（岩土工程专业论文）攀田高速公路隧道病害处治技术研究.pdf

摘要 随着我国国民经济的高速发展和西部大开发战略的深入实施，西部地区的高等级公 路、铁路、水电工程建设规模日益扩大，隧道项目越来越多。在隧道修建过程中，隧道 塌方、大变形等问题成为人们日益关注的病害问题。隧道塌方、大变形发生原因复杂， 发生后不仅延误工期、大幅度提高工程费用，而且易出现人员伤亡。因此研究隧道塌方 和大变形的发生原因及其处治方法愈显紧迫与重要。 本文依托四川省攀枝花至田房高速公路建设项目，讨论了隧道塌方、大变形病害的 分类和形成机理，介绍了隧道塌方、大变形病害处治原则及处治措施。结合攀田高速公 路梨园箐1 号隧道塌方和望江岭隧道大变形的病害问题，分析了其产生的原因及发展过 程，根据病害的实际情况提出了处治方法。通过施工监控量测对处治过程进行了监控， 运用有限元分析法对隧道塌方、大变形处治前后的效果进行了数值模拟分析。通过对监 控量测和数值模拟计算结果的分析，说明了处治方法的合理性。本文的研究工作对今后 隧道塌方、大变形病害处治具有借鉴意义。 关键词：公路隧道，塌方，大变形，处治技术，评价 a b s t r a c t a l o n g 、 ，i t hh i g hs p e e dd e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r yi n f r a s t r u c t u r ee n t e r p r i s ea n dw e s t e r n d e v e l o p m e n t ，t h eh i g h w a y ，r a i l w a ya n dw a t e r - p o w e re n g i n e e r i n ga red e v e l o p e dr a p i d l yi no u r c o u n t r y ，al a r g en u m b e ro ft u n n e lp r o je c t sw i l lb es t a r t e d t h ec o l l a p s ea n dg r e a td e f o r m a t i o n o ft u n n e lb e c o m et h eb i gp r o b l e mc o n c e r n e db yp e o p l e t h ec o l l a p s ea n dg r e a td e f o r m a t i o n r e l s o n so ft u n n e li sc o m p l i c a t e d ，n o tm e r e l yd e l a yp r o j e c tt i m e ，a l s oi m p r o v et h ep r o j e c t e x p e n s e sa n db ed a n g e r t ot h ew o r k e r s s ot h es t u d yo ft h et u n n e ls h o wu r g e n t l ya n d t h i sa r t i c l eb a s eo np i a n t i a nh i g h w a yp r o j e c t ，d i s c u s st h ec l a s s i f i c a t i o na n df o r m a t i o n m e c h a n i s m ，g i v et h ep r i n c i p l ea n dp l a no fd i s p o s ei nc o l l a p s ea n dg r e a td e f o r m a t i o no ft u n n e l c o m b i n i n gc o l l a p s ea n dg r e a td e f o r m a t i o no ft w ot u n n e l si np a n t i a nh i g h w a y ，a n a l y z e di t s c a u s er e a s o na n de v o l u t i o np r o c e e da n dt h ed i s p o s ep l a n u s i n gt h et u n n e lm o n i t o r i n gc o n t r o l i nt h ep r o c e e do fd i s p o s i n g ，a n da l s ou s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n a l y z et h ed i f f e r e n c e o ft h ed i s p o s i n ga n du n d i s p o s i n g a n a l y z i n gt h es t r a i nf r o mt h es i m u l a t i o n a n a l y s i s c o n t r a s t i n gt h er e s u l t so ft h et u n n e lm o n i t o r i n ga n df i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n a n a l y s i s ，i ti si n d i c a t e dt h a tt h ed i s p o s em e t h o di sp r o p e r t h es t u d yo fp a p e ri si n s t r u c t i v ea n d w o r t h yo fl e a r n i n g k e yw o r d s ：h i g h w a yt u n n e l ；c o l l a p s e ；g r e a td e f o r m a t i o n ；d i s p o s ep l a n ；e s t i m a t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外， 对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：苌躲球 删年月；日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：三长极本 加9 9 年垆月；日 导师签名： 伊萨甲月3 日 长安大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 公路隧道作为高速公路快速发展不可或缺的地下工程，在世界各国尤其是发达国家 得到了广泛的应用。随着我国国民经济的发展，我国的隧道建设也取得了长足的进步， 截止2 0 0 4 年已建铁路隧道、公路隧道8 6 0 0 多座，总里程接近5 0 0 0 k m 。已经建成或正 在修建的秦岭终南山隧道( 1 8 2 k m ) 、大坪里隧道( 1 2 k m ) 、包家山隧道( 1 1 2 k m ) 、雪 峰山隧道( 6 8 9 0 m ) 、铜锣山隧道( 5 1 9 7 m ) 、华蓥山隧道( 4 7 0 6 m ) 、鹧鸪山隧道( 4 4 0 0 m ) 、 泥巴山隧道( 8 0 0 0 m ) 等将我国隧道建设的规模推向新的高潮。但是，由于我国公路隧 道建设起步较晚，与发达国家相比，在技术上还存在一定距离，加之地质、设计、施工 等方面的原因，隧道病害问题日益严重。其中，隧道塌方、大变形作为隧道工程围岩变 形破坏的主要形式，一直成为困扰地下工程界的重大问题。在隧道施工的整个过程中， 一旦发生这些灾害性的事故，不仅延误工期、大幅度提高工程费用，也会出现对人身的 伤害；如果处理不当，也会遗留工程质量隐患，给工程维修养护造成极大困难m2 ，3 。 塌方作为隧道工程围岩变形破坏的形式之一，其产生原因复杂，既有地质及施工水 平的原因，也有相关人员的认识问题；塌方危害巨大，是对现场施工人员威胁最大、最 容易产生伤亡的工程事故；塌方治理不易，若不根据具体情况对症下药，很难将其根治， 因而容易出现边治边塌的情况，若治理不彻底，将会给隧道的使用安全造成重大隐患。 围岩大变形作为隧道工程围岩变形破坏的另一种形式，也日益引起地下工程界的重 视，其产生的影响一方面由于围岩的变形量值特别大( 几十厘米至一百多厘米) ，洞壁 位移后往往侵入模注混凝土衬砌净空，使施工处理十分困难；另一方面随着我国隧道建 设的发展，大变形事故日益增多，在设计和施工方面都没有一套可靠的办法，直接导致 工程投入的急剧增加h 1 。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 塌方研究现状 发生隧道塌方的原因是多方面的，有地质上突发的原因，也有人们认识上的原因， 有的是由于经验不足，还有的是存在着一些“不塌方不赚钱的观点，塌方发生原因大 致可分为以下四个方面1 ，2 2 3 0 第一章绪论 1 地质因素 在勘察和施工过程中对地质情况认识不清，造成施工时出现了塌方： ( 1 ) 在开挖过程中，围岩的地质条件突然变差，如从i i i 级突然变化到v 级围岩； ( 2 ) 施工过程中出现了较大的断层、破碎带或软弱夹层； ( 3 ) 出现了特殊的不良地质，如膨胀岩、高地应力、溶洞、涌水等。 2 设计因素 ( 1 ) 洞口的位置选择不恰当，如位于较大的滑动体或断层之中，从而引发洞口塌 方； ( 2 ) 设计的支护参数偏小，无法保证围岩从开挖后n - 次衬砌施作这段时间内的 稳定； ( 3 ) 针对特殊不良地质地段，设计上给出的处理措施不当。 3 施工技术因素 ( 1 ) 根据局部地质状况，需要采取超前支护措施而未采取或虽然己采取了措施但 其质量和效果未能达到要求； ( 2 ) 开挖方法不正确，如应该采用半断面开挖而实际采用了全断面，应该采用分 部开挖而实际采用了全断面或半断面等； ( 3 ) 初期支护未按设计的参数进行，如锚杆的长度、间距、喷射混凝土的厚度等， 使围岩的稳定性达不到要求； ( 4 ) 隧道的爆破设计有问题，造成对围岩的扰动过大； ( 5 ) 施作二次衬砌的时间太迟，围岩和初期支护无法承受应力重分布后带来的直 接作用而发生塌方； ( 6 ) 采用长台阶法施工时，上、下台阶的间距太大，直接导致塌方的发生； ( 7 ) 在软弱围岩的施工中，没有及时施作仰拱，未形成封闭的环状受力； ( 8 ) 采用新奥法施工时，没有按时、按量的开展测量工作或虽开展了测量工作， 但未及时进行信息反馈，从而造成决策失误。 4 管理因素 ( 1 ) 未经上级部门的同意，擅自改变施工方法，如开挖方式、支护方式等； ( 2 ) 不严格遵守设计文件、施工组织设计、隧道施工技术规范、隧道验收评定 标准的要求和规定组织施工，达不到“均衡生产、有序施工”的要求； ( 3 ) 安全、质量意识淡薄，在施工中存在侥幸心理、偷工减料、弄虚作假等，造 2 长安大学硕士学位论文 成支护质量远远达不到设计要求； ( 4 ) 由于不合理工期、不合理造价等宏观决策，引起施工过程中强行追求进度， 造成支护强度达不到应有的要求，从而引发塌方。 对于塌方的处理，国内外学者也总结了很多经验，并结合实际工程验证了超前( 注 浆) 小导管、大( 小) 管棚、注浆等技术的综合运用在处治塌方中取得了良好的效果。 1 成渝高速公路缙云山隧道1 2 2 3 缙云山隧道施工过程中，因地质构造复杂，节理发育，地下水丰富以及断层破碎带 的影响，先后发生了5 次大规模的塌方，其中以4 号塌方规模为最大：里程k 3 2 9 + 6 7 4 + 6 9 6 ，长l = 2 2 m ，宽b = l o 一- - - 1 4 o m ，塌方高度h = 1 8 , - 一2 5 m ，塌方数量4 0 0 0 5 0 0 0 m 3 。在塌 方处治的过程中采用喷锚支护和小导管对未塌方的边墙及拱部进行加固，以防止塌方的 进一步发展和扩大；然后对坍塌面进行初期支护，并施作1 0 m 厚的混凝土护拱和1 2 1 5 m 的土石缓冲层，在护拱的保护下进行塌方处理；最后在衬砌背后进行填充注浆。 2 京珠高速公路靠椅山隧道2 2 3 1 9 9 9 年9 月4 日，隧道右线进口y k l 4 5 + 0 1 4 + 0 2 8 段初期支护发生脆性破坏，突然 发生大塌方，2 0 0 0 0 余m 3 泥流涌入隧道内，堵塞隧道长度达1 8 8 m ，其中l o l m 空间被全 部堵满，地表形成一长约7 0 m 、宽5 0m 、深2 0 m 的陷穴。塌方处理时首先对地表陷穴进 行排水并进行深孔注浆固结塌方体，然后对洞内采用双侧壁导坑法施工，并辅以超前注 浆小导管，锚喷、钢拱、周壁注浆小导管等支护措施，二次衬砌紧跟通过。 3 福建1 0 4 国道福州至宁德间的飞鸾岭隧道m 2 2 3 1 9 9 6 年2 月2 8 日围岩出现声响，喷层上出现裂纹，随后靠近开挖面l o m 长度的初 期支护包括格栅拱全部垮塌下来，并一直坍塌至地表，形成冒顶塌方，地表形成9 o m 1 5 o m 的凹形漏斗，在塌方周围3 5 m 半径范围内出现大量裂缝。在地表采用喷射混凝 土和锚杆挂网封闭地表；在塌方稳定3 天后，清刷坍口松动土方，刷方、夯填后打设地 表注浆管，灌注水泥砂浆，然后采用喷锚网封闭坍口，局部用沙袋回填仰坡上方的凹部； 洞内塌体设止浆墙、安设注浆导管进行循环注浆。 4 海南环岛高速公路青岭隧道m 2 2 3 1 9 9 8 年8 月6 日，由于未对开挖面附近的围岩情况了解透彻而采用钻爆法施工，所 以当隧道施工至y k 3 0 4 + 0 3 8 ，隧道开始坍塌，并逐渐发展，第二天塌方发展到y k 3 0 4 + 0 6 5 。 从地表看有两个断层，节理面上有少许泥土，破碎、挤压强烈，塌方未塌至地表。根据 地震c t 层析成像法探测出断层破碎带构造情况分析和计算，为确保施工安全通过塌体， 第一章绪论 先对塌体作适当的注浆固结，然后采用偏心钻具扩孔同步带进钢套管的钻进技术，在拱 部设管棚工作室，安设长3 0 m ，1 2 7 r a m 的长大管棚，一次跨过2 7 0 m 长的塌体。青岭 隧道塌方的处理成功，说明采用“注浆+ 长大管棚”技术是处理大型塌方的先进有效的 技术手段。 5 广深珠高速公路白花山隧道1 _ 2 2 3 白花山隧道1 9 9 6 年8 月8 日贯通，8 月1 8 日发生特大塌方，塌方里程为b y k 4 + 2 0 0 - - 一 + 2 4 0 。塌落体土石方充满了隧道空间，顶面长4 0 m ，底面长6 0 m ，塌方量约8 0 0 0 m 3 。塌 方时洞内拱部所有的一次衬砌都已完成，边墙除b y k 4 + 1 9 0 + 2 2 3 段一次衬砌尚未做外， 其余均己做完。在塌方稳定后，立即对塌方体两头斜坡端面喷射c 2 0 早强混凝土进行封 闭，然后在塌方体上砌筑两级7 5 # 浆砌片石台阶进行护面，阻止塌体变形的进一步扩展， 为了限制初期支护的继续变形，维护塌体稳定，在塌体两端设立了满堂式钢木混合扇形 排架，进行支顶。对塌方体后方加设临时钢支撑，进行环向注浆，然后在超前长、短管 棚的保护下，采用正台阶分层开挖结合双侧壁导坑施工的方法进行塌体掘进。 1 2 2 大变形研究现状 对于围岩大变形问题，自1 9 世纪中叶，铁路隧道底鼓、仰拱破坏的出现引起人们 的关注( p r e s s e l 和k a u f f m a n n ，1 8 6 0 ) ，首例严重的交通隧道软弱围岩大变形应该是1 9 0 6 年竣工的长1 9 8k m 的辛普伦i 线隧道。此后，日本的惠那山( e n a s a n ) 公路隧道( 8 6 3 5 m ) 、 奥地利的陶恩( t a u e m ) 公路隧道( 6 4 0 0 m ) 、阿尔贝格( a r l b e r g ) 公路隧道( 1 3 9 8 0 m ) 等都是典型的国外隧道围岩大变形工程实例。国内方面，青藏线的关角隧道( 4 0 0 0 m ) 、 宝中线的木寨岭隧道( 3 1 3 6 m ) 及堡子梁隧道( 1 9 0 4m ) 、南昆线上的穿越煤系地层的 家竹箐铁路隧道( 4 9 9 0 m ) 、铁山隧道( 2 0 9 9m ) 以及国道3 1 7 线鹧鸪山公路隧道( 4 4 4 2 m ) 等工程均出现了不同形式和程度的围岩大变形情况，给工程建设造成极大的困难。国内 外学者们已经做了不少的探索工作，也总结了很多关于围岩大变形的处治措施，并取得 了不错的效果，但由于围岩大变形理论研究的不成熟，加之现场地质状况的复杂性，围 岩大变形问题的研究成果较少n 1 z3 1 。目前研究工作主要表现在以下几个方面。 1 地应力问题 地应力问题与开挖隧道而引起的围岩变形等岩石力学现象有着密切的联系，它是隧 道围岩变形、破坏的根本作用力，直接影响到围岩的稳定性。其中高地应力是隧道工程 岩体产生岩爆、大变形等地质灾害的主导因素。地应力问题对国内外许多岩石工程的围 4 长安大学硕士学位论文 岩稳定性及施工安全产生影响。这一问题虽然引起了世界岩石力学和工程地质学界的极 大关注，但由于岩体的复杂性和受各种地质环境条件的影响，高地应力的界定还缺乏统 一的标准，高地应力的级别、特征对于岩爆、大变形等的影响程度问题尚欠深入研究。 国外方面，法国隧协、日本应用地质协会和前苏联顿巴斯矿区等采用岩石单轴抗压 强度( 凡) 和最大主应力o r 。的比值r o r 。( 既岩石强度应力比) 来划分地应力级别， r q 2 为极高地应力。薛玺成的地应力分级方案在物理 概念上与陶振宇的高地应力定性法则并无本质区别。 姚宝魁、张承娟( 1 9 8 5 ) 认为e 1 0 1 , 陶振宇、薛玺成等人的分级、评价方法没有考 虑到岩体的变形和稳定条件，因而在工程实践中难于应用；他们认为应从工程岩体的变 形破坏特性出发，考虑地应力对不同岩体的影响程度，他们继承了b a r t o n 等人( 1 9 7 4 ) q 系统分类指标的物理概念，提出用以下式作为判断高地应力的标准： q = ( 0 1 5 - - 0 2 0 ) r b ( 1 2 ) 中华人民共和国技术监督局、中华人民共和国建设部1 9 9 4 年联合发布的岩土工 程勘察规范( g b 5 0 0 2 1 9 4 ) 附录二中也采用岩石强度应力比( r o r ，) 来划分高地 应力级别，规定：兄o r 。= 4 - - - 7 为高地应力，咒o r 。 5 0 0 0 塌方规模小型中型 大型特人型 围岩级别i i 、i 、v 、v 、v 、 2 1 2 隧道围岩大变形 1 隧道围岩大变形的定义 目前，关于围岩大变形还没有一个明确而清晰的定义。在理论上，有些学者注重或 侧重于某一类型的大变形的研究，如软岩类、膨胀岩类、深部软岩类、挤压性围岩的大 变形，但系统研究很少。在工程实践中，围岩大变形至今未列入设计规范。因此要定义 大变形，必须明确大变形的研究范畴，具体包括：明确发生大变形的隧道围岩岩性条件， 明确发生大变形的环境条件和约束条件，明确大变形与小变形的区别，明确大变形的力 学机理。 ( 1 ) 围岩岩性条件、工程环境 国内外学者们一致认为，大变形是发生在软岩中的一种现象。然而软岩的定义在国 内外一直争论不休，对软岩的定义多达几十种，概括起来可分为描述性定义、指标化定 义和工程定义三种。现行的公路隧道设计规范采用的是指标化定义，将饱和抗压极 第二章隧道病害类型及机理分析 限强度小于3 0 m p a 的叫软岩。同时，发生大变形一般处于深埋条件下，受构造影响， 一般具有较高地应力。 ( 2 ) 隧道变形的力学机制条件与破坏机理分析 人们一般按形成机制将围岩大变形分为两类：一是开挖形成的应力重分布超过围岩 强度而发生塑性变化，如果介质变形缓慢，就属于挤出( 如果变形是立刻发生的，就是 岩爆) ；二是岩石中的某些矿物和水反应而发生膨胀，水及膨胀性矿物的存在，对于膨 胀变形是必须的。隧道大变形的发生，可能是上述单一或共同作用所致。“大变形破坏 与“小变形破坏”的区别不仅仅是变形量的差异，更重要的是在“变形破坏机理”上的 本质差别。大变形破坏一定是“失稳”破坏，而小变形破坏则不一定是“失稳 破坏， 在通常情况下，小变形破坏不会产生严重的后果。 ( 3 ) 隧道的支护条件 大变形是在常规支护结构不能提供足够的支护力，围岩变形得不到有效约束控制而 产生显著的塑性变形时才会发生。合理的支护措施和科学的施工方法能够有效的抑制大 变形的发生：反之，不合理支护措施和不规范的施工方法则可以促成大变形的发生，甚 至使地质条件较好的围岩发生大变形。例如：支护结构刚度过小、支护结构施作不及时、 监控量测工作不到位，则不能对围岩提供足够的支护力，使围岩变形无法得到及时控制， 从而造成大变形、塌方病害。 ( 4 ) 隧道大变形与小变形的区别 变形量是判断大变形最直观的指标。从变形量上判定大变形的原则是：围岩变形量 超过了设计的预留变形量，或有超过设计预留变形量的趋势，给施工处理造成了较大的 难度，就应该视为大变形；如果围岩变形量在设计预留变形量之内，则可视为正常的小 变形。设计预留变形量可作为区别大变形与小变形的临界变形量。 ( 5 ) 大变形发生的时间条件 对于初期支护，从监控量测的结果上看，内空收敛在很长时期不收敛，有的达到好 几年。即使及时施作二次衬砌去抑制变形，也可能对二衬造成破坏影响，造成混凝土结 构开裂、垮塌。 由以上分析，可对隧道围岩大变形作以下定义：在软弱围岩深埋隧道或具有膨胀性 岩石在有地下水条件的隧道中，采用常规支护围岩发生塑性破坏，变形得不到有效的约 束，变形量超过了规范允许的变形量( 或设计预留变形量) ，或有超过规范允许变形量 ( 设计预留变形量) 的趋势，或在隧道完成二次衬砌较长时间后，隧道边墙、拱部和隧 1 2 长安大学硕士学位论文 底产生破裂、隆起现象的可视为隧道围岩大变形。围岩大变形区别于一般岩体失稳如岩 爆、坍塌等围岩局部破坏的显著特征，是围岩的塑性变形，并具有累进性扩展和明显时 间效应的特征，并给施工处理造成了较大难度。 2 隧道围岩大变形的类型7 3 6 1 根据对围岩大变形的定义和对大变形形成机制的研究，可将围岩大变形按照不同的 受控条件划分为：受围岩岩性控制型，受围岩结构控制型和受人工采掘扰动控制型。 ( 1 ) 围岩岩性控制类型 软弱围岩类，包括岩性软弱的泥质页岩和砂质泥岩、泥灰岩以及具有膨胀性的软岩 等，这一类型的围岩往往保持岩体的原生结构，在高应力状态下围岩岩体产生流动或塑 性变形，在地下水的参与下岩体软化流动，当岩体中含有膨胀性矿物时也会发生膨胀变 形。根据软岩中结构面的发育特征，划分为均质类型、层状类型、互层状类型、具膨胀 性的软弱岩类型。软弱围岩类围岩大变形的特点是： 围岩为强度较低的软岩类，在结构上岩体具有原生结构的特点，这类围岩也包含 了软岩中具有膨胀性的岩石。 围岩的环境条件不同程度地存在高地应力问题，地应力达1 6 - - - - 2 3 m p a ，由于围岩 强度低，形成了很高的应力强度比。 围岩的变形破坏主要为围岩的挤出作用，而具有膨胀性的软岩的膨胀作用并不显 + 者o 地下水对软岩的软化作用在围岩大变形中发挥很重要的作用。 围岩变形破坏的模式主要为塑性流动、弯曲变形。 ( 2 ) 岩体结构控制型 这种围岩变形类型，发生在岩体受构造改造和浅表生改造的岩体中。按照岩体结构 形成机制类型，可以划分为构造改造型和浅表生改造型。 构造改造型 围岩岩块呈现出较坚硬岩的特性，但围岩岩体强度受其结构特征的影响，岩体变形 受围岩应力环境的明显控制，当隧道开挖前处在高围压状态时具有较高的强度和稳定 性，当围压降低、围岩应力差增大时，结构面张开或滑移，围岩整体强度和模量降低， 表现出显著的结构流变特点。 按改造程度，可进一步划分为碎块状结构型和块裂状结构型。碎块状结构型是断层 破碎带以及影响带的破裂围岩岩体在高地应力条件下产生的大变形。块裂状结构型是受 第二章隧道病害类型及机理分析 构造作用多期改造的坚硬或半坚硬裂隙化岩体，通常情况不具有显著的流变性，而是在 一定的应力环境条件下，就会发生显著的流变并产生围岩大变形。 构造改造型大变形的特点： 围岩岩体的特性是岩块的强度较高，但结构面发育，为断层带碎裂化岩体，或者在 硬岩中不规则地发育有多组、多种性质的软弱结构面或软弱带，岩体破碎。 围岩一般处于较高的应力状态，围岩因高围压而紧密闭合；而在开挖卸荷后，结构 面易张开滑移，因此，岩体强度远低于岩石强度。 围岩变形破坏演化机制表现为渐进和累进性发展的，其变形破坏形式为塑性契体挤 出、结构流变等。 浅表生改造型 受地表成坡过程中浅表生改造作用的影响，近地表一定深度的岩体在垂向及侧向卸 荷作用的改造下，岩体被碎裂化，遭受改造的程度不同，碎裂化的程度也不同，可进一 步划分为碎块状结构型和块裂状结构型。 碎块状结构型是遭受浅表生作用改造的岩体，隧道围岩体处于浅表生改造带，在围 岩体演化改造过程中，岩体遭受水平剥蚀或侧向移动的改造作用，岩体一方面形成新的 结构面，同时也会产生应力集中现象。隧道工程在这类围岩中通过，由于围岩岩体较为 破碎，围岩具有高应力，隧道开挖形成的围岩松动圈扩展具有累进性特点。 块裂状结构型是在遭受近地表浅表生作用改造而形成的移动变形体下部开挖隧道 时，隧道围岩的地应力已经释放，围岩岩体表现为近散体的结构特征，围岩的自承载能 力基本丧失，围岩变形破坏的扩展过程很快，可以一直发展到地表。 浅表生改造型大变形的特点是： 遭受浅表生改造作用岩体所处的地应力总体上不高，但在局部也可形成地应力集中 现象。 在地表破碎岩体中的大变形是一种近似于散体结构的围岩岩体，围岩未进行充分支 护，将使围岩的松动圈不断累进性地扩展，最终导致大变形的发生，产生变形可以贯穿 到地表。 ( 3 ) 人工采掘扰动控制型 人工采掘扰动控制型即采煤活动形成煤层采空区的变形，隧道通过采空区时，采空 区岩体的移动导致隧道衬砌结构变形、破裂，按采空区岩层走向与隧道的关系划分可为： 倾斜型、水平型。 1 4 长安大学硕士学位论文 人工采掘扰动控制型大变形的特点是： 由于人工采掘活动产生的采空区变形，导致在采空区上部修建的隧道产生的大变形 是一种特殊的围岩大变形类型。 采空区变形引起的上部岩体变形具有沉降盆地变形的特点，隧道处于陷落区、下沉 区以及接触部位不同的区域具有不同的变形形式和特点。由于沉降盆地变形的时间效应 特点，围岩变形过程也具有明显的时间效应特点。 地下采空区发育的位置、产状、分布特点控制着上部围岩大变形特征和剧烈程度。 2 2 隧道病害机理分析 2 2 1 隧道塌方形成机理2 3 3 1 洞口塌方 由于洞口一般为堆积层或风化严重、破碎的岩体，其自稳能力以及整体稳定性均较 差，同时又处在浅埋地段，如果在进洞前未对边仰坡采取一定的技术措施( 如刷坡卸载、 喷锚支护、注浆加固等) ，或采取的技术措施未能达到要求时，在进洞后，必然引起上 端围岩发生应力重分布，在重力作用下出现下沉或开裂变形，当这些变形发展到一定程 度时，极限平衡被打破，导致大面积的整体失稳，进而发生整体坍塌，这就是洞口塌方。 2 洞内石质类塌方 隧道或洞室开挖后，使其周边的岩石处于悬空状况，同时发生下沉或收敛变形，以 释放其内部应力，由于岩石体中存在层理和节理( 有时还有软弱夹层) ，使周边的部分 岩块在重力作用下，具有下落和挤出的趋势，如果此时未采取相应的支护措施或所采取 的支护措施达不到控制其变形发展的要求时，必然会出现“掉块”现象，当这种“掉块 的数量达到一定数值时，就是塌方。 3 洞内土质类塌方 土质类隧道或洞室开挖后，由于围岩的c 、巾值较低，周边一定范围内很快发生松 弛变形，随着这些变形的逐渐扩展，围岩的整体强度降低，进而引发局部的塑性破坏， 在围岩( 土质体) 内部出现空洞导致局部发生坍塌，局部( 浅埋时在地表) 出现下沉， 塑性区进一步扩大，最终导致整体失稳，大面积坍塌，这就是塌方。这类塌方表现为： 塌体为松散的砂、土( 或碎石) 混合体，数量较大，塌腔形状较为规则，一般为圆弧形 或拱形。 第二章隧道病害类型及机理分析 2 2 2 隧道围岩大变形形成机理 1 挤压性围岩变形力学分析3 2 3 5 - 3 6 1 ( 1 ) 洞室开挖前的应力状态 洞室开挖前岩体的初始应力状态。一般由自重应力和构造应力仃，组成，即： 仃= 仃 + 仃， ( 2 1 ) 在平面应变的假设条件下，洞室开挖前岩体某一点的应力状态可用摩尔应力圆来描 述，如图2 1 所示。 t 冬名。 图2 1 洞室在开挖前的应力 图中直线f = 仃t a i l + c ( c 、咖分别为围岩的粘聚力和内摩擦角) 表示围岩自身的 特性，称为破裂线，对于处于稳定的状态时它与应力圆是不会相交的。 ( 2 ) 洞室开挖后的应力状态 在图2 2 中，对于开挖面主应力仃，= 0 ，于是应力圆左移，对于软弱围岩此时应力 圆与破裂线的距离变小，当与其破裂面相切时，即表示己达到剪切破坏的极限状态，随 即开始发生塑性变形，最终导致塑性破坏。 对于挤压性大变形隧道，一般c 、咖值均较小( c 仃：时，应力圆与破裂线就会相交，说明此时不仅在洞壁表面发生剪切破坏，而 且还会向隧道深部扩展，进而形成一定厚度的塑性破坏区，使洞壁的围岩向外挤出，产 生一定的挤压性变形。当这种塑性变形区深度达到一定程度时，其向外挤出的变形量就 会不断增大，而超过正常的收敛变形量，从而产生挤压性大变形。 实际上，在上述分析中应力圆与破裂线是不可能相交的。因为一旦剪切破坏发生， 其塑性破坏区内岩石的c 、值己相应发生了变化，变得更小，而该区域内的主应力值 和方向也发生了变化，从而出现一条新的破裂线和二个新的应力圆，但它们仍然保持相 切的状态。 ( 3 ) 洞室周边产生塑性区的条件 由于目前理论上存在困难，仅对圆形巷道在埋深较大、侧压力系数九= 1 0 时的情况 进行分析，如图2 3 所示。 此时仃，= 吒，由弹性力学可知如果处于弹性阶段，则围岩中任一点的应力仃，、 可用下式表达： 仃，= 仃，一( ri r ) 2 仃， ( 2 5 ) 盯日= 1 7 。+ ( ri t ) 2 仃， ( 2 6 ) 式中：r 洞室半径； ，围岩中计算点的半径： 1 7 第二章隧道病害类型及机理分析 仃，法向应力； d 。竖向应力； 吼切向应力。 说翳另髑的o h 泰绘出 图2 3 围岩中的应力 显然，洞室周边的切向应力最大，法向应力仃，最小为零，以，= r 代入上式，可 得：= 2 0 r ， 所以当仃，r 0 5 时，洞室周围将产生塑性变形，发生塑性破坏。 ( 4 ) 围岩的强度与塑性区半径的关系 根据卡斯特奈( h k a s t n e r ) 公式： 吼 业警掣u c t g t ) 芦 晓7 ， 仃m + 式中：r 塑性区半径5 仃。支护抗力。 由上式可知，当原始地应力吼增大时，塑性区半径r 也增大，另外，r 增大时， 塑性区也将增大，c 、西值的减小将引起r 的增加。 ( 5 ) 塑性区半径r 与洞壁位移的关系 如近似假定洞室周围岩体屈服破坏时体积不增加，则塑性半径处的围岩位移“+ 及洞 壁位移u 可用下式表示： “：半r ( c r os i n 庐+ c c o s ) ( 2 8 ) 长安大学硕士学位论文 甜：旦“+ 茎鲨= 堕( 2 9 ) 甜= 一“+ 二= l z y j r2 r 式中：泊松比； e 弹性模量； k 塑性区剪胀系数。 显然u 与尺2 成正比，实际上由于塑性区的围岩在剪切破坏时必然伴随有体积的膨 胀，即所谓的“剪胀，所以u 的增加还要快点。 2 膨胀岩的膨胀压力力学分析 工程中所遇到的膨胀性岩石有两种：一类是含有强亲水性粘土矿物的泥质岩类。强 亲水矿物主要有蒙脱石和伊利石。在天然膨胀岩石中的蒙脱石含有高达2 5 - - 一5 0 的水 分，大量的吸水使蒙脱石晶层内外表面形成发育的水化层。无论晶层间的吸水或颗粒周 围的吸水，在干燥环境风干失去较多的水分后，不仅会造成颗粒体积的减少和宏观收缩 裂缝的形成，而且还会使结构出现潜在破坏。这样一旦再与水相互作用，脱水后的粘土 岩类将产生强烈的吸水现象，导致晶层吸附水的厚度增加，以及颗粒周围结合水膜厚度 的加大，从而伴随产生颗粒间结合水的巨大楔压，导致软岩膨胀；另一类是化学转化膨 胀岩，如石膏、无水芒硝和钙芒硝等，它们因吸水变相和结晶而引起体积增大。对于岩 石膨胀引起膨胀压力的大小除与岩石成分、性质有关外，还与岩体裂隙发育程度与渗流 场以及围岩应力状态的变化有关。但是目前有些计算参数难以获得，所以膨胀压力计算 方法也不很完善。 于学馥、郑颖人等提出在如下假设条件下所进行膨胀压力的计算。 ( 1 ) 假设围岩的渗水半径为，当水源补给充分，渗水畅通无阻时，认为已达 围岩边界，一般可设= 4 r o 。 ( 2 ) 假设围岩渗水部位完全处于饱和状态，以符合在完全浸水条件下进行的膨胀 试验。 ( 3 ) 假设围岩的膨胀过程为蠕变过程，所以认为围岩先进入弹塑性变形阶段，后 进入膨胀阶段，即先产生塑性变形压力，后产生膨胀压力。 ( 4 ) 假设膨胀仪的试验结果，轴向压力与轴向膨胀率的关系以半对数坐标表示时 为一直线。 ( 5 ) 为计算简便起见，假设开挖后围岩立即软化，因而计算中要采用围岩软化后 的c 、西值。 1 9 第二章隧道病害类型及机理分析 膨胀压力计算是以膨胀试验为基础的，设任意坐标轴上的单元体，由于开挖而引起 径向应力的降低值为p 一仃，( p 为开挖前围岩初始应力) 。以此压力降低与膨胀仪中的压 力降低作对比，则单元体的膨胀值| u 5 为： j l l 5 = = 毒l ( 1 0 9 p 一1 0 9 t r ，) a t ( 2 1 0 ) 。 l o g 置一l o g c r ，、 7 式中：舶轴向压力等于6 2 5 k p a 时的膨胀率； 只各方向被约束时，浸在水里的最大轴向压力； o r 围岩径向压力。 在塑性区中为仃f ： d 夕= ( 只p + c c 增) ( 二) 卜吼一c c t g q i ( 2 1 1 ) 在弹性区中为仃： 仃= p ( 1 - ，+ 仃焉等 。2 ，2 ， t y r o 弹塑性区界面上径向应力。 仃焉= p ( 1 一s i n b ) 一c c o s # ( 2 1 3 ) r 塑性区半径。 托c 鼍警声 眨 尸p 由围岩塑性变形引起的围岩塑性变形压力。 由膨胀引起的洞壁处