隧道围岩大变形问题及施工控制新技术研究

隧道围岩大变形问题与施工控制新技术研究 梅志荣 主要内容 工程背景介绍隧道大变形实例及发生原因隧道大变形基本特征及发生机理隧道大变形控制技术工程实例 2 工程背景 成兰铁路 正线长度457 6km 全线桥隧工程占85 96 隧道33座共332 392km 其中10km以上隧道14座 最长隧道28 4km 成兰铁路穿越龙门山岷山西秦岭高山峡谷等地貌 山高谷深 全线隧道埋深在1000m以上段落达85 976km 500m 1000m段落更是多达151 334km 而以上段落穿越的软质岩多 断层破碎带多 软质岩主要由炭质板岩 炭质千枚岩等组成 遇到高地应力条件下的软弱围岩大变形 经地质专业判断本线隧道通过地段共有30 840km为易发生大变形的软岩段落 主要代表性工点有 3 工程背景 成兰铁路典型软岩隧道大变形发生段落 4 工程背景 其中 平安隧道洞身以千枚岩等软质岩为主 含千枚岩地层占隧道穿越地层的90 以上 发生严重大变形段落4 63km 有发生大变形风险的段落达23 01km 5 隧道大变形实例及发生原因 6 修建于1896 1906年 连接瑞士和意大利的辛普伦1 隧道是世界上最早出现严重挤压变形的隧道 此后 世界范围内先后出现了奥地利Tauern隧道和Arlberg隧道 瑞士Furka隧道 日本Enasan隧道 中国家竹菁隧道 中国乌鞘岭隧道 印度隧道Maneri隧道 伊朗Taloun隧道 土耳其Bolu隧道 委内瑞拉Yacambu隧道等一系列典型挤压性大变形隧道 南昆铁路家竹箐隧道 隧道全长4 99km 是控制南昆铁路铺轨工期的重点工程 共有390m洞段发生了大变形 初期变形量达到1000毫米 导致施工受阻 原设计的普通砂浆锚杆被压弯 格栅构件被挤压成麻花形状 衬砌结构挤压破裂 支护系统受到严重破坏 为控制变形 采用了自钻式锚杆系统 锚杆长度为6 13米不等 直径32毫米 间距0 5 1 25米 注浆方式为中空管 锚固排气环 加止浆塞方法 压力1 5 2 0Mpa 支护效果明显 7 乌鞘岭隧道F7断层大变形最大埋深1100m 8 拱顶下沉最大为1053mm收敛值最大为1034mm变形速率为20 30mm d 隧道围岩大变形实例 9 塌方支护拆换 隧道围岩大变形实例 木寨岭公路隧道全长1710m 主要地质为炭质板岩夹泥岩 局部泥化软弱 呈灰黑色 围岩层理呈褶皱状扭曲变形严重 大部分地段围岩较破碎 洞身渗涌水频繁 部分地段呈股流 隧道在高地应力大变形地段 严重处拱顶累计下沉达155cm 处理措施 开挖总体采用双侧壁法 初期支护钢架及临时支撑采用I22型工字钢 自进式锚杆 超前支护小导管 拱脚两侧增设小导管锁脚 导坑开挖时预留变形 修改原设计仰拱 二次衬砌采用双层钢筋网 与仰拱预留钢筋焊接 对需换拱段及开挖后变形较大的地段 除施作长的自进式锚杆外 再采用小导管进行双液注浆 10 隧道围岩大变形发生原因 从地质条件分析 发生大变形的原因有三种 1 膨胀岩作用的膨胀性变形 具有膨胀性的围岩在一定条件下体积膨胀 使隧道周边产生大变形 2 大埋深 高地应力隧道的挤压性变形 在高地应力的挤压作用下 埋深大 地壳经历激烈运动 地质构造复杂的泥岩 页岩 千枚岩 泥灰岩 片岩 煤层等都容易出现较大的挤压变形 3 小埋深 偏压 松散围岩等特殊条件下的松动性变形 极为软弱或者松散破碎围岩 加上埋深浅 由于支护刚度不足 支护不及时 或者局部水压及气压力的作用 也会产生大变形 11 12 13 隧道围岩大变形基本特征及发生机理 1 变形量大日本惠那山隧道施工时在地质最差的地段 拱顶下沉达到930mm 边墙收敛达到1120mm 奥地利陶恩隧道采用台阶法施工 由于对在挤压性围岩隧道施工缺乏经验 采用的初期支护参数较小 导致拱顶发生1 2m的位移 家竹箐隧道在一般地段 拱顶下沉为50 80cm 侧壁内移50 60cm 底部隆起50 80cm 在变形最严重地段 拱顶下沉达到240cm 底部隆起达到80 100cm 侧壁内移达到160cm 木寨岭隧道隧道在高地应力大变形地段 严重处拱顶累计下沉达155cm 隧道围岩大变形基本特征及发生机理 2 变形速率高陶恩隧道最大变形速率高达200mm d 一般也达50 100mm d 3 变形持续时间长由于软弱围岩具有较高的流变性质和低强度 开挖后应力重分布的持续时间长 变形的收敛持续时间也较长 日本惠那山隧道时间大于300d 4 支护破坏形式多样喷层开裂 剥落先在受力较大的部位发生 锚杆锚固作用失效 型钢拱架或格栅发生扭曲 坍塌随即发生 衬砌做好后 大变形常使衬砌严重开裂 挤入净空 底部上鼓使道床严重破坏 5 围岩破坏范围大高地应力使隧道周边围岩的塑性区增加 破坏范围增大 特别是支护不及时或结构刚度 强度不当时围岩破坏范围可达5倍洞径 一般锚杆长度伸不到弹性区 这常是导致喷锚支护失效的根本原因 14 15 围岩变形破坏的进程 隧道围岩大变形发生力学机理 蒙脱石型膨胀机理 分子吸水膨胀机理 微裂隙膨胀机理重力机制作用下的扩容膨胀工程偏应力引起的变形力学机理构造应力机理断层型力学机理 断层与隧道夹角60 90度 随机节理型变形力学机理 16 隧道围岩大变形施工控制技术 软岩隧道大变形的控制技术 主要有 1 为减轻作用在支护结构形变压力而容许变形的方法2 为了控制松弛而尽可能早地控制变形的方法 即所谓的柔 韧 性支护设计和刚性支护设计 两者的理念是完全相反的 17 隧道围岩大变形施工控制技术 容许变形 柔性支护设计 针对挤压性大变形 1 先行导坑法 即先掘进比较长的导坑 通过导坑发生先行位移 推迟支护结构的设置时间 从而减轻作用在支护结构上的形变压力 2 多重支护方法 一次支护发生屈服 通过设置二次或者多次支护 使得地压和支护反力得到平衡 不进行支护替换的方法 18 隧道围岩大变形施工控制技术 3 可缩性支护方法 通过可缩性锚杆 可缩性钢架等让压支护体系 预留更大的变形空间 释放围岩压力 保持支护结构完整的围岩压力与支护抗力平衡 4 分阶段综合控制法 长短结合的系统锚杆和补强锚杆围岩加固 用锚杆分阶段控制围岩部分位移 同时钢架 分层喷射混凝土支护 分层施作二次衬砌 分阶段地逐步提高支护刚性来控制位移 使隧道趋于稳定 19 20 先行导坑法 21 锚网索喷 工字钢支架 预留2000 300mm变形量锚杆 25mm 3000 6000mm螺纹钢 间排距800 800mm钢筋网 6 5mm钢筋焊接锚索 15 24mm 8000mm 间排距3000 2400mm 钢轨托盘喷射混凝土 厚度250mm工字钢支架 间距1000mm 架间焊接 16mm钢筋 多重支护方法 22 锚网索喷 工字钢支架 预留300 500mm变形量锚杆 25mm 3000mm 8000螺纹钢 间排距800 800mm钢筋网 6 5mm钢筋焊接锚索 15 24mm 1200mm 间排距3000 2400mm 钢轨托盘喷射混凝土 厚度250mm工字钢支架 11号工字钢 间距1000mm 架间焊接 16mm钢筋 多重支护方法 23 让压锚杆 24 可缩性钢架U型钢 TH型钢 唐山市超峰矿山支护设备有限公司 25 分阶段综合控制法 软岩隧道大变形控制技术 柔性支护 设计与施工之难点 1 变形控制基准 预留变形量 2 可缩性支护的合理参数如何确定 3 不同组合支护的作用效果如何监控 柔性 设计中如何量化 施工中如何控制 26 27 中铁二院 2003 大变形等级分类 中铁二局 2000 隧道挤压性大变形分级标准 2002 公路隧道围岩大变形分级划分方案 国内工程 经验 类比方法 28 中铁一院 2008 施工阶段大变形分级标准的综合指标判定法 中铁一院 2008 设计阶段的大变形分级标准 29 预留变形量 王建宇 Hoek2000 D 13 0mH 400m 20kN m3 支护2 U29 设定pi 0 4MPa a 351 35MPa a 预留变形量估设支护2 U29 乌鞘岭隧道千枚岩地段25 50cm岭脊地段 软岩隧道大变形控制技术 控制变形 刚性支护设计 小埋深 偏压 松散等特殊条件 1 大刚度支护和衬砌结构 采用掌子面超前长大锚杆和周边系统长大锚杆 大型钢架和大厚度喷射混凝土支护 提供刚性更大的支护结构 来控制位移 也有尽快浇注仰拱 紧跟掌子面 甚至尽快模筑混凝土结构到达早期闭合 强行使隧道趋于稳定 2 大范围围岩加固法 采用超前注浆或旋喷支护 深孔大范围注浆加固补强隧道周边和掌子面前方的围岩 力求在减轻支护土压的同时 使掌子面附近早期闭合而控制位移的方法 30 软岩隧道大变形控制技术 31 洞口或者洞口段往往覆盖层浅 偏压 围岩松散软弱 稳定性差 地应力状况复杂 设计和施工方法选择不当 容易发生大变形或者坍塌 设计参数和施工方法选择不当 32 超前支护作用不理想 初期支护设计不合理施工不及时 不到位 施工方法和工艺出现问题 挤出变形 核心土 软岩隧道大变形控制技术 33 如何更好的解决此类恶劣地层条件隧道施工的技术难题 充分发挥隧道施工的工作效率 确保工程质量和安全 是当前急需解决的问题 松散围岩或土质隧道掌子面挤出大变形 隧道全断面预加固技术 34 隧道全断面预加固技术 采用注浆易切削锚杆 管 带 对隧道掌子面前方的 待挖核心体 进行预加固 以改善掌子面前方核心岩土体的物理力学性能 控制其变形 从而实现隧道全断面安全 顺利掘进 先开挖后支护双侧壁导坑法 易切削锚杆预加固全断面开挖 前方待挖岩土体 35 隧道易切削锚杆预加固 1 锚杆