隧道软弱围岩的变形机理与施工对策

来源:用户上传      作者: 高俊峰

　　一、围岩变形机理:
　　
　　(一)软弱围岩
　　所谓的软弱围岩有两种含意,一是构成隧道围岩的矿物成分的硬度较低,常见于隧道进出口、浅埋段、强风化或全风化岩土等硬度较低的矿物岩石隧道中;二是构成隧道围岩的矿物强度不匀,常见于夹层、破碎带、断层带中或节理发育的岩层中。
　　(二)初始地应力
　　由于隧道开挖破坏了原有地层结构,打破了岩体原来的平衡状态,产生应力重分布。所谓的初始地应力是指隧道开挖前,将要被挖除部分的岩体中存在的应力。这种应力一般由两种力系构成,一是自重应力,一是构造应力。
　　(三)软弱围岩的变形理论
　　岩体的形变压力(岩体变形产生的挤压力)和松散压力(岩块坠落、滑移、坍塌所产生的重力)统称为国围压力。按作用方向不同,围岩压力可分为垂直压力和水平压力。在硬岩层中围岩水平压力较小,可以忽略不计;但在松软岩层中,围岩的水平压力较大。影响围岩压力的因素有岩土的重力、岩体的构造、地下水的分布、洞室的形状和尺寸以及初始地应力。
　　1、围岩压力
　　围岩压力的确定方法:一是现场量测法,结果比较接近实际,但很难实施;二是理论估算法,因影响围岩压力的因素较多,准确度低。三是工程类比法(即围岩分类法),按围岩分类规则由经验公式估算围岩压力。目前最为常用的方法就是工程类比法。
　　岩石坚固系数分类法(普罗托吉雅柯诺夫法):
　　围岩垂直压力σz=γhl
　　围岩水平压力:洞室拱顶σH=γhltan2(π/4-ψ/2)
　　洞室拱底σH=γ(hl+h)tan2(π/4-ψ/2)
　　γ:围岩容重;hl:普氏压力拱的矢高;h:隧道毛洞的高度;ψ:土的内摩擦角,且有hl=al/f,其中al=a+h tan(π/4-ψ/2); f为岩石坚固性系数;a为隧道半宽。普氏理论适用于较松散、破碎地层,即适用于软弱围岩。
　　2、土压力
　　在土层中施工隧道初期支护结构承受的土压力可以用静止土压力公式:朗金(R ankine)土压力计算公式、库伦(Couloun)土压力计算公式进行计算。
　　利用非线性有限元法解决粘塑性蠕变问题;离散元法解决破碎掉块情况下的岩石稳定问题。当软弱围岩如有地下水,则极不利围岩的稳定,在力学上出现流固耦合问题,它涉及到流体的许多性质。
　　
　　二、工程对策:
　　
　　(一)辅助施工措施
　　对软弱围岩区应首先采取切实有效的超前支护措施,如长管棚、超前小导管、超前锚杆、围幕注浆、地表注浆固结等措施之后才能进行洞身开挖施工。
　　1、长管棚
　　长管棚是一种长距离超前支护方法,由于超前距离长、支护刚度大,非常适用于掌子面自稳能力差的松散土层或上部有动荷载的土层段。通过管内压浆使加固区形成环状硬壳,与钢管形成整体,能承受上部及前方土柱的巨大压力,对防止软弱围岩初期松驰、土压增大及土体塌落有良好效果。
　　2、超前小导管
　　其做用类似长管棚,虽然没有长管棚的支护强度高,但更灵活,更便于实施,是超前支护施工中最常用工程措施。同钢支撑相结合使用,效果更佳。最适合于裂隙发育的强卸荷围岩、破碎带等地段。
　　3、超前锚杆
　　超前锚杆对掌子面上方围岩起锚固作用,是加固掌子面围岩的一种工程措施。适用于裂隙较发育的硬岩隧道。
　　4、围幕注浆
　　主要适用于地下水发育地段,可能会引起突水涌泥或地下水特别大时,可能造成地表水流失时。
　　5、地表注浆
　　浅埋地段,为预防地表沉陷、塌方通天而采取的一种工程措施。根据地质情况,砂性土、粘性土隧道采用劈裂注浆工艺施工,对碎石土,或破碎带采用渗透注浆工艺施工。
　　(二)施工措施:
　　1、短开挖弱爆破
　　短进尺,指一次开挖的距离要短,以减少围岩变形临空面。在爆破时,要用浅眼、密眼,应用控制爆破技术,努力保护围岩,降低爆破扰动层厚度,充分利用围岩的自然成拱原理自稳。
　　2、分部开挖
　　分部开挖法是将隧道全断面分成几个部分开挖的施工方法。常用的方法有双侧壁导坑法、中隔壁法、三台阶七部法等。
　　分部开挖因减少了每个开挖断面的一次开挖跨度,能够显著增强坑道围岩的相对稳定性,且易于及时支护,因此适应于围岩软弱、破碎严重或设计断面较大的隧道中。
　　3、早封闭
　　快、强支护:每步开挖后要及时进行初期支护,强初期支护为钢支撑喷锚结构,尽快使钢拱架闭合成环。快衬砌:衬砌工作须紧跟开挖工作面进行,力求衬砌尽快成环。
　　
　　三、工程实例
　　
　　(一)粉质粘土、全风化正常斑岩隧道
　　向莆铁路道德山隧道进口端(FDK522+565-FDK526+600)进洞后围岩为粉质粘土,褐黄色,硬塑,下伏石英正常斑岩,肉红色。全风化段,围岩初经开挖时强度较高,用风镐凿都很困难,见图4-1。遇水后围岩强度迅速降低,用锹就能挖动,见图4-2;
　　随着渗水量的增大,围岩由可塑到流塑状态,见图4-3,掌子面不能自稳,采用预留核心土和透水性材料反压核心土,同时周边安设排水管,引流一采用双侧壁导坑法开挖,钢支撑和临时钢支撑锚喷支护,超前支护措施为大管棚和局部超前小导管顺利通过,见图4-4。
　　(二)凝灰岩破碎带隧道
　　向莆铁路道德山隧道F5断层范围为英安质凝灰熔岩、凝灰岩破碎带,采用小导管超前4-5,采取三台阶七步法,辅以超前小导管安全通过,三台阶法第一台开挖,见图4-6。
　　(三)软岩隧道
　　沙子垭隧道,工程区位于五峰背斜南翼,并紧邻该背斜核部,工程区部位为单斜构造,岩层走向70°-80°,倾向sE,倾角30°-45°,隧道走向:257°15′1″。
　　从桩号K192+680至K193+506,岩质为粉砂质页岩夹砂岩,少量碳质页岩;局部结构面发育,有泥及碳质页岩填充;岩石呈层片状,有光泽,遇水软化,用手极易扳断,是典型的软岩隧道。经围岩量测,开挖后变形较大,拱部采取超前小导管和超前锚杆超前支护,加强初期支护为钢支撑,台阶法短进尺开挖顺利完成施工任务,见图4-7上台阶开挖;和图4-8钢支撑施工。
　　(四)土夹石且大量涌水隧道
　　黑河塘水电站cⅡ一1标引水隧洞工程,0+830-1+250m为磨房沟过沟段,沟谷切割深,覆盖层结构复杂,由冰川冻融泥石流堆积的含孤块碎石土组成,岩体风化卸荷相对较强,完整性差,加之沟内常年流水,受沟水补内外排水相结合,并在枯水季节顺利通过磨房沟。
　　
　　四、施工注意事项:
　　
　　(一)软岩隧道施工应坚持”预支护、短开挖、少扰动、强支护、早封闭、实回填、严治水、勤量测”的原则。
　　(二)施工排水很重要:尽可能将隧道外之水拦截于隧道之外,洞内也要有组织引排水,防止围岩因水的作用而软化,防止在水的作用下软弱夹层随水流失,造成岩体松驰而塌方。
　　(三)长管棚施工注意管棚方向控制。超前小导管宜穿人钢支撑施作。为保证注浆质量,在注浆管管尾焊球阀,注浆压达到设计或停止注浆时将球阀关闭,再卸掉注浆管。
　　(四)做好起前地质预报:主要采取TSP超前地质预报、水平超前探孔、监控量测、地质钻探等手段获得地质资料,指导施工。
　　
　　五、结束语
　　
　　软岩隧道施工一直是隧道施工中的难点。本文通过对软弱岩体变形理论的研究,采用工程类比法,有针对性地采取经济有效的工程措施,最大限度地防止隧道塌方的发生。但是由于地质构造千差万别,构造应力不易准确估计,影响围岩压力的因素很多,很难量化围岩的受力情况,在运用上述施工对策的同时还必须进行监控量测,根据量测结果分析变形情况适时调整支护参数,以正确指导隧道施工。

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