軟巖隧道基底病害工程措施

1、-高地應力軟巖地道基底病害及工程措施*（中鐵二院工程公司有限責任公司，成都610031）大綱:本文依賴川藏線上高巖溫地道有關資料，第一調研了現(xiàn)有高地應力的分級，其次針對高地應力圍巖條件下軟巖地道基底病害底臌，總結其變形的機理和原因，歸納了底臌的控制措施，為近似的地道工程供應參照。要點詞：地道底鼓；變形機理；控制措施中圖分類號：文件表記碼：Highstresssoftrocktunnelbottomdamageandengineeringmeasures*(ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCo.Ltd,Chengdu,Sichuan610031,China)A

2、bstract：ThispaperreliesondataofhightemperatureofrocktunnelontheSichuanTibetline.Firstly,theclassificationofhighgroundstressisinvestigated.Thenthehighgeostresstunnelbottomsoftrocksurroundingrockundertheconditionofthedisease-thebottomheave.Summarizingthemechanismandreasonofthedeformationofthefloorheav

3、econtrolmeasuresaresummarized,Thispaperprovidesreferenceforsimilartunnelprojects.Keywords:Drumatthebottomofthetunnel;Deformationmechanism;Thecomprehensivemeasures高地應力軟巖歸納近來幾年來，隨著我國交通事業(yè)的不斷發(fā)展，穿越高地應力區(qū)軟巖地道越來越多，給我國隧道設計和施工帶來了新的挑戰(zhàn)。川藏線主要穿越了青藏高原的四條板塊縫合帶，板塊縫合帶的不良地質構造會對下穿的地道造成很大的影響，會產(chǎn)生高溫高壓地下水（地熱）、軟巖變形和巖爆風險（高地應

4、力）、活動斷裂、斜坡崩滑、泥石流等災害。其中新都橋林芝段南線國道318線高爾寺山，工卡拉山，剪子灣山等埋深僅幾百米的越嶺地道均出現(xiàn)不同樣程度的大變形。經(jīng)過工程類比，由新都橋至理塘越嶺深埋地道多為砂板-巖等軟質巖，因此存在大變形的風險較北線高。北線共計存在軟巖大變形風險地道7座，南線存在軟巖大變形風險的地道為10座。因此控制高地應力軟巖地道基底的變形成為地道建-設中亟待解決的問題。1.1高地應力分級對于地應力的分級，國內(nèi)外沒有一致的標準，目前主要采用3種方法進行分級1。數(shù)值法:工程實踐中常常將大于2030MPa的地應力稱為高地應力。應力比法:采用水平應力和垂直應力的比值(n)進行分級。n=11.

5、5時為一般應力，n=1.52時為較高地應力，n2時為高地應力。該方法重申了水平應力的作用。(3)強度應力比法:采用巖石單軸抗壓強度和最大水平主應力的比值（Rbmax）,滬進行地應力分級，該方法反響了巖體的承壓能力。世界部分國家按該方法進行地應力分級結果見表1-1。表1-1世界部分國家地應力分級標準國家、地區(qū)及單位強度應力比低地應極高地應力高地應力中等地應力力法國隧協(xié)4日本應用地質協(xié)會4前蘇聯(lián)頓巴斯礦區(qū)4中國TB10003-2005鐵路447地道設計規(guī)范依照鐵路地道設計規(guī)范，初始應力評估見表1-2。表1-2初始地應力場評估基準初始地應力狀主要現(xiàn)象評估基準態(tài)(Rc/max)極高應力硬質巖開挖過程中

6、時有巖爆發(fā)生，有巖塊彈出，洞4壁巖體發(fā)生剝離“再生裂縫多”成洞性差軟質巖巖芯常有餅化現(xiàn)象，開挖過程中洞壁巖體有剝離位移，極為顯然，甚至發(fā)生大位移連續(xù)時間長，不易成洞高應力硬質巖開挖過程中，可能出現(xiàn)巖爆，洞壁巖體有剝離4:7和掉塊現(xiàn)象，再生裂縫很多，成洞性較差-軟質巖巖芯時有餅化現(xiàn)象，開挖過程中洞壁巖體位移顯然，連續(xù)時間較長，成洞性差巖石單軸飽和抗壓強度Rc與定性劃分的巖石堅硬程度對應關系，見表6-3。表6-3Rc與定性劃分的巖石堅硬程度的對應關系Rc/MPa60堅硬程度極軟巖軟巖較軟巖較堅硬巖堅硬巖高地應軟巖地道底臌機理和原因2.1底臌的機理在軟巖地道基底變形中，底鼓常常據(jù)有了很大一部分，地道

7、的底鼓簡單惹起線路的不平順，危害行車安全。依照圍巖巖性將地道底鼓分為四類：膨脹性軟巖底鼓；高應力軟巖2-底鼓；節(jié)理化軟巖底鼓；復合型軟巖底鼓。每類軟巖地道底鼓的機理和特色見表12。表2-1軟巖地道底鼓變形機理及特色軟巖種類變形機理變形特色膨脹性軟巖遇水發(fā)生物理，化學塑性擠入、底鼓反響高應力軟巖巖石在高應力巖爆、片幫、塑性擠作用下變形入節(jié)理化軟巖強度低、完滿性差、全斷而塑性擠入、擴構造而發(fā)育容、掉塊復合型軟巖高應力-強膨脹復合高應力下加劇圍巖膨片幫、底鼓、塑性擠軟巖脹入高應力-節(jié)理化復合節(jié)理、構造而在應力滑移、擴容、崩解軟巖作用下滑移、變形高應力-節(jié)理化-強膨綜合作用擁有多種變形特色脹復合軟巖2

8、.2底臌的原因（1）地道圍巖強度低隧址區(qū)地質條件復雜，且擁有必然的地質構造應力作用。泥質粉砂巖、泥巖等圍巖條件下，節(jié)理裂隙發(fā)育，強度較低。地道開挖后，原始地應力釋放掉一部分，圍巖發(fā)生卸荷和應-力重分布。圍巖切向應力增加，塑性圈半徑擴大，變形破壞，由地道淺部向深部擴展，再加上底部積水，使底部圍巖產(chǎn)生不能逆的物理、化學變化，使巖體消融加劇:一方面使水在巖體中浸透更加方便;另一方面使圍巖裂隙增大和擴大，變形量加大，產(chǎn)生必然量的底鼓。桃樹婭地道發(fā)生底鼓破壞的主要內(nèi)在因素是圍巖巖性較差3。（2）軟巖遇水消融和膨脹膨脹性軟巖(蒙脫石、伊利石等)遇水后會出現(xiàn)泥化、膨脹、崩解和破碎等現(xiàn)象地道底板巖體強度會隨著

9、地下水的損害進一步降低。地道底板巖體強度下降伍在水平應力作用下將進使一步破壞，此時水更簡單浸透至地道底板更深部的巖層，加劇底板深部巖層的水理作用，得底板更大范圍內(nèi)的巖體強度降低，破壞范圍進一步擴大。水是惹起底鼓的主要環(huán)境因素3。（3）軟巖的流變軟巖擁有典型的流變性。在地道底部圍巖壓力作用下，地道底板巖體將向地道內(nèi)空發(fā)生整體流動，當該巖體的流變性能高出其抗拉強度極限值時，地道底板將出現(xiàn)豎向裂隙，最后發(fā)生底鼓。巖體流變?nèi)瞧鸬牡坠呐c時間親近有關，并隨著時間的增加而增3。大高地應力軟巖地道底臌控制措施3.1底臌工程實例表3-1軟巖地道底臌匯總序號名稱地點地質簡況工程情況及大變形特色1施工時期，隧底上鼓

10、約1m，通車關角鐵路隧中國青藏泥質片巖，最大后道4線(1977)埋深500m左右不久，隧底便上鼓30cm，2印度通車三年今后(1982年11-月)海代爾引水(1979)千枚巖、頁巖及12，隧洞5各樣片巖等。隧底隆起80cm，3掃石公路隧中國薄層泥灰?guī)r通車后，隧底隆起，邊墻再次開裂道4辛普倫地道6瑞士-意大圍巖為石灰質云地道在竣工若干年后，富強的山體利(1906)母-片巖壓力再次惹起橫通道邊墻、拱部和隧底破碎、隆起5家竹青鐵路中國南昆泥質砂巖、頁巖在變形最嚴重的洞段，底臌80地道7線及煤層煤系地100cm；(1992-1997層，原始地應力-)8.516MPa3.2底臌控制措施傳統(tǒng)控制措施依照控

11、制原理的不同樣，傳統(tǒng)的底鼓控制方法可分為加固法與卸壓法兩大類。加固法主要經(jīng)過提高底板圍巖強度以控制底鼓;卸壓法主若是經(jīng)過切縫等卸壓措施，將巷道及底板的應力向深部轉移，降低底板巖層應力，從而達到控制底鼓的目的。底臌控制方法簡介見圖3-1，詳盡的設計方案見表3-28。底板錨桿底板注漿加固法封閉式支架混凝土反拱底臌控制方切縫卸壓法法打孔卸壓法卸壓法松動爆破卸壓法掘巷卸壓法聯(lián)合支護法圖3-1底臌控制方法簡介3-2底臌防治的不同樣方案設9表計方案底臌防治措施主要技術參數(shù)1底板錨桿9根長522mm間距為0.60.8mm的高強度錨桿，2底板注漿向底板下3m范圍內(nèi)的巖層注入水泥漿液3底板開槽卸壓卸壓槽長度4m

12、,槽寬0.5m4250mm.拱高800底板設置反拱反拱形狀為圓弧形，反拱設計厚度為mm，曲率半徑為5357mm5底板下35m范圍進行超前鉆孔爆藥壺爆破卸壓破6爆破卸壓與注漿方案5與方案2聯(lián)合加固聯(lián)合-7超挖錨注回填技對底板下深度1.6m范圍內(nèi)的巖體進行超挖，在巷道底部打術長度1.5m錨管，同時進行注漿，最后用C40混凝土對超挖部分進行回填加固巷道幫角控制底鼓巷道圍巖是一個互有關系的有機整體，一個部位的變形常常惹起另一部位的變形。提高一個部位的強度(加固法)可能對控制該部位的變形有利，但可能惹起其他部位的變形加大:降低一個部位的強度(卸壓法)可能有利于控制該部位的變形，但也可能對控制其他部位的變

13、形不利。因此，在選擇底鼓控制方法時不能夠捉襟見肘，而要全面考慮，保證在控制底鼓的同時使巷道其他部位不失穩(wěn)10。數(shù)值模擬和相似資料實驗表示:巷道底角處平時是應力集中程度高的部位，也是塑性區(qū)發(fā)展最快、范圍最大的部位;當巷道兩幫圍巖強度不高時，兩幫也是塑性區(qū)較大的部位。圍巖塑性區(qū)產(chǎn)生今后，其范圍大小對巷道圍巖變形量與底鼓量影響很大。巷道底角和兩幫圍巖塑性區(qū)大，由此產(chǎn)生的圍巖塑性變形大、粘塑性流變和擴容膨脹變形也就愈大，這將對巷道底鼓產(chǎn)生嚴重的影響。因此，為了控制巷道變形與底鼓，開巷后應盡早加固巷道柔弱圍巖的幫和底角，作用是:減弱巷道角部應力集中程度，并在兩幫和底角趕忙增強圍巖的強度，控制塑性區(qū)的發(fā)展

14、，以便防范和減少因底板圍巖塑性變形、粘塑性流動和破碎圍巖體積膨脹而造成的底鼓。提高巷道兩幫與底角圍巖的自承能力。減小兩幫的塑性變形及由于兩幫破碎圍巖壓縮下沉造成的底板向巷道空間的滑移量、體積膨脹量，從而減少巷道底鼓。加固幫、角包括底角注漿、底角錨桿及加大幫錨桿部署密度、提高錨桿強度、加大錨桿長度等措施。由于該方法基本上不用對巷道底板直接施工，且工程量不大，因此，盡管該方法提出的時間不長，還是獲取了大力實行。從現(xiàn)場實踐情況看，該方法控制底鼓的收效較好。4.結論本文經(jīng)過調研的手段，現(xiàn)得出以下結論。（1）地道開挖后圍巖應力變化造成地道底板巖層卸載產(chǎn)生彈塑性變形向巷道內(nèi)鼓起;地道拱腳在垂直應力作用下擠

15、壓底板，使底板受水平應力作用向地道內(nèi)鼓起;同時軟巖的流變性以致底鼓量隨時間延長而增。2）軟巖的強度較低，會以致地道開挖后，原始地應力釋放掉一部分，圍巖發(fā)生卸荷和應力重分布。膨脹性軟巖(蒙脫石、伊利石等)遇水后會出現(xiàn)膨脹。則是出現(xiàn)底臌的重要原-因。巖體流變?nèi)瞧鸬牡坠碾S著時間的增加而增大。3）經(jīng)過加固幫角能夠防范傳統(tǒng)方法的一些弊端，配合注漿加固和卸壓的方法能夠起到比較理想的收效。參照文件1張梅,何志軍,張民慶,肖廣智,任誠敏.高地應力軟巖地道變形控制設計與施工技術J.現(xiàn)代地道技術,2012,06:13-22+69.2師亞龍,陳禮偉,裴濤濤,李春林.軟巖地道底鼓機理及底鼓量計算方法J.鐵道建筑,2014,05:54-56.王洪立,王玉白,胡冠英.巷道底臌的原因及防治措施J.煤礦安全,2005,08:43-45.蘇舟,曾繼練.娘擁水電站地熱成因及解決方法J.技術與市場,2012,08:138.4萬飛.關角專長鐵路地道不良地質致災機理D.北京交通大6楊長順.及控制技術研究學,2014.高地溫地道通風降溫計算方法及A.中國土木工程學會、上海土木工程學會、上海城建地道股份應用有限公司.地下交通工程與工程安全第五屆中國國際地道工程C.中國土木工程學會、上海土商議會文集木工程學會、上海城建地道股份有:,2011:11.限公司5姜云.公路地道圍巖大變