高地應(yīng)力軟弱圍巖擠壓型變形

1、高地應(yīng)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(kuò)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(lèi)型類(lèi)型機(jī)理?xiàng)l件變形特征圍巖壓力松散型松散、離層支護(hù)剛度不足支護(hù)施作不及時(shí)支護(hù)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(wú)明顯的優(yōu)勢(shì)部位和方向底鼓形變壓力（swelling pressure）擠壓型 剪切滑移高地應(yīng)力軟弱圍巖變形有明顯的優(yōu)勢(shì)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(jí) 時(shí)效圍巖擠壓性的判定 擠壓性圍巖分級(jí)Nc擠壓性等級(jí)2.0無(wú)擠壓性擠壓性指標(biāo) NcJethwa et al. 1984等級(jí)fewminorsevereVery severeExtreme severe Nc0.370.220.370.160.220.110.160.11 t (%)10.0Hoek 2000 2因素分級(jí) 巖塊強(qiáng)度 ci 完整性 vp 巖體強(qiáng)度cm 不能套用隧規(guī)圍巖分級(jí)！ cm的估算mi Hoek-Brown 常數(shù) 內(nèi)摩擦

3、角 巖芯三軸試驗(yàn)或定性描述 Brown 1997GSI 地質(zhì)強(qiáng)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(qiáng)度指數(shù)巖體類(lèi)別（見(jiàn)表2.2.3）取值A(chǔ) 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(yè)巖數(shù)值H采用粉砂巖或頁(yè)巖數(shù)值混和巖體 sci和 mi 用加權(quán)平均（例如對(duì)復(fù)理巖）工程措施 加強(qiáng)支護(hù) 強(qiáng)支硬頂 型鋼鋼架（大型號(hào) 小

4、間距 縱撐） 超前支護(hù) 小導(dǎo)管 管棚 二襯緊跟 消除大變形？ 支護(hù)拆換 斷面擴(kuò)挖強(qiáng)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(yīng)力 1971.6MPa實(shí)際屈服強(qiáng)度235MPa荒唐的結(jié)論：每延米17榀?！Hoek 解目標(biāo)（安全 質(zhì)量） 消除變形？ 控制變形 （變形速率衰竭） 支護(hù)不拆換 斷面不擴(kuò)挖 襯砌不留后患關(guān)鍵措施1.可

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

6、1U型鋼可縮性鋼架參數(shù)計(jì)算E=1.5GPa =0.4 c =0.18MPa =27H=400m =20 kN/m3=0.667 250km/h客專(zhuān)雙線斷面支護(hù)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(yīng)力(MPa)鋼架總收縮量（cm）拱頂邊墻拱頂邊墻無(wú)支護(hù)6065.82U2924.638.425.538.829.1290182接頭計(jì)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(shè)定卡纜緊固力可縮性構(gòu)件LSC蜂窩式其實(shí)，可讓式支護(hù)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(hù)性能?chē)?guó)內(nèi)外對(duì)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(wèn)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(shí)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(hù) 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(qiáng)烈擠壓性 徑向 掌子面圓形斷面預(yù)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(shè)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(bǔ)

9、充支護(hù)監(jiān)測(cè)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(hù)組分錨桿鋼架纖維噴混凝土模注混凝土注支護(hù)1H20025cm支護(hù)2H12512.5cm仰拱1H20025cm距開(kāi)挖面2.0m仰拱225cm 早強(qiáng)，摻纖維距開(kāi)挖面3.5D二襯30cm多層支護(hù)（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(kāi)挖面僅2.0m 每施工環(huán)節(jié)長(zhǎng)4.0m 第二層仰拱25cm早強(qiáng)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(yīng)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(yàn)N.Barton鐵科院西南所D.U.Deere變形的優(yōu)勢(shì)方向：水平方向邊墻曲率2. 最終變形量預(yù)估 預(yù)留變形量計(jì)算分析Hoek（2000） 軸對(duì)稱(chēng)FEM解析解 Duncan Fama (1993),Carranza-Torres and Fairhurst (1999)pi=0pi=?等級(jí) Nc0.50.250.250.158烏鞘嶺特長(zhǎng)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(guó)臺(tái)灣共16座隧道統(tǒng)計(jì)分析等級(jí)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(cè)技術(shù) 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的判釋和反饋 反分析技術(shù) 力學(xué)行為 材料和環(huán)境參數(shù) 經(jīng)驗(yàn)方法 數(shù)據(jù)處理 準(zhǔn)則和閾值 著力在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判釋上有所突破 實(shí)用化的判釋系統(tǒng)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化？ 采集-傳輸-預(yù)警 實(shí)時(shí)，在線，可視 傳感器工作環(huán)境 監(jiān)測(cè)對(duì)象的不確定性位移量測(cè)判釋目標(biāo)1.圍巖穩(wěn)定性評(píng)估 坍塌預(yù)警2.最終變形量預(yù)測(cè) 凈空變化 3.變形速率衰減 變形時(shí)效 二襯形變壓力 耐久性顯現(xiàn)位移最終值預(yù)測(cè) 回歸曲線雙向外延 um=A 逸失位移的

12、補(bǔ)足 曲線向左外延 分步開(kāi)挖 全斷面形成處埋設(shè)測(cè)點(diǎn)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(qiáng)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(duì)應(yīng)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(dá)式最終位移um A A 1/B uup變形衰減 時(shí)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(dāng)前實(shí)測(cè)位移回歸系數(shù)最終位移預(yù)測(cè)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(shí)機(jī)二次襯砌合理施作時(shí)機(jī)變形速率及其衰減擠壓性地層二次襯砌施作時(shí)機(jī)（仰拱先行） 增設(shè)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(zhǎng)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(jí) 平均收斂 300mm 最大 540mmArlberg 隧道 13.97