels i n Squeezing

and Fractured Ground i n H igh Ground-stress Area

Z HAO Yun-chen1,2,L I U Q iang1,3

(1.Tongji Universit y,Shanghai200092,Ch i n a;2.Scientific R esearch Institute under China Rail w ay Tunnel

G roup,Luoyang471009,H enan,China;3.Ex tingu ishing B ri g ade of Luoyang,Luoyang471009,H enan,China)

Abst ract:A long w ith the developm ent of m i n i n g wo r ks,transportation w orks and hydropow er w orks,m any tunnels are built i n h igh ground-stress area.Especia ll y where the tunnel passes through squeezi n g and fract u red ground,i n stabilities of the tunnel and t h e w orking face are sub ject to occur,wh ich w ill result i n seri o us i m pact on the constructi o n safety and constructi o n prog ress.I n the article fore i g n j u dg ing m ethods on squeezi n g and fractured ground in h i g h ground-stress area are descri b ed,and pre li m i n ar y d iscussi o ns are m ade on the design and constructi o n m ethod and ground pre-conso li d ation techno l o g ies o f tunne ls located i n squeezi n g and fractured ground i n h i g h ground-stress area.

K ey w ords:h i g h ground-stress;squeezi n g and fract u red ground;defor m ati o n of t u nne;l ex cavation and reinforce m ent

1概述

在我国随着经济建设不断发展,大量开采地下矿藏,大力发展交通、水电项目,出现很多长大隧道(巷道),隧道埋深大,断面大,部分地区同时受构造应力的影响,地应力特别高。如我国西北地区金川矿区,位于祁吕)))贺兰山山字型构造前弧的西翼北侧,大地构造上为阿拉善台块边缘隆起带,矿区平均埋深1000m左右,且位于高应力区,地层为震旦纪变质岩系,受多次构造运动的影响,引起岩浆侵入形成复杂的地质构造,工程地质条件极为复杂。兰武二线乌鞘岭隧道,隧道埋深约420m~1050m,属高地应力地区。地层岩性为志留系千枚岩与板岩,以千枚岩为主,局部夹宽度约4c m石英脉,千枚状、板状构造,揉曲、次级构造与节理裂隙发育,围岩破碎,易掉块、溜塌,在内应力作用下变形大,极易引起隧道及掌子不稳定。根据现场观测与监测,金川矿区部分巷道水平收敛应变最大超过7.43%(见表1),乌鞘岭隧道部分地段水平收敛应变接近7%(见表2),局部地段出现拱顶混凝土开裂、边墙内鼓、仰拱底鼓、钢拱架扭曲、锚杆屈服等现象,并多次出现塌方事故,严重影响施工安全与进度。因此,目前有必要对高地应力区挤压破碎围岩隧道的变形规律进行深入的研究,探讨高地应力区挤压破碎围岩隧道施工方法,以解决工程出现的问题。

2国外高应力挤压破碎隧道的判别方法Sakura i(1983)根据现场观测与监测,提出隧道水平收敛超过大约1%是隧道失稳的重要征兆,而且进行支护将有很多困难。Cher n et a.l(1998)根据现场观测进一步确认了Sakurai结论[1]。

EvertH ock(2001)对此进行进一步说明,虽然有些隧道水平收敛应变达到4%没有产生失稳问题,所有具有失稳问题的隧道最终都顺利贯通,但是,随着应变水平增加施工中出现问题也大量增加。因此,Saku-ra i围岩应变1%的建议只表明施工困难增加,而不是说为了将围岩应变在1%而必须加强支护。事实上,在某些情况下,在进行支护前希望隧道水平收敛应变达到5%。

第25卷第6期2005年12月

隧道建设

Tunn elConstructi on

25(6):20~24

Dec.2005根据有限元计算结果,无支护隧道应变同岩石强度与地应力的比值之间的关系如图1所示。当岩石强度与地应力的比值降低到0.2时,这是隧道非常不稳定的征兆,没有足够支护的隧道掌子面将会坍塌。图1中曲线可以用方程(1)近似表示。

表1金川矿区1150运输平巷部分测点水平收敛值

T able1H or i zonta l converg ence va l ues m easured at some m onito-ri ng po i nts in ho rizontal g all e ry N o.1150i n Ji nchuan

M i ne

测点编号水平收敛值/mm水平收敛应变/% P11973.40

P23596.19

P34267.34

P42303.97

P51682.90

P317.43

P72213.81

P82213.81

P91753.02

表2乌鞘岭隧道9#斜井部分测点水平收敛值

T able2H or i zonta l converg ence va l ues m easured at some m onito-ri ng po ints i n i nc li ned sha ft N o.9ofW ushao li ng tunne l 测点编号水平收敛值/mm水平收敛应变/%

CL00187.861.10

BL002129.241.62

CL002188.932.36

BL003176.822.21

CL003196.962.46

BL004207.932.60

CL004157.921.97

BL005426.965.34

CL005135.501.69

BL005'279.133.49

BL006293.3.67

BL007230.962.

BL008468.395.85

BL009397.934.97

CL009231.202.

BL011553.226.92

BL0124.545.80

BL012B551.556.

C W001165.732.07

B W002183.522.29

B W0093.266.17

B W008291.463.

B W009306.703.83

E t=0.15(1-P i/P0)R cm

P

-(3P i/P0+1)/3.8(P i/P0+0.54)

(1)

式中:E t为隧道应变;P0为地应力;P i为支护抗力;R cm 为岩石强度。

因此,应变程度同岩石强度与地应力的比值有明显的关系,可以采用图2中曲线对隧道的挤压破碎情况进行初步估计。

在解释挤压破碎隧道现场观测结果方面的问题之一是隧道支护影响的估计。当隧道支护过强或发生钢拱架扭曲、喷射混凝土开裂、锚杆屈服时,估计隧道支护影响将特别困难,在这种情况下最好的办法就是画出观测的围岩变形图,并与一系列支护压力的应变曲线进行对比。隧道发生严重的挤压变形,必须采取特

别的措施稳定隧道。

图1应变程度与岩石强度/地应力的比值之间的关系

F ig.1R elationsh i p bet w een tunne l stra i n and ra ti o of rock

strength and g round

stress

图2不同应变程度与隧道挤压破碎问题的相关性

F ig.2R e l a ti ons h i p bet w een d ifferent stra i n and squeezi ng and

fract u ri ng of tunne l

3高地应力区挤压破碎围岩隧道设计与施工技术

由于高应力挤压破碎围岩隧道显示与通常的山岭隧道不同的动态,因此事先要对其性状和规模作调查,参考有关类似条件的施工实例,从而制定相应的设计和施工计划。此外在施工中也要进行充分的调查和测量,并根据围岩的动态,进行必要的设计和施工方法的变更。

高地应力区挤压破碎围岩隧道,开挖后隧道变形

21

第6期赵运臣等高地应力区挤压破碎围岩隧道施工技术探讨

大,初期支护承受较大的围岩压力。根据工程实践,应完善新奥法设计与施工体系,确立/以抗为主,以让为辅0的思想。

根据高地应力区地下工程结构受力的特点,设计

符合工程需要的结构优化断面,是进行支护设计的基本点;采用快速施工,及时支护,受力合理的支护结构型式及参数,施工监控量测与信息反馈是施工中的必要环节,

对优化设计与施工具有重要的意义。

3.1 结构断面优化

在以新奥法原理进行施工的地下工程中,强调围岩与支护结构的共同作用能力。在一定的力学条件下,对于拉压强度差异较大的破碎围岩及支护结构,如何在洞室开挖后使围岩与支护结构处于受压状态,是优化设计断面的基本条件之一。根据经验,高地应力区挤压破碎围岩隧道断面型式近似圆形断面,综合考虑隧道断面利用率,一般选择多心圆断面。

3.2 施工方法

围岩水平收敛应变达到1%,根据经验判断很少

发生隧道失稳问题。这种情况下,一般采用喷射混凝土、岩石锚杆、轻型钢拱架支护。对于不同的应变水平选择合适的施工方法,对于挤压破碎隧道开挖面稳定是一个非常关键的因素,隧道开挖面失稳不仅威胁工人的安全,而且对隧道后期变形具有重要影响。如果

不采用合适的方法及时制止隧道失稳,可能由于开挖面或初支之间坍塌引起非常大的事故。

目前,处理挤压破碎隧道开挖面坍塌的方法可以分成三类,超前小导洞是其中之一,这种方法优点是小导洞开挖面较小,需要的支护也少,同时为后续施工提

22隧道建设 2005年12月 第25卷

分部开挖适合于挤压破碎非常严重的围岩隧道,易于控制隧道开挖面的稳定。但一定保证开挖过程中不同开挖步初支混凝土不超载。如果采用上下台阶法和全断面法,随着挤压破碎严重程度增加,需要加强钢拱架支护,并及时封闭。

对于挤压破碎非常严重的围岩,必须根据组合喷混凝土、锚杆、钢拱支撑等支护,尽可能迅速闭合开挖断面,使围岩早期受到约束。喷混凝土在开挖后立即施工,可以防止围岩松弛和风化作用,这在高应力挤压破碎地层中效果也显著。

在净空位移大的场合,因隧道断面的闭合关系,大量的土压会作用于支护上,使喷混凝土发生龟裂破坏,而造成剥落。在这种场合,有必要设置金属网或采用喷射钢纤维混凝土的补强办法等。此外,也可考虑采用切缝喷混凝土的办法。

因岩体挤压位移使二次衬砌厚度和净空断面不足的场合,为了确保隧道的净空断面,有时不得已要进行再开挖返工,而这种再开挖作业,在隧道作业中是最危险的作业之一,故必须极力避免。

为此,加强现场监控量测,在分析隧道的位移特性基础上,设置充分变形余量。

为控制隧道变形过大,可考虑增大支护构件强度、及时闭合、对开挖断面要预留变形余量等对策。主要的变形对策如表4。

表4隧道变形控制对策

T ab l e4Counte r measures for Tunnel D efo r ma ti ons 支护措施变形小变形中变形大备注

增加喷混凝土厚度o o增喷厚度要有界限

增加岩石锚杆数量p p p 增加岩石锚杆长度o p 因施工时间增长,支护效果有时被抵消

增加钢拱支撑数量v v 增加钢拱支撑规格v o o

仰拱及时闭合p p 包括分多部开挖时的临时仰拱闭合

仰拱圆形化p

超前支承v v~o

变更开挖施工法v o

变更掘进长度o p

地基改良o

预留变形余量v o~p p

注:p特别有效的方法o有效的方法v可采用的方法

3.2.1喷混凝土

喷射混凝土对控制隧道变形具有重要的作用。对于挤压破碎围岩隧道施工,当发生龟裂等变形时,局部补强可采用增喷混凝土,喷射厚度设计一般是25c m 左右。当要提高喷混凝土的弯曲刚度而净空断面无余量的多数场合,往往须考虑到使用纤维补强混凝土或高强度混凝土,以期达到尽量减小喷射混凝土厚度。

因为增强喷射混凝土,是作为支护补强的一种有效手段,为了避免隧道的再开挖和修补等危险作业,应有效地运用喷射混凝土技术。

3.2.2岩石锚杆

若隧道净空位移较大,增加喷射混凝土层厚度是无意义的,这种情况要考虑增打岩石锚杆等方式。当隧道净空位移量大而仍未停止发展时,要对该地点实施增设锚杆的施工处理。设置岩石锚杆时的基本思路如下:

①在支座板弯曲明显、或轴力测定值超过基准值时,岩石锚杆的张力过大,但又判断出仍可有效发挥其作用时,就须考虑增加相同长度岩石锚杆的根数,考虑设置系统锚杆。

②净空相对位移和地中相对位移呈现出比较大的值,但岩石锚杆的轴力测定值是微小的,而压缩力又发生作用时,要增加岩石锚杆,出现打设后的过大张力,有锚固不足的情况或松驰区域发展到比岩石锚杆的长度更深的地方的情况。在这种场合,要根据情况来判断是属于哪一种情况,反馈于设计而必须进行慎重研究。

③设置岩石锚杆基本原则是:采取足够的锚固长度,做到锚固长度大于松驰区域,但考虑到施工方法和地质条件间的关系,要选择合适的螺纹锚杆。

由于打设长进尺岩石锚杆要在施工上花很长时间,在这期间会发生松驰范围增大、因钻孔用水对围岩会造成恶劣影响这类问题,因此,在锚杆施工时,必须考虑其长度和围岩状况等而采用恰当的施工方法和施工设备。

3.2.3钢拱支撑

当喷混凝土层上沿钢拱支撑发生龟裂,或观察到钢拱支撑变形和压屈时,虽然有增强支护的必要,但在已施工区间,则可用加喷混凝土和增打岩石锚杆等办法作相应处理。对于同等地质的未施工区间,可采用提高钢支撑的规格或缩短支护间隔的办法而作相应处理。

3.2.4仰拱

在仰拱施工结束之后确认有围压挤压破碎,轻微时可用增打岩石锚杆处理,显著时就必须要再开挖、设置钢筋混凝土等支撑。对于同等地质的未施工区间,还要考虑到修正仰拱形状、向早期闭合可能性更高的施工法的变更、设置钢筋混凝土等支撑。

此外,为了抑制超前位移,力求掌子面和拱顶的稳

23

第6期赵运臣等高地应力区挤压破碎围岩隧道施工技术探讨定,必须对有关超前支承加以研究。对于发生了变形时所选定的支护型式归纳示于表4。

3.2.5辅助施工技术

在施工遇到地层自稳能力差,围岩挤压破碎严重,为了抑制超前位移,力求掌子面和拱顶的稳定,必须对有关超前支承的型式加以研究。如采用超前管棚、注浆小导管进行超前支护;采用玻璃钢注浆锚杆、全断面注浆加固开挖面等措施。合理选择辅助施工技术具有重要意义。

3.2.6二次衬砌

对于一般围岩条件,二次衬砌与初期支护一起构成确保隧道稳定的支护结构,同时作为隧道内部装饰,一般用无钢筋混凝土,但对于高应力区挤压破碎围岩,二次衬砌通常要承受较大的围岩压力,同时为预防将来的荷载变化,大多采用钢筋结构。为了抑制隧道的变形,必须研究隧道围岩压力条件进行合理设计。4结论

由于交通、采矿等工程的发展,大量的隧道工程修建在高应力挤压破碎地层,当围岩强度为地应力的五分之一时,隧道将出现很多问题。本文介绍了国外有关挤压破碎围岩的估计方法,及不同挤压破碎围岩所采用的施工方法,同时介绍了控制隧道大变形技术措施,以期能对我国高应力区地下工程建设有所帮助。

参考文献

1Evert Hoek.B I G TUNNELS I N BAD RO C K[J].GEOTECHN I-CAL AND GEOENV I RONM E NTAL ENG I NEER I NG,2001,9

作者简介:赵运臣,男,1973年9月生,工程师,大学本科, 1996年毕业于兰州铁道学院,铁道工程专业。主要从事隧道与地下工程专业工作。

收稿日期:2005-01-13

(上接10页)

2吴雪娟.耗散结构系统的负熵及其实现过程[J].系统辨证学学报,1995,3(2):74~77

3许传华,任青文.围岩稳定分析的熵突变准则研究[J].岩土力学,2004,25(3):437~440

4郑颖人,刘兴华.近代非线性科学与岩石力学问题[J].岩

土工程学报,1996,18(1):98~100

作者简介:梁晓丹,女,1968年生,汉族,广西壮族自治区容县人,中国矿业大学博士研究生,从事岩石地下工程稳定性方面的研究。

收稿日期:2005-08-09

(上接14页)

4结论及体会

①通过以上分析,成都市南部地铁区间隧道采用自然通风方式是可行的,能满足地铁区间隧道的通风功能要求,同时具有节约初期的工程投资和今后运营费用等优点。

②自然通风模式之所以在成都南部地铁能实现,主要是由于该工程的周边环境尚未按规划条件完全实施,因此,地铁的修建宜早不宜迟,早建不仅为国家节约大量的工程投资,还可以提前创造较大的社会效益。尤其是作为西部大都市的成都,在地面交通已严重饱和的情况下,显得更为迫切。

③自然通风应用于地铁的运营通风模式,在国内尚属首次。为地铁的通风系统提供了一种全新的理念。与此同时,也会带来很多新的课题,比如地面开口,由于大气降水直接进入区间隧道,会相应地增加地铁内的湿度和增大地铁区间的排水量等问题,希望广大同仁在今后作进一步的研究和探索。

参考文献

1国家技术监督局,中华人民共和国建设部.GB50157-92地下铁道设计规范-中华人民共和国国家标准[S],1992

2冯炼,刘应清.地铁阻塞通风的数值模拟[J].中国铁道科学,2002,23(3)

3欧阳沁,江泳,朱颖心等.关于地铁隧道区间段阻塞工况临界通风速度的研究[J].都市快轨交通,2002,2(2)

4刘国芳.北京地铁通风系统的现状分析和改进意见[J].铁道建筑,1995,(3)

作者简介:陈中,男,1970年10月生,1995年毕业于西南交通大学隧道专业,工学学士,现就职于成都地铁有限责任公司,工程师。

收稿日期:2005-05-18

(上接16页)

5结束语

以上是笔者在实际设计过程中的一点总结,希望能引起设计人员对综合管线的重视。

作者简介:胡建国,男,1977年9月生,2001年毕业于湘潭工学院工民建专业,工学学士,中铁隧道勘测设计院有限公司助工,主要从事地下铁道设计工作。

收稿日期:2005-04-29

24隧道建设2005年12月第25卷