高地應力軟弱圍巖擠壓型變形

1、高地應力軟弱圍巖擠壓型變形中鐵西南院 王建宇 2015-1-7跨度為10 m 斷層帶 徑向位移100cm（印度）拆換 擴挖跨度16 m 木柵隧道烏鞘嶺隧道最大埋深1100m地段水平收斂最大值 cm部位F4影響帶32.4墻腰千枚巖93.2拱腰板巖47.4拱腰F7右線71.6拱腰F7左線120.9拱腰圍巖“大變形”的不同類型類型機理條件變形特征圍巖壓力松散型松散、離層支護剛度不足支護施作不及時支護和圍巖不緊貼變形突發(fā)性位移速率遞增松散壓力膨脹型體積膨脹膨脹性礦物地下水變形無明顯的優(yōu)勢部位和方向底鼓形變壓力（swelling pressure）擠壓型 剪切滑移高地應力軟弱圍巖變形有明顯的優(yōu)勢部位和方

2、向一般邊墻收斂較大形變壓力（Genuine pressure）松散型變形跳躍型安全 警戒 坍塌向上反彎擠壓性圍巖定義ISRM Barla 1995剪切滑移 量級 時效圍巖擠壓性的判定 擠壓性圍巖分級Nc擠壓性等級2.0無擠壓性擠壓性指標 NcJethwa et al. 1984等級fewminorsevereVery severeExtreme severe Nc0.370.220.370.160.220.110.160.11 t (%)10.0Hoek 2000 2因素分級 巖塊強度 ci 完整性 vp 巖體強度cm 不能套用隧規(guī)圍巖分級！ cm的估算mi Hoek-Brown 常數(shù) 內(nèi)摩擦

3、角 巖芯三軸試驗或定性描述 Brown 1997GSI 地質(zhì)強度指數(shù) 巖體-巖塊差異 Hoek 1998Hoek and MarinosJethwa et al.Singh et al.各種完整巖石常數(shù)mi取值塊狀節(jié)理巖體地質(zhì)強度指數(shù)巖體類別（見表2.2.3）取值A 和 B采用砂巖數(shù)值C將砂巖數(shù)值降低 20% 同粉砂巖全值平均D將砂巖數(shù)值降低 40% 同粉砂巖全值平均E將砂巖數(shù)值降低 40% 同粉砂巖全值平均F將砂巖數(shù)值降低 60% 同粉砂巖全值平均G采用粉砂巖或頁巖數(shù)值H采用粉砂巖或頁巖數(shù)值混和巖體 sci和 mi 用加權(quán)平均（例如對復理巖）工程措施 加強支護 強支硬頂 型鋼鋼架（大型號 小

4、間距 縱撐） 超前支護 小導管 管棚 二襯緊跟 消除大變形？ 支護拆換 斷面擴挖強支硬頂 不能“消除大變形”0pi=0 =0 pi=0 pipi=f ()0虛擬算例 圓形斷面 D=13m H=650m =20kN/m3 m=1.04MPa, =1.0 Nc=m /H=0.08令 e=10cm按Hoek 解， pi/p0=0.24 pi=3.12MPaH175 A=51.43cm2 按每延米2榀，型鋼應力 1971.6MPa實際屈服強度235MPa荒唐的結(jié)論：每延米17榀?！Hoek 解目標（安全 質(zhì)量） 消除變形？ 控制變形 （變形速率衰竭） 支護不拆換 斷面不擴挖 襯砌不留后患關鍵措施1.可

5、讓型支護2.預留變形量3.二襯合理施作時機General report on conventional tunnelling method ITA report 002 April 20091.可讓型支護可縮性鋼架U型鋼國產(chǎn)U型鋼Inntal 隧道12756m可讓性支護原理pypy-滑動抗力D=10 H=400m argillaceous rock py=0.6MPa(滑移抗力）控制流變時效W.Wittke算例連續(xù)介質(zhì)假定? 潰散，坍塌可讓性弱支護可讓性自由釋放先柔后剛U型鋼鋼架關鍵參數(shù)Ny Ny 接頭滑動抗力 隨機發(fā)生的松散壓力荷載 ps=(0.51.0)D 滑移量 根據(jù)預測的變形量設置 k

6、1U型鋼可縮性鋼架參數(shù)計算E=1.5GPa =0.4 c =0.18MPa =27H=400m =20 kN/m3=0.667 250km/h客專雙線斷面支護情況滑讓位移(cm)最終位移(cm)最大顯現(xiàn)位移(cm)鋼架最大應力(MPa)鋼架總收縮量（cm）拱頂邊墻拱頂邊墻無支護6065.82U2924.638.425.538.829.1290182接頭計算 接頭軸向力 N=pl0.5D10.5=591kN松散壓力荷載2U29 max=290MPae=29.1cm滑移收縮總量=182cm；接頭承載力600kN，據(jù)此設定卡纜緊固力可縮性構(gòu)件LSC蜂窩式其實，可讓式支護理念并不新鮮！from Hei

7、se & Herbst 1913！可縮型接頭1932 Toussaint-Heintzmann.G.Anagnostou andL.Gantieni. Design and analysis of yielding support in squeezing ground(C)./Proc 11th ISRM congress. Lisbon :July9-13,2007.恒阻大變形支護性能國內(nèi)外對比0204060801201401600255075100125150175200225250275300325350375400425位移(mm)拉力(kN)450475500普通錨桿加拿大MCB3

8、3型Conebolt新型恒阻 大變形錨桿澳大利亞Roofex錨桿郭志飚 2011噴射混凝土滑移套砂漿滑移前滑移后自由段 耐久性問題？纖維噴混凝土鋼纖維合成纖維纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程CECS 38:2004阻裂性能 防止收縮 密實度 耐久性裂后韌性 吸收變形脆性材料韌性材料 軟弱圍巖支護 擠壓型大變形 巖爆防范工例 按可讓性原則處治Gotthard Base Tunnel Sedrun工區(qū)1.1km 強烈擠壓性 徑向 掌子面圓形斷面預留變形量 70cm2TH44（U型鋼）可縮性鋼架12m的徑向錨桿掌子面錨桿18m，每6m打設一次；鋼架接頭滑移到位（距掌子面75m），用噴混凝土覆蓋滑讓段內(nèi)視情況補

9、充支護監(jiān)測徑向位移 最大75cm 平均2030cm,日本 北陸新干線 飯山隧道 泥巖支護組分錨桿鋼架纖維噴混凝土模注混凝土注支護1H20025cm支護2H12512.5cm仰拱1H20025cm距開挖面2.0m仰拱225cm 早強，摻纖維距開挖面3.5D二襯30cm多層支護（先柔后剛）仰拱先行（襯砌結(jié)構(gòu)后閉合）仰拱先行北陸新干線 飯山隧道 擠壓型變形段泥巖 H=200m第一層仰拱25cm 纖維噴射混凝土+H200型鋼 距開挖面僅2.0m 每施工環(huán)節(jié)長4.0m 第二層仰拱25cm早強模注纖維混凝土距掌子面3.5D（D為隧道直徑）塑性區(qū)位置（自重應力） E=1.5GPa，c=0.18MPa，=27

10、=20 kN/m3，=0.4，=0.667，H=300m，半徑5mp00.67p0塑性區(qū)位置素描圖模型試驗N.Barton鐵科院西南所D.U.Deere變形的優(yōu)勢方向：水平方向邊墻曲率2. 最終變形量預估 預留變形量計算分析Hoek（2000） 軸對稱FEM解析解 Duncan Fama (1993),Carranza-Torres and Fairhurst (1999)pi=0pi=?等級 Nc0.50.250.250.158烏鞘嶺特長鐵路隧道修建技術(shù)P146 西南交大出版社 2006資料源自Venezula ， India ，中國臺灣共16座隧道統(tǒng)計分析等級fewminorsevereV

11、ery severeExtreme severe Nc0.370.370.220.220.160.160.110.11 (%)10.0烏鞘嶺隧道Hoek （2000） 數(shù)據(jù)采集 手段 監(jiān)控量測技術(shù) 監(jiān)測數(shù)據(jù)的判釋和反饋 反分析技術(shù) 力學行為 材料和環(huán)境參數(shù) 經(jīng)驗方法 數(shù)據(jù)處理 準則和閾值 著力在監(jiān)測數(shù)據(jù)判釋上有所突破 實用化的判釋系統(tǒng)監(jiān)測自動化？ 采集-傳輸-預警 實時，在線，可視 傳感器工作環(huán)境 監(jiān)測對象的不確定性位移量測判釋目標1.圍巖穩(wěn)定性評估 坍塌預警2.最終變形量預測 凈空變化 3.變形速率衰減 變形時效 二襯形變壓力 耐久性顯現(xiàn)位移最終值預測 回歸曲線雙向外延 um=A 逸失位移的

12、補足 曲線向左外延 分步開挖 全斷面形成處埋設測點Nck0.080.94 0.1290.67 0.2070.67 0.3670.60 水平位移k值的選取拱頂沉降k=0.9 劉志強回歸函數(shù)的選擇Panet-2式Panet-1式1.連續(xù)介質(zhì)數(shù)值解對應2.水平漸近線 位移最終值 A=um3.外延性 逸失位移雙曲線回歸函數(shù)函數(shù) Panet-1 Panet-2 雙曲線表達式最終位移um A A 1/B uup變形衰減 時間 tsH=196m，炭質(zhì)板巖 極破碎Is(50)=0.95MPami=4，GSI=12,工例大溝莊斜井6+60回歸函數(shù)數(shù)據(jù)當前實測位移回歸系數(shù)最終位移預測AB SD up*P-210d508.72696.350.108434.999018d538.56611.910.138232.598558d572.06588.220.152430.610103.二次襯砌施作 合理時機二次襯砌合理施作時機變形速率及其衰減擠壓性地層二次襯砌施作時機（仰拱先行） 增設錨桿： 位移速率10mm/d 10d總位移d10150mm埋深 最大800m巖性 云母片巖 長石結(jié)晶片麻巖千枚巖化及糜棱巖化云母片麻巖變形量級 平均收斂 300mm 最大 540mmArlberg 隧道 13.97