軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)

軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)

摘要：軟弱破碎圍巖對隧道大變形的破壞較為普遍，洞室開挖后圍巖變形較大。對隧道施工狀況以及變形機(jī)理分析表明：此軟弱圍巖需要采用預(yù)支護(hù)和加強(qiáng)初期支護(hù)措施來承載施工期間的主要荷載（全部土壓力、部分水壓力），以控制圍巖變形，到達(dá)圍巖平衡穩(wěn)定。軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)引言隧道施工中大變形大多出現(xiàn)在地質(zhì)情況較復(fù)雜的軟弱圍巖之中。國內(nèi)外出現(xiàn)大變形的隧道屢見不鮮，比如陶恩（Tauern）隧道1970-1975修建，最大位移120cm，最大位移速度達(dá)20cm/d；現(xiàn)在牡綏鐵路工程施工中的興源隧道最大沉降量147cm，最大位移速度達(dá)14cm/d，隧道圍巖表現(xiàn)為整體下沉，見附圖二，嚴(yán)重威脅人身安全以及施工進(jìn)度，增加工程預(yù)算。本文通過對之前隧道變形的工程經(jīng)驗(yàn)以及對較成熟的理論研究，提出了加強(qiáng)預(yù)支護(hù)等相關(guān)措施將隧道變形控制在彈性變形階段。軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)1概述興源隧道隧道出口Ⅴ級圍巖地段施工開挖揭示地層巖性為中生代白堊系下統(tǒng)（K1）炭質(zhì)泥巖。隧道出口開挖掌子面多表現(xiàn)為潮濕、滲水，巖體為全風(fēng)化狀態(tài)，多呈粉末、泥狀，極松散軟弱，自穩(wěn)能力極差；詳見附圖一《興源隧道出口掌子面巖層照片》軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)附圖一《興源隧道出口掌子面巖層照片》軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示：拱頂累積下沉均在40cm～50cm左右，最大沉降量發(fā)生在DK412+285-DK412+275段，此段圍巖噴射混凝土出現(xiàn)剝落，并伴有不規(guī)則環(huán)向裂紋，裂縫寬8-36mm。施工預(yù)留沉降增加至60cm，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示最大沉降量147cm。（詳見圖三DK412+270凈空斷面圖）軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)附圖二《興源隧道出口DK412+276斷面輪廓》軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)附圖三《DK412+270監(jiān)控量測分析圖》

軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)日期項(xiàng)目2011.7.24-8.68.7-8.128.13-8.228.23-8.258.26-9.22備注日最大沉降量（cm）1411392.5進(jìn)尺里程以7.24、8.7、8.13、8.23、8.26日期為界點(diǎn)

累計(jì)沉降量（cm）57101114128147上臺階施做里程DK412+267DK412+259DK412+259DK412+253DK412+251中臺階施做里程DK412+275DK412+271DK412+260DK412+260DK412+258下臺階施做里程DK412+308DK412+292DK412+282DK412+272DK412+265軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)2隧道圍巖變形影響因素軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)2隧道圍巖變形影響因素2.1工程地質(zhì)因素2.2設(shè)計(jì)及施工因素軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)2.1工程地質(zhì)因素在隧道圍巖變形諸多地質(zhì)因素之中，巖體的性質(zhì)是內(nèi)外動力地質(zhì)作用的結(jié)果，主要以巖塊的堅(jiān)硬程度和結(jié)構(gòu)特征表現(xiàn)出來。巖體強(qiáng)度主要取決于軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度，巖體的結(jié)構(gòu)特征主要取決于結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度。因此影響隧道穩(wěn)定性的地質(zhì)因素可以最終歸納為巖塊的堅(jiān)硬程度、巖塊的完整程度、結(jié)構(gòu)面性質(zhì)和空間組合、地下水及地應(yīng)力等。軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)對于興源隧道的圍巖情況，全風(fēng)化的炭質(zhì)泥巖，呈散體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面交錯復(fù)雜。而散體結(jié)構(gòu)巖層一般經(jīng)受十分劇烈的構(gòu)造運(yùn)動后由斷層泥、巖粉、壓碎的巖石碎屑、碎塊等組成，巖層走向和傾向變化極不規(guī)則。這類圍巖強(qiáng)度低，幾乎沒有自穩(wěn)能力。這種圍巖開挖后，地應(yīng)力重新分布，若沒有及時且強(qiáng)有力地支護(hù)，圍巖很快由彈性變形進(jìn)入松弛變形，出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。2.1工程地質(zhì)因素軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)2.2設(shè)計(jì)及施工因素隧道圍巖失穩(wěn)變形除了受地質(zhì)條件的影響外，還受設(shè)計(jì)施工的影響。設(shè)計(jì)施工影響主要是指隧道的斷面形狀、尺寸、埋深、開挖方法、施工工序、支護(hù)形式等工程活動的影響。2.2.1斷面形狀、尺寸及埋深2.2.2開挖方法2.2.3支護(hù)結(jié)構(gòu)2.2.4施工工序2.2.5鄰近施工以及各部位距離2.2.6時間因素軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)2.2.1斷面形狀、尺寸及埋深

對于相同類型的隧道，開挖空間越大，開挖時釋放荷載越大，開挖后的二次應(yīng)力也相應(yīng)增大，導(dǎo)致圍巖變形顯著，而興源隧道出口設(shè)計(jì)斷面面積為143m3，因有預(yù)留量，實(shí)際開挖斷面有169m3。興源隧道出口軟弱破碎的圍巖，因其沒有較大的抗力，故而軟弱圍巖受影響較大。隧道埋深對圍巖變形的研究表明：埋深較淺的，水平主應(yīng)力普遍大于垂直主應(yīng)力，大變形數(shù)據(jù)模擬表明，受非靜水應(yīng)力場作用的隧道，當(dāng)?shù)貞?yīng)力水平足夠高，對于軟弱破碎圍巖，最大位移方向?qū)c最大主應(yīng)力方向正交，而不是與它平行，而興源隧道目前還處于淺埋段，故而變形主要表現(xiàn)為拱頂沉降；埋深較深的圍巖變形大多表現(xiàn)為兩側(cè)拱墻內(nèi)移變形。軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)2.2.2開挖方法隧道開挖后由于應(yīng)力重分布，應(yīng)力場發(fā)生變化。施工中采用不同的開挖工法對開挖后圍巖的二次、三次應(yīng)力有很大的影響。針對軟弱圍巖一般采用分部開挖，優(yōu)點(diǎn)是每次的應(yīng)力變化不大，缺點(diǎn)是由于擾動次數(shù)過多，易造成圍巖變形累計(jì)增加。由附圖三可知，DK412+270斷面上臺階新開挖后沉降量最大，中臺階、下臺階開挖到此時，下沉量會凸顯，直至仰拱施作完畢成環(huán)后才趨于穩(wěn)定。軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)2.2.3支護(hù)結(jié)構(gòu)由于支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用，減小了圍巖塑性圈的范圍。因此，支護(hù)結(jié)構(gòu)直接影響圍巖的應(yīng)力和變形，限制了隧道開挖引起的圍巖變形，使收斂變形逐漸減小。破碎圍巖開挖后自穩(wěn)能力差，如果快速、及時的施加支護(hù)系統(tǒng)，可以迅速給松動巖體提供支護(hù)抗力，減小對深部巖體的傳遞，也能有效降低圍巖的變形。軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)同時根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)可得出，洞室開挖后支護(hù)結(jié)構(gòu)在其應(yīng)力、應(yīng)變的變化特征與原始圍巖平衡狀態(tài)下巖性等方面相似，若要其洞室穩(wěn)定，那么支護(hù)結(jié)構(gòu)就要發(fā)揮原始圍巖平衡狀態(tài)時的力學(xué)要求及圍巖特性。據(jù)此可以提出很多支護(hù)措施的理念。舉例說明：洞室開挖后，圍巖情況為：巖體風(fēng)化不均勻，洞室中部巖石為強(qiáng)風(fēng)化或弱風(fēng)化，強(qiáng)度高，拱墻附近巖石強(qiáng)風(fēng)化至全風(fēng)化，巖石間解理面光滑且圍巖較破碎，自身強(qiáng)度不高（中部巖石強(qiáng)度遠(yuǎn)大于拱墻巖石強(qiáng)度）；洞室未開挖之前巖體處于平衡狀態(tài)，若山體內(nèi)部壓應(yīng)力極大，而拱墻圍巖由于巖體摩擦系數(shù)低等自穩(wěn)能力較差，并軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)且強(qiáng)度低的巖石無法承擔(dān)其應(yīng)力，所以中部強(qiáng)度較高的巖石地應(yīng)力極大，此時中部巖石承擔(dān)了穩(wěn)定洞室平衡的關(guān)鍵。若開挖后為使其圍巖穩(wěn)定，那么該支護(hù)結(jié)構(gòu)就要承擔(dān)類同中部巖體的抗應(yīng)力，如果支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低于原中部巖石強(qiáng)度就會出現(xiàn)初支開裂甚至拱架扭斷等現(xiàn)象；此種圍巖的支護(hù)措施可以增大拱墻圍巖摩擦系數(shù)，改善拱墻圍巖受力性、加強(qiáng)初支支護(hù)強(qiáng)度等。軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)2.2.4施工工序隧道主要施工工序，如開挖、初期支護(hù)、仰拱及二襯等工序是影響隧道變形的主要因素。隧道區(qū)巖體極易受到施工擾動而發(fā)生相應(yīng)的變形。軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)2.2.5鄰近施工以及各部位距離隧道初期支護(hù)后，變形逐漸趨于穩(wěn)定，但由于受后期施工影響，圍巖變形表現(xiàn)為小幅震蕩變化特征。對于興源隧道出口自穩(wěn)能力很差的圍巖受后續(xù)施工尤為顯著，若仰拱與掌子面的步距過長，造成遠(yuǎn)離仰拱斷面縱向變位大，引起周圍地層的擾動，塑性區(qū)增大，使拱腳位置附近受力大而失穩(wěn)。比如興源隧道DK412+270段仰拱距離掌子面58m，以致洞室開挖后拱頂會迅速下降，圍巖變形壓力迅速轉(zhuǎn)化為松弛壓力，圍巖進(jìn)入松弛狀態(tài)，及很快從非穩(wěn)定平衡狀態(tài)進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài)。軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)2.2.6時間因素有研究表明：圍巖開挖后與時間等有著函數(shù)關(guān)系。對于軟弱破碎的圍巖，特別是粘土質(zhì)巖、泥巖等有明顯的流變性質(zhì)。洞室開挖后會有明顯的拱頂沉降；原始圍巖隨著時間的增加，風(fēng)化程度也會隨著圍巖與溫度、濕度接觸后加劇。詳見附圖四.軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)類別o/mo/mo/do/dⅣ級圍巖上臺階77.9032.7845.8022.32Ⅳ級圍巖下臺階42.1219.0721.008.27Ⅴ級圍巖上臺階87.1142.7046.0519.53Ⅴ級圍巖下臺階54.0326.3331.429.81附圖四

Ⅳ、Ⅴ級圍巖穩(wěn)定距離/時間正態(tài)分布參數(shù)注：o為位置參數(shù)，o為標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。從上面可以得出仰拱、二襯與掌子面的距離要求以及施做完畢的時間要求。軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)3隧道圍巖變形支護(hù)原理及技術(shù)3.1隧道預(yù)支護(hù)原理3.2圍巖變形支護(hù)技術(shù)措施軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)3.1隧道預(yù)支護(hù)原理隧道穩(wěn)定基本原理：“充分發(fā)揮圍巖的自承能力、保持平衡穩(wěn)定、基本維持原始狀態(tài)”是目前隧道建設(shè)的指導(dǎo)思想。對于隧道開挖施工過程，我們可以理解為：基本維持圍巖的原始狀態(tài)和充分發(fā)揮圍巖的自承能力，到達(dá)全過程平衡穩(wěn)定，使地下工程開挖與支護(hù)過程消耗能量最小。根據(jù)預(yù)支護(hù)原理，其實(shí)質(zhì)是初期支護(hù)要強(qiáng)，承受部分水壓和全部土荷載，二襯作為安全儲備，初期支護(hù)和二襯共同承擔(dān)特殊荷載。軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)3.2圍巖變形支護(hù)技術(shù)措施支護(hù)設(shè)計(jì)和施工控制的基本要求是：因勢利導(dǎo)，控制塑性變形區(qū)域的擴(kuò)展，從而降低了圍巖應(yīng)力的集中程度，并使應(yīng)力集中區(qū)向圍巖深部轉(zhuǎn)移，有利于減小圍巖變形。根據(jù)圍巖特性與支護(hù)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，下面根據(jù)圍巖變形的因素以及預(yù)支護(hù)原理提出以下的支護(hù)措施：軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)隧道斷面要預(yù)留足夠的變形量，允許圍巖產(chǎn)生一定的變形。圍巖鉆爆采用“多打眼，少放藥”的原則。軟弱圍巖隧道多采用臺階法施工，上臺階施工時，拱部采用光面爆破，巖石自重有利于周邊眼的開裂，降低炸藥消耗，降低耗能，有利于圍巖保持原始狀態(tài)，減少了對圍巖的擾動。軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)多重支護(hù)。軟弱圍巖變形量比較大，此種圍巖應(yīng)采用先柔后剛的雙層初期支護(hù)形式。開挖預(yù)留量調(diào)為60cm，一層柔性支護(hù)，使圍巖有一定的變形，適度釋放巖體應(yīng)力和卸壓作用；初期支護(hù)完畢后，圍巖沉降收斂到達(dá)25cm或噴射混凝土開裂后，實(shí)施第二次剛性支護(hù)，補(bǔ)噴混凝土，控制變形，保持巖體不致失穩(wěn)。詳見附圖五。而過早的支護(hù)第二層支護(hù)，若地應(yīng)力較大，很可能致使兩層支護(hù)開裂的現(xiàn)象.詳見附圖六。同時根據(jù)圍巖情況，若圍巖呈散體結(jié)構(gòu)無自穩(wěn)能力的，且日沉降量較大，那么可以增大預(yù)留量，縮短上臺階長度，控制在3米左右，若圍巖變形速率過大要據(jù)現(xiàn)場情況及時支護(hù).見圖七。考慮到上臺階拱腳薄弱位置以及施工經(jīng)驗(yàn)，雙重支護(hù)建議一次性支護(hù)到中臺階。軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)附圖五《二次支護(hù)示意圖》軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)附圖六《雙重支護(hù)開裂》軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)附圖七《V形鋼支撐支護(hù)照片》軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)控制工序間隔距離。目前軟弱圍巖開挖多采用臺階法，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析以及施工經(jīng)驗(yàn)表明，上臺階長度為一個洞徑較好，即控制在7～10m左右；中、下臺階開挖兩側(cè)相互錯開3～4m。為了因應(yīng)力分布不均勻而產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，中、下臺階避免在同一側(cè)開挖施工，同時中、下臺階距離控制在8～10m范圍左右。目前興源隧道開挖部位按此進(jìn)行施工，取得了較為顯著的效果，沉降量減??；對于變形量大的隧道，必須保證仰拱與掌子面的距離控制在40m范圍以內(nèi)，如果距離過大，會因縱向拉力增加對上臺階拱腳位置產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致沉降加大。根據(jù)附圖四數(shù)據(jù)顯示，上臺階穩(wěn)定距離在80m左右，所以二襯施作控制在距掌子面80m以內(nèi)。但如果采取支護(hù)措施圍巖仍不穩(wěn)定的應(yīng)提前施作二襯，且應(yīng)予加強(qiáng)。軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)控制關(guān)鍵工序間隔時間。隧道開挖、出渣、初期支護(hù)、仰拱和拱墻混凝土襯砌等，是控制施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，根據(jù)施工情況，開挖一般為4h，出渣2h，初期支護(hù)11h，仰拱施作24h，拱墻施作需要3d。可知：上臺階一個循環(huán)約為17h。若襯砌類型為Ⅴb，鋼架間距為0.6m，上臺階每進(jìn)尺為一榀，按仰拱距離掌子面為35m計(jì)算可知：35÷﹙24÷17*0.6﹚=41d。仰拱施作6～7d強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)表明：軟弱圍巖仰拱施作后一周之后沉降趨于穩(wěn)定。此數(shù)據(jù)軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)與表1中穩(wěn)定時間相吻合。就目前興源隧道而言，仰拱施作過早，對沒有穩(wěn)定的下臺階形成較大的抗力以及剪切力，造成了噴射混凝土的脫裂現(xiàn)象。因此嚴(yán)控上臺階進(jìn)尺，在保證仰拱與掌子面安全距離的同時，控制仰拱施作時間，對興源隧道軟弱圍巖的穩(wěn)定非常重要。軟弱破碎圍巖大變形支護(hù)技術(shù)創(chuàng)新工藝。興源隧道創(chuàng)新工藝：在超前小導(dǎo)管內(nèi)填塞錨固劑并插入φ22螺紋鋼筋，在型鋼中部按標(biāo)準(zhǔn)間距鉆孔。其效果明顯,抗彎變形的能力得到加強(qiáng)，最大撓度僅為3cm，拱部下沉較?。唤Y(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)，隧道拱腳位置為受力薄弱環(huán)節(jié)，因此可以考慮在上、中臺階的拱腳處增設(shè)“大拱腳”或在相鄰兩榀拱架拱腳處增設(shè)縱向工字鋼連接，前者增大了受力面積，后者形成類似“板梁”