隧道软弱围岩变形机制与控制技术研究

于丽副教授西南交通大学2014年7月,隧道软弱围岩变形机制与控制技术,一、绪论二、软弱围岩地质特征与工程影响评价三、隧道软弱围岩变形机制与变形规律研究四、软弱围岩隧道支护结构与围岩作用体系五、隧道软弱围岩变形控制技术研究六、隧道软弱围岩变形控制的工程实践,内容提要,一、绪论,据统计，截止到2010年底，我国已经建成的铁路隧道总长度已经超过7000km，在建铁路隧道总长度已超过7500km，正在设计和规划建设的隧道总长度超过10000km。由此可见我国铁路隧道建设的总量已经远远领先世界其它国家，我国已经成为名副其实的隧道大国。,但是，我国隧道的建设情况如何呢？,一、绪论,刚开通运营的张集铁路旧堡隧道，全长9585m，洞身主要通过太古界变质岩，因受多期地质构造运动作用，断裂构造极为发育，施工揭示的地层普遍发育隐性节理、断层、糜棱岩化破碎带、节理密集带等，将岩体切割成碎石状结构，围岩自稳性极差，遇水软化，变形量大，多次发生坍塌和变形侵限，严重制约工程进度，影响全线工期18个月。,一、绪论,襄渝二线新蜀河隧道，全长8989m。洞身穿越的主要岩性为石英云母片岩、石英云母片岩夹炭质片岩互层、炭质片岩等，在区域地质构造作用下，地层强烈扭曲揉皱，产生大量密集的节理和顺层摩擦镜面，岩体的整体性遭到严重破坏，施工过程中频繁出现严重变形、侵限、拆换、塌方、二衬开裂以及其他危及施工安全的现象，对该隧道的施工组织造成严重影响。,一、绪论,太中银铁路兴旺峁隧道，全长11070m，隧道上部覆盖为黄土，下面为砂岩，隧道洞身处于粉质黏土与砂泥岩界面附近，受土石界面处地下水的影响，围岩软化严重，局部地段还出现了大量涌水和流沙现象，发生了大量的变更设计，增加投资约2.8亿元。,一、绪论,正在建设的北同蒲四线雁门关隧道，全长14085m，洞身主要穿越为古老变质岩地层，受多期构造影响严重，岩体极破碎，黑云母变粒岩等岩体，遇水软化严重，围岩强度低，大部分为级围岩，变形量大，施工进度缓慢，现在已严重影响工程的工期。,一、绪论,在建的兰渝铁路桃树枰隧道，全长3220m，为第三系含水未成岩砂岩，自稳能力差，无胶结，稍有扰动即成松散粉状结构，呈流塑状，大部分为级围岩，平均每个工作面月进度不足15m，设置5座斜井，严重影响兰州铁路枢纽的运输过渡，投资也大大增加。,一、绪论,兰渝铁路的兰州至广元段共有66座隧道，总长343km，占该段线路总长的70%，本线主要分布有三套软岩地层，其中通过二叠系板岩、炭质板岩地层隧道长度16.7km，主要代表隧道有木寨岭、纸坊隧道；通过三叠系板岩地层隧道长度54.1km，主要影响哈达铺、马家山、同寨、青岗、新城子、毛羽山、天池坪等7座隧道；通过志留系千枚岩、炭质千枚岩地层隧道长度11.5km，主要影响两水、清水、鲁坝等隧道；这些软弱围岩隧道在施工过程中，变形量大，平均变形量在3050cm，局部地段甚至超过100cm，多次进行拆换处理，施工进度缓慢，部分隧道发生塌方，安全风险大。,一、绪论,成（都）兰（州）铁路成都至哈达铺段，全长459km，其中设计隧道36座，长度323km，占正线总长的70%以上。该线主要地质问题是活动断裂多，软岩分布多，地应力高，岩溶发育。全线隧道以千枚岩、板岩为主，软岩地层占隧道总长的53%，高地应力软弱大变形问题将是成兰铁路的最突出难题。,一、绪论,在当前铁路隧道建设中问题最多、困难最大、风险最高的问题是软弱围岩隧道的施工问题。在建的7500km铁路隧道中，有大约3040%属于软弱围岩，长度超过2500km，并且正在设计和规划修建的铁路隧道中，软弱围岩所占的比重更大，因此，解决软弱围岩隧道的设计和施工问题，是迫在眉睫的问题。,一、绪论,第一，满足工程需要，尽快解决当前大规模铁路建设中软弱围岩隧道变形控制的难题，为铁路建设服务。第二，从理论上进行深化研究，探索软弱围岩隧道变形的规律，揭示软弱围岩隧道变形的实质。第三，研究一套实用的、可有效控制软弱围岩隧道变形的技术措施，以指导以后类似工程的设计与施工。第四，总结形成“软弱围岩隧道变形控制机制和控制对策”的技术成果，提升我国隧道工程特别是软弱围岩隧道工程的整体技术水平。,软弱围岩的含义及力学特性1981年在东京召开的“国际软岩学术讨论会”规定“软弱、破碎和风化岩石”为软岩。国际岩石力学学会(ISRM)定义：单轴抗压强度0.525MPa的岩石。何满潮：地质软岩和工程软岩分别予以定义；孙钧：引入“不稳定围岩”作为软岩的条件，“在高地应力、地下水和强风化作用下，具有显著渗流、膨胀、或崩解特性的软弱、破碎、风化和节理化围岩，简称为不稳定围岩岩体”。日本学者R.Yoshinaka分别对凝灰岩、粉砂岩、泥岩和砂岩等四种软岩进行了三轴固结不排水剪切试验，试验表明，尽管在高围压作用下变形模量呈非线性增加，但一旦屈服变形模量随轴向塑性应变呈指数衰减。,一、绪论,隧道围岩变形机理,一、绪论国内外研究现状,软弱围岩隧道支护作用理论20世纪初形成了古典压力理论-塌落拱理论，提出围岩具有自承能力。20世纪50年代以来，人们开始用弹塑性力学来解决隧道支护问题。20世纪60年代提出新奥法理念，一直到现在大部分工程仍采用。20世纪70年代提出了能量支护理论。20世纪80年代初意大利PietroLunardi通过三维空间分析，提出了岩土控制变形分析施工（ADECO-RS）工法。国内：于学馥提出“轴变论”理论、陆家梁等提出联合支护理论、孙钧等提出锚喷弧板支护理论、董方庭提出松动圈理论、方祖烈提出主次承载区支护理论、何满潮提出软弱围岩工程力学支护理论,一、绪论国内外研究现状,隧道软弱围岩变形控制技术我国公路隧道设计规范（GTJD70-2004）提出：可缩式钢架+高强度锚杆+及时仰拱，以抵抗膨胀压力，控制软岩变形。铁路隧道设计规范（TB10003-2005）提出：曲墙有仰拱+钢筋（或钢架）混凝土结构，采用圆形或近圆形的马蹄形断面控制膨胀软岩。早期工程实践中，应对软岩大变形普遍是反复扩挖日本近期在东海道新干线的饭山隧道：多重支护，效果较好。瑞士等国家广泛采用U型钢可缩性支架进行隧道开挖初期支护,一、绪论国内外研究现状,典型软弱围岩隧道的工程案例陶恩隧道（1975年，长6.4km，埋深0.61km）穿越阿尔卑斯山的双向公路隧道：采用长锚杆（69m）+可缩钢架以及喷层预留纵向变形接缝等加强措施进行扩挖作业，取得成功。阿尔贝格隧道：厚2025cm喷砼+可缩式钢架+6m长锚杆。日本惠那山双洞隧道：号隧道先修，大变形严重；号隧道：长锚杆（913.5m）+预留变形量（上50cm，下30cm）+钢纤维喷砼（厚25cm）+可缩式钢架+45cm厚二衬素砼，取得成功。我国南昆铁路家竹箐隧道、台湾北部第二高速公路木栅隧道、都灵铁路隧道、圣哥达隧道、襄渝二线新蜀河隧道、乌鞘岭特长隧道、木寨岭公路隧道,一、绪论国内外研究现状,隧道软弱围岩还没有一个清晰的概念。隧道软弱围岩变形机理有待进一步研究。对软弱围岩隧道变形控制的理念认识不统一。没有形成系统的变形控制设计理论。缺乏隧道变形值的控制标准。软岩隧道施工工法和工艺与采取的控制措施不配套。,一、绪论研究中存在的主要问题,二、软弱围岩地质特征与工程影响评价,软弱围岩的含义隧道软弱围岩就是用通常的初期支护及简易的小导管支护不能控制开挖后的围岩变形，而需要采用“有针对性的控制变形对策”（即所谓的辅助工法）的围岩。软弱围岩的地质特征（1）软弱围岩由于强度低，对工程扰动极其敏感，在受拉或受压条件下将产生塑性区，使围岩和支护发生变形。一旦施工方法和工程措施不当，将极易发生初期支护变形侵限和隧道坍方等工程灾害。（2）从隧道开挖后的围岩变形看，在软弱围岩中开挖，经常出现拱顶崩塌、掌子面失稳、底鼓现象严重、长时间的持续变形或变形不收敛、初期支护严重变异、在富水条件下出现异常涌水与围岩流失等。软弱围岩的变形特征（1）变形量大（2）初期变形速度快（3）变形持续时间长（4）围岩破坏范围大（5）压力增长快（6）变形破坏形式多样,二、软弱围岩地质特征与工程影响评价,软弱围岩的强度特征（1）软弱围岩的强度随岩石强度的降低而降低。当围岩的完整性及结构面特征恒定时，则围岩的强度和岩石强度呈线性变化。（2）当构成围岩的岩石强度恒定时，围岩强度随围岩的完整性系数减小而降低，即围岩越完整，围岩强度越接近岩石强度，围岩越破碎，围岩强度越小。（3）当围岩中存在控制性软弱结构面时，如存在断层、挤压破碎带，则围岩的强度受结构面产状与洞轴关系以及结构面强度两个因素的影响。（4）软弱围岩的强度受地下水影响较敏感，地下水对软弱围岩有显著的软化和泥化作用。,二、软弱围岩地质特征与工程影响评价,软弱围岩分类与分级地质分级（工程地质手册）,二、软弱围岩地质特征与工程影响评价,软弱围岩分类与分级软岩工程分类,何满潮）,二、软弱围岩地质特征与工程影响评价,软弱围岩分类与分级软岩工程分类,伍法权研究员结合隧道施工现场发现的一些新的地质特征和破坏现象，提出了三类特殊类型软岩的概念。,二、软弱围岩地质特征与工程影响评价,软弱围岩分类与分级铁路隧道软弱围岩等级划分建议表,三、隧道软弱围岩变形机制与变形规律研究,隧道围岩变形机制,三、隧道软弱围岩变形机制与变形规律研究,隧道围岩变形规律监控量测,龟浦隧道变形监测,大断面黄土隧道双侧壁导坑法施工拱顶沉降曲线,三、隧道软弱围岩变形机制与变形规律研究,隧道围岩变形规律数值模拟,隧道纵剖面拱顶变形曲线,掌子面挤出变形曲线,不同等级围岩无支护状态下隧道纵向变形示意图,三、隧道软弱围岩变形机制与变形规律研究,隧道围岩变形规律变形分布规律,隧道开挖过程变形实态示意图,三、隧道软弱围岩变形机制与变形规律研究,隧道围岩变形规律隧道断面尺寸对围岩变形的影响,隧道断面尺寸对围岩结构的影响概念图,不同断面尺寸对应的围岩结构、及其变形机制,1.整体块状结构；2.层状结构；3.块状结构；4.碎裂结构,三、隧道软弱围岩变形机制与变形规律研究,隧道围岩变形规律隧道断面分级,铁路隧道断面分级建议标准,三、隧道软弱围岩变形机制与变形规律研究,隧道围岩变形规律隧道跨度分级,铁路隧道跨度分级建议标准,三、隧道软弱围岩变形机制与变形规律研究,隧道软弱围岩变形规律特点（1）软弱围岩隧道掌子面前方变形的范围大。（2）软弱围岩隧道掌子面前方变形在总变形中所占比例大。（3）软弱围岩隧道掌子面后方变形的范围大。（4）软弱围岩隧道开挖初期变形速度快。（5）软弱围岩隧道变形持续时间长。（6）软弱围岩隧道变形量大。如兰武二线乌鞘岭隧道、青藏线新关角隧道线、线隧道、兰渝线两水隧道、天平山隧道等。,三、隧道软弱围岩变形机制与变形规律研究,隧道软弱围岩变形规律的数值模拟,级围岩双线隧道拱项下沉vs开挖步,级围岩双线隧道上台阶收敛vs开挖步,级围岩双线隧道下台阶收敛vs开挖步,不同断面尺寸不同围岩级别的拱顶沉降,四、软弱围岩隧道支护结构与围岩作用体系研究,软弱围岩隧道支护与围岩作用关系,隧道施工中围岩力学状态变化过程,隧道结构体系示意图,软弱围岩隧道支护结构设计理念(1)隧道支护结构分为超前支护、初期支护和二次衬砌，其中超前支护和初期支护与围岩体共同形成承载结构，二次衬砌仅作为安全储备，主要承担附加荷载和残余变形引起的荷载。(2)初期支护承受全部荷载，指的是围岩在初期支护的作用下完全可以实现自稳；二次衬砌作为安全储备，并不是说二次衬砌不受力，由于岩土介质的流变特性以及二次衬砌施作后围岩、初期支护、二次衬砌间应力的转移和重新分布，二次衬砌必然受力。,四、软弱围岩隧道支护结构与围岩作用体系研究,软弱围岩隧道中超前支护的作用对于软弱围岩隧道而言，当原始地应力极高时，过早地施作刚度较大的支护结构，反而有可能使支护结构因受力过大而破坏。在软弱围岩隧道不良地质段施工中，往往可以通过超前支护改良地质条件，使初期支护更好的发挥其承载能力。此时，超前支护起到了重要的桥梁和纽带作用，通过地层改良降低了初期支护与围岩的强度比和刚度比，使初期支护能够或者更好的联合围岩承受全部荷载。,四、软弱围岩隧道支护结构与围岩作用体系研究,软弱围岩隧道支护结构的力学评价超前支护的力学特性初期支护的力学特性二次衬砌的力学特性软弱围岩隧道支护结构的基本要求,四、软弱围岩隧道支护结构与围岩作用体系研究,隧道支护结构与围岩作用模型,平面应变计算模型,模型弹塑性区应力与变形求解,四、软弱围岩隧道支护结构与围岩作用体系研究,铁路隧道软弱围岩弹塑性计算与分析,计算工况与计算参数,数值模拟对比模型网格与边界条件,四、软弱围岩隧道支护结构与围岩作用体系研究,铁路隧道软弱围岩弹塑性计算与分析塑性区范围计算,围岩塑性区半径与应力释放率系数的关系曲线,（1）塑性区范围随应力释放系数的增大不断增大，且增大趋势越来越明显。同样的应力释放系数条件下，围岩条件越差，塑性区的范围越大。（2）当应力释放系数达到一定程度后，隧道开挖阶段将出现大量塑性区，且无论支护结构参数如何都不能改变围岩塑性区范围。（3）为避免或尽量减小围岩出现塑性变形，一方面要及时支护，减小支护结构施做前的围岩应力释放；另一方面要使支护结构具有一定的刚度，尤其是早期刚度，以提供足够的支护抗力来抵制围岩塑性变形的发展。,四、软弱围岩隧道支护结构与围岩作用体系研究,铁路隧道软弱围岩弹塑性计算与分析模型应力场计算,模型应力场计算结果,（1）径向应力由洞周向外逐渐增大，在模型远场边界达到原岩应力水平；围岩条件的变化对围岩弹性区径向应力的分布影响较小，而对塑性区径向应力的分布存在一定的影响，主要表现在围岩条件越差，围岩塑性区的径向应力越大。（2）围岩环向应力由洞内向外存在一个先增大后减小的过程，在弹塑性交界面处达到最大值；同样围岩条件的变化对围岩弹性区环向应力的分布影响较小，而对塑性区环向应力的分布影响较大，主要表现在围岩条件越差，围岩塑性区的环向应力越小。（3）支护结构、围岩环向应力均由洞内向外逐渐减小，在二者接触界面发生跳跃，只是支护结构环向应力要远大于围岩，且围岩条件越差，支护结构的环向应力越大。,(a)径向应力,(b)环向应力,四、软弱围岩隧道支护结构与围岩作用体系研究,铁路隧道软弱围岩弹塑性计算与分析模型位移场计算,模型位移场计算结果,（1）由于支护结构施做前的围岩应力释放，造成隧道支护结构围岩最终位移并不连续，在二者接触界面发生跳跃；隧道开挖引起的围岩变形由洞周向外逐渐减小，且随应力释放系数的增大逐渐增大；另外数值解与解析解完全吻合，再次印证了本文考虑应力释放解析模型的正确性。（2）开挖面围岩位移随着应力释放系数的增大而增大，且开挖面附近围岩变形随应力释放系数增大而增大的更为明显，可见及时施做支护结构可以有效的抑制围岩变形。,(a)不同围岩条件,(b)不同应力释放率,四、软弱围岩隧道支护结构与围岩作用体系研究,铁路隧道软弱围岩弹塑性计算与分析模型位移场计算,模型位移场计算结果,（3）开挖面围岩位移释放量（支护结构施作前后的围岩变形量的比值）随着应力释放系数的增大而增大，且初始阶段增大较为明显，后来增大幅度逐渐降低。当洞室开挖规模及应力释放系数一定，移释放量与支护围岩的刚度比关系紧密，支护结构刚度越大，支护结构施做后对围岩变形的约束力越强。（4）位移释放量反映了支护结构施做前后开挖面围岩变形的比值，该值越大表明支护结构施做前的围岩变形量也就越大。然而隧道开挖后的洞内变形监测多是在支护结构施做后进行，当位移释放量较大时，开挖面围岩变形量远大于此时的支护结构变形量，因此将支护结构变形等价于围岩变形来判断其是否超出围岩“预留变形量”是不科学的。,(a)不同围岩条件,(b)不同应力释放率,五、隧道软弱围岩变形控制技术研究,隧道软弱围岩变形控制原则,式中：为全变形；为超前变形；为初始变形；为量测变形；为控制标准。,不同类型围岩的变形控制原则,五、隧道软弱围岩变形控制技术研究,隧道软弱围岩变形控制原理控制理念,（1）刚性结构：加强支护和衬砌结构的刚度；提高围岩的自支护能力。前者适用于地表有结构物，对沉降控制有一定的要求，不具备在地面采取工程措施等条件，这种情况下只有在洞内采取加强的工程措施；后者适用于洞口段或浅埋隧道段，附近有结构物，对隧道沉降或变形有较高的要求，地表作业场地开阔，工期比较紧张等条件，这种情况下可大面积同时进行地层的加固改良。（2）柔性结构：多重支护、可缩式支护、分阶段综合控制。（3）刚柔结合：允许围岩发生变形，但其变形不能超过围岩变形允许值，即把围岩变形控制在允许值之内。首先是采用初期支护控制围岩变形，对于自稳时间很短，初期支护来不及施做就可能坍塌的围岩，则采取超前支护措施预先控制围岩荷载的释放，使围岩荷载控制在初期支护能够承受的范围之内。可见，刚柔结合的控制理念是要让初期支护承担围岩释放的全部荷载，让超前支护控制围岩荷载的释放程度。,五、隧道软弱围岩变形控制技术研究,隧道软弱围岩变形控制原理变形控制基准,铁路隧道的净空位移的管理基准,铁路隧道的拱顶下沉的管理基准,五、隧道软弱围岩变形控制技术研究,隧道软弱围岩变形控制原理变形控制基准,铁路隧道掌子面超前变形的管理基准,铁路隧道掌子面后方初期变形速度的管理基准,铁路隧道掌子面变形的管理基准,铁路隧道脚部下沉的管理基准,五、隧道软弱围岩变形控制技术研究,隧道软弱围岩变形控制方法控制掌子面超前变形,超前支护的种类和特征,五、隧道软弱围岩变形控制技术研究,隧道软弱围岩变形控制方法控制掌子面变形,（1）改变掌子面形状（2）留核心土（3）掌子面喷混凝土（4）掌子面锚杆（5）掌子面前方围岩注浆加固。,日本松本隧道采用的倾斜掌子面,核心土及台阶的长度,掌子面喷射混凝土,五、隧道软弱围岩变形控制技术研究,隧道软弱围岩变形控制方法控制掌子面后方变形,（1）提高初期支护承载能力：喷射高性能混凝土、高规格钢支撑、多重支护等,钢支撑的功能,钢支撑尺寸比较,饭山隧道多重支护结构,五、隧道软弱围岩变形控制技术研究,隧道软弱围岩变形控制方法控制掌子面后方变形,（2）调整开挖荷载释放节奏：台阶开挖高度、长度优化大断面软弱围岩隧道变形监测的实践经验，上台阶的高度宜选择在开挖最大跨度处，对于双线高速铁路隧道断面，建议上台阶高度选择在3/5H处；相比之下上台阶长度5m、中台阶长度8m这种开挖方式的中台阶长度较长，对洞壁变形尤其是水平收敛具有较好的控制作用。,1m循环进尺,2m循环进尺,V级围岩周边位移沿轴向展布曲线(100m埋深),五、隧道软弱围岩变形控制技术研究,隧道软弱围岩变形控制方法辅助工法,（1）控制拱脚下沉的工法临时仰拱、扩大拱脚、拱脚补强、拱脚支撑桩（2）控制地表下沉的工法地表旋喷桩加固地层、地表垂直锚杆补强（3）地下水对策排水对策：排水坑道、排水钻孔、井点、管井堵水对策：注浆、隔断壁,五、隧道软弱围岩变形控制技术研究,软弱围岩隧道支护结构设计设计原则与设计流程,（1）设置超前支护，控制掌子面的超前变形和掌子面的挤出变形（2）加强初期支护，控制开挖掌子面后方变形（3）采用辅助支护措施，控制掌子面的稳定和初期支护的拱脚位移（4）采用二次衬砌，合理预留支护结构的安全储备,设计流程,设计原则,五、隧道软弱围岩变形控制技术研究,软弱围岩隧道支护结构设计设计参数,小跨（跨度58.5米）软弱围岩隧道支护参数参考表,五、隧道软弱围岩变形控制技术研究,软弱围岩隧道支护结构设计设计参数,中跨（跨度8.512米）软弱围岩隧道支护参数参考表,五、隧道软弱围岩变形控制技术研究,软弱围岩隧道支护结构设计设计参数,大跨（跨度1214米）软弱围岩隧道支护参数参考表,五、隧道软弱围岩变形控制技术研究,软弱围岩隧道支护结构设计设计参数,特大跨（跨度1416米）软弱围岩隧道支护参数参考表,六、隧道软弱围岩变形控制的工程实践,掌子面前方围岩变形控制实践兰渝铁路桃树坪隧道,围岩为易发生塌方的富水粉细沙层,（1）无支护：围岩变形不收敛，隧道坍塌。