富水软岩大变形论文

富水软岩大变形论文（精选5篇）

富水软岩大变形论文 第1篇

关键词：富水软岩,大变形,柔性设计理念,超前导坑,预应力锚索,可伸缩钢架

1 引言

成兰线松潘隧道位于四川省松潘县岷江断裂带边,距离坟川县110 km。起讫里程为D4K239+630～D3K247+633,全长8 048 m,最大埋深约270 m,属中山构造剥蚀地貌,地表上覆第四系全新统冲洪积层、滑坡堆积层、泥石流堆积层粉质粘土、粗角砾土。下伏基岩为三叠系炭质板岩夹砂岩、板岩、岩质软弱,岩体挤压破碎严重,节理裂隙发育。本文以松潘隧道为研究对象,阐述在富水软岩挤压变形隧道如何采取对策控制变形,确保施工安全的方法。

2 施工中变形表现

2014年7月10日发现D3K243+830～+849段初期支护出现大变形,局部出现裂缝;7月11日监测两次发现变形发展较大,安排回填反压并施工横撑,上台阶加长锁脚锚杆;7月12日横撑变形目。变形量较大,增设斜撑(图1);7月13日支护钢架变形持续发展,施工径向锚杆进行注浆;持续注浆加固。7月18日现场观察和采集监测数据发现加设横撑和竖撑之后右侧泡水部位严重侵限,且变形不收敛,变形主要集中在两侧拱腰部位,横撑、斜撑出现弯曲(图2),局部喷砼脱落;7月20日横撑弯曲加大(图3),变形不收敛;7月21日横撑、斜撑弯曲加剧且横撑局部有劈裂裂缝(图4),左侧部位侵限变形加大且超过右侧,变形依然不收敛,严重处变形速率达79 mm/d。安全风险倍增,施工受阻。

7月25日,变形基本稳定,测得最大拱顶下沉773 mm,最大水平收敛927 mm。

3 大变形段的处理技术方案及效果

经分析,此段围岩为破碎软岩、地应力较大且复杂、富水,容易产生挤压变形。围岩实际为V级,但原设计人员仅按Ⅳ级围岩进行支护参数的常规设计,且施工中不注意及时进行排水,导致高应力软岩在受水浸泡,在支护不够强大的情况下发生以上大变形。

专家根据掌子面揭示的地质特点及现场变形情况,经方案研讨,决定在大变形段采用如下处理及加固方案:

大变形超限段逐孔拆除超限的钢拱架及喷砼层,扩挖围岩,逐孔按新的支护参数进行加强支护:墙身及拱部采用间距为1.5 mΦ25中空注浆锚杆,长度由原设计的3.5 m加至6 m,仰拱底加设间距为2 mΦ25中空注浆锚杆,长3.5 m;全环设120b工字钢钢架,间距由原1 m加密至0.5 m,并采用8mΦ28自进式锚杆进行锁脚,钢架之间设Φ20螺纹钢环向连接筋;预留拱顶下沉量20 cm,水平收敛30 cm,如图5所示。

变形超限段经处理后,经20 d监控量测,拱顶下沉量总量为8.6～13.5 cm,水平收敛7.9～21.8 cm,最终变形速率0.3～0.15 mm/d。表明采用的初支参数合理可靠,围岩已稳定,很好地控制了围岩的变形。

4后续未掘进段控制围岩大变形的施工技术措施

地质勘察表明,从掌子面至D3K244+367段围岩性质与变形段相类似,预估在施工中会出现同样的变形可能,需采取针对措施确保质量及安全。

总结大变形段的处理效果,借鉴国内外其他类似隧道的施工经验,经参建各方专家分析研究,决定采用柔性结构设计的理念对后续部分支护方式及参数进行设计及调整。

经多次试验、分析及总结,对支护参数进行优化,采用了一些新技术及方法。控制变形最终采用的开挖及支护的综合技术措施、方法对策如下。

4.1 采用多种手段进行地质超前预报

采用地质分析法、地质雷达法以及超前水平钻探相结合等手段,预报开挖面前方的围岩级别和稳定性,探明围岩构造形状及发育情况,查明水源大小、方向和补给,利用其成果,对前方围岩与地层情况做出判断并进行评估,根据评估情况调整支护参数和开挖方法,有效预防安全事故发生,使施工在可控状态下进行。

4.2 小导管与深孔锚杆预交错加固进行超前支护

超前支护采用Φ42双排小导管水泥注浆,每环30根小导管,两环间距离20 cm,环向间距30 cm,梅花型布置,外插角10°～15°,小导管单根长6m,搭接长度不少于1.5m。在小导管间交错布置8 m的Φ32 mm自进式中空锚杆,环向间距1.0 m,纵向间距1.2 m。注浆材料采用水灰比为1:1水泥浆液(重量比),注浆压力为0.5～1.0 MPa。注浆过程中要随时观察注浆压力及注浆泵排浆量的变化,达到设计注浆量或注浆压力达到设计终压时可结束注浆。通过D3K243+849～+862段未加强支护措施之前的拱顶下沉及其收敛速率与其他加强支护措施后的变形数据进行比较,该措施极为有效地控制住了隧道初支的变形速率及累计变形量,减少变形量为13%～21%,保证了隧道施工安全。

4.3 利用导坑进行围岩应力释放及钻泄水孔减压

在隧道中部设置一处超前导坑,利用超前导坑释放围岩应力,导坑开挖面积约50 m2,导坑超前约30 m,释放变形的时间10 d以上,收敛变形小于1cm/d后进行正洞扩挖。经监测(监测数据如表1所示),导坑的收敛变形在237～351 mm幅度内,扩挖后再增加的收敛变形在173～295 mm幅度内。导坑可提前释放围岩变形总量的50.3%～67.0%,大幅减轻了初支承受的围岩压力。

同时在导坑钻孔泄水减压,在导坑开挖后及时在导坑中间及下部拱脚附近钻3个8 m深的Φ5 cm的纵向泄水孔,通过钻孔泄水,可避免围岩遇水软化及减小隧道的侧向压力,增强围岩的稳定性。导坑及泄水孔布置示意图如图6所示。

4.4 设置长自进锚杆、锚索、U29伸缩式钢架等多种强大初支

墙身及拱部采用8～10mΦ25自进式锚杆作为系统锚杆,间距为1.5 m;在拱腰上下2 m范围内设置长15～18 m的6S15.2预应力锚索,锚索间距为2m×2m,并施加500kN预应力;仰拱底设间距为2 m的Φ25中空注浆锚杆,长3.5 m;全环设可伸缩式U29拱架,间距50 cm,拱架接头处设置锁脚锚杆。采用20 cm×20 cm双层钢筋网,喷混厚度20 cm。采用的最终初支图如图7所示。

因本隧道开挖后围岩的挤压变形非常大,使刚性的工字钢钢架变形过大而失效,本项目改用U29可缩式钢架,“U”形钢支架较其他刚性支架具有可缩性和稳定可靠的承载能力,适应松软围岩的载荷和变形,可随围岩在一定幅度内变形而不被破坏,使支护结构在变形中不产生破坏,保持抵抗围岩应力的平衡力。

4.5 缩短仰拱开挖时间

因仰拱开挖时会使隧道变形速率增大。将仰拱每次开挖长度由原来的6 m减小至3 m,并快速浇注仰拱,缩短仰拱开挖至封闭成环的时间,降低仰拱开挖对隧道变形的影响。

铁建设[2010]120号文明确规定了V级围岩隧道施工的安全红线,仰拱距离掌子面距离不超过35 m,二衬距离掌子面距离不超过70 m。施工时将仰拱距离掌子面距离尽量控制在30 m左右,二衬距掌子面距离控制在60m左右。

4.6 加大变形预留量

设计预留变形量按照10～15 cm考虑。本隧道施工时加大了变形预留量,一般预留拱顶下沉量25 cm,水平收敛35 cm,并根据不同隧道段的围岩情况进行适当调整,防止初支超限。

4.7 加强监控量测

监控量测作为判断围岩稳定性,支护、衬砌可靠性,指导日常施工管理,确保施工安全和质量的重要措施,在本项目软岩大变形隧道施工显得尤为重要。结合隧道施工时变形的实际情况,将监测频率由原来的1次/d改为3～4次/d。监测后及时根据监测数据绘制拱顶下沉、水平位移等随时间及工作面距离变化的时态曲线,了解其变化趋势,进行时态曲线回归分析,综合判断围岩和支护结构的稳定性,并根据变形等级管理标准及时反馈施工。

5 大变形控制效果

在随后的大变形段通过超前地质预报和监控量测结果进行综合判析,获取精准的不良地质危害的性质与状况,确定风险等级,提前制定穿越富水软岩大变形地层的预案与措施,采取了以上多种变形控制的技术措施,取得了良好的控制成效。

表2为四个典型断面的监控量测数据。数据为围岩达到规范要求稳定状态时的天数、累计拱顶下沉量及当天变形速率、累计水平收敛变形值及当天变形速率。

从表中可看出,断面的拱顶最大累计下沉量245 mm;最大净空收敛累计313 mm。围岩变形速率均小于0.2 mm/d,表明此时隧道已经稳定,采取的围岩变形控制及支护措施合理有效。

开挖预留变形量满足要求,没有再出现初期支护侵限。

6 结语

目前成兰线松潘隧道软岩大变形段已经开挖成型400 m,根据对监控量测数据进行分析,并结合现场围岩及支护的观察表明,洞内初期支护稳定,拱顶下沉和隧洞周边收敛均在允许范围之内,地表无沉降现象。实践证明,采用的变形控制技术措施及处理对策是科学、合理的,对类似软岩大变形隧道的安全施工及支护设计提供了很好的借鉴作用。

参考文献

[1]陈寿根.软岩隧道变形特性和施工对策[M].北京:人民交通出版社,2014.

[2]张文新,孙韶峰,刘虹.木寨岭隧道高低应力软岩大变形施工技术[J].现代隧道技术,201 1,48(2):78-82.

[3]王永善.堡镇隧道高地应力地层大变形控制关键技术[J].隧道建设,2009,29(2):227-231.

[4]中铁二院工程集团.隧道合理支护参数及地表沉降控制技术研究报告[R].2009.

隧道软岩大变形机理及控制研究 第2篇

关键词：隧道,软岩大变形,变形机理,控制措施

0 引言

当隧道工程穿越高地应力、浅埋偏压、松散破碎或者具有膨胀性质的软岩区域时, 围岩大变形极易出现而且危害极大, 其破坏支护结构、侵入断面限界, 若处理不当还会造成塌方, 甚至导致施工人员伤亡。南昆铁路家竹箐隧道 (跨度9.34m) 390m的大变形段延误铺轨达4个半月之久, 类似的还有青藏线关角隧道、宝中线木寨岭隧道及堡子梁隧道、国道317线鹧鸪山公路隧道, 给工程建设造成极大的困难。

1 工程概况

十 (堰) 房 (县) 高速公路通省隧道为上下行分离式的双向四车道高速公路隧道, 主要岩性为武当群片岩, 绢云母含量高, 构造破碎, 岩体软弱。

隧道施工过程中多段产生大变形, 表现为沿拱架形成多条环向裂缝, 裂缝呈上窄下宽趋势, 拱脚裂缝最大宽度达30cm。掌子面开挖时岩体结构面发育, 共有三组明显结构面。从侧壁变形裂缝中可见岩体完全破碎成块状, 有一定构造挤压迹象, 片理面及节理面光滑, 胶结程度差。

2 软岩大变形特征

通过现场观察和监测, 总结出通省隧道软岩大变形特点:①变形破坏方式多:变形破坏方式一般有拱顶下沉、侵入挤压, 隧道表现出强烈的整体收敛和破坏, 变形破坏机理复杂。②变形量大:拱顶下沉和水平位移大于10cm, 有的高达20cm, 有时还出现隧道一侧变形偏大, 一侧变形小, 变形的不对称, 使得隧道轮廓发生严重破坏。③变形速率高:软岩隧道收敛速率可以高达35mm/d。④持续时间长:由于该区域软岩具有强烈的流变性和低强度, 软岩隧道掘进后, 围岩的应力重分布持续时间长, 软岩隧道变形破坏持续时间很长。

3 软岩大变形机理

3.1 岩性对大变形的影响

通省隧道所处区域经历过多次构造过程, 且隧道埋深大, 在地质构造和地应力的作用下, 隧道岩体破碎、力学性能差, 单轴抗压强度一般小于10MPa, φ值约10~20°, C值一般0~0.01MPa。软弱破碎围岩的塑性破坏计算与其它岩土存在明显区别, 设塑性圈内径向应力为σr0, 切向应力为σθ0, 塑性区内围岩处于极限平衡状态, 即

由于围岩内原始应力为均匀应力, 洞室为圆形, 其力学平衡方程为

将 (3) 代入 (1) 整理得

式中, a为洞室半径。

可见, 软弱破碎岩体开挖后, 塑性圈内应力已与原岩应力场σ无关, 只与围岩体的c、φ值有关, 而c、φ值是岩性的一个重要表征参数, 因而说明了岩性在围岩大变形机理中起着重要作用。

3.2 地应力对大变形的影响

为了解围岩压力情况, 在隧道中埋设了多组振弦式压力盒, 如图1。通过监测数据得知衬砌上的围岩压力值都不大, 最大在6MPa左右, 70%在2~4MPa之间, 小部分小于2MPa;但是考虑监测断面岩体力学性能较差, 抗压强度较小, 当用抗压强度除以围岩压力时, 结果60%介于2~4之间, 尽管该值不是严格意义上的围岩强度比值, 但可以做个参考, 查相关地应力分级表格属于中等应力, 可见, 应力在大变形中起到的作用也是不容忽视的。

3.3 水对大变形的影响

通省隧道地质构造复杂, 断层破碎带多、节理裂隙发育。由于水的冲蚀作用, 可冲走结构面的充填物或使夹层泥化, 因而使得结构面间的摩擦阻力降低;由于水的化学作用可使岩石中某些可溶性物质被溶蚀, 因而使得岩石孔隙度增加, 岩石强度降低。

3.4 偏压

偏压引起的原因在于隧道开挖后的应力重分布。在开挖扰动前, 主应力方向 (σ1) 平行于山坡面, 其在水平方向的分力产生偏压。开挖前后主应力方向及开挖后断面上应力分布情况见图2。

3.5 时间因素影响

①岩体的流变性质:所谓流变性质指围岩变形在应力不变情况下不断增长 (蠕变) 或在变形约束情况下, 应力随时间降低 (松弛) , 以及围岩强度随时间降低的性质。②时间的增长加剧了围岩的弱化过程, 使围岩变形增加、塑性或松动区扩大。

4 控制措施

针对本隧道围岩大变形现象, 对原设计支护参数进行改进, 钢架由I20b换成H175, 系统锚杆长度由4m换成6m, 预留变形量由10mm增加到20mm, 同时辅以锚喷网支护, 锚杆采用Φ50注浆小导管, 浆液采用水泥单浆液, 通过提高围岩的整体性借以提高围岩的自稳能力。

另外初支施工过程中尽早闭合成环, 待围岩初支稳定后再进行二次衬砌。支护方式改进后, 通过现场监测, 洞周位移量大多不超过10cm, 大变形已经得到有效控制。

5 结论

①通省隧道地质情况复杂, 围岩软弱, 隧道大变形具有变形量大、变形速率高等特点, 处理不好将会严重影响隧道的施工进度。②通过室内试验及现场监测, 确定该地段发生软岩大变形的影响因素主要有围岩的岩性、地应力、水、偏压、时间效应等, 其中岩性和地应力为主要的诱发因素。③根据隧道大变形的特点及发生的机理, 选择设置临时钢支撑、加强初期支护、增大预留变形率的措施来控制, 并优化开挖步序, 初支尽早闭合, 待围岩初支稳定后再进行二次衬砌, 通过这些措施使软岩变形得到有效控制, 为其它大变形隧道施工提供了参考。

参考文献

[1]刘高, 张帆宇, 李新召, 等.木寨岭隧道大变形特征及机理分析[J].岩石力学与工程学报, 2005 (2) :5521-5526.

[2]卿三惠, 黄润秋.乌鞘岭特长隧道软弱围岩大变形特性研究[J].现代隧道技术, 2005, 42 (2) :7-14.

[3]刘志春, 朱永全, 李文江, 等.挤压性围岩隧道大变形机理及分级标准研究[J].岩土工程学报, 2008, 30 (5) :690-696.

富水软岩大变形论文 第3篇

新建兰新铁路第二双线甘青段大梁隧道穿越奥陶系中统砂岩、灰岩、板岩，二叠系砂岩，地质构造复杂，新构造运动强烈，且经历了多次构造变形，褶皱、断裂发育。开挖后在地下水作用下工程性质不断恶化，奥陶系中统板岩全强风化，受构造应力作用强烈，成岩性差，围岩大变形明显。经科研单位所对大梁隧道斜井和出口两个工区分别做地应力测试判断大梁隧道斜井工区为极高地应力，出口工区为高地应力。在高地应力作用下，自2012年2月开始，斜井工区、进口工区陆续斜井井身出现底板隆起、初支开裂，辅助正洞出口方向模筑开裂，部分段落初支被破坏、侵限等现象，导致施工进度异常缓慢，甚至中断，且严重危及施工安全及工程质量，引起上级部门、专家的高度关注。

通过在现场该全强风化软弱围岩区段开展地应力、拱顶沉降、水平收敛、围岩压力、初支钢架应力等科研试验和工程验证，对地层软岩的工程地质特征、地应力特征、变形特征、支护压力及应力特征、围岩松动圈及支护破坏特征进行了系统分析，掌握了该隧道大变形发展规律及产生原因，建立施工变形控制标准，摸索出地层差异变化条件下不同的控制变形支护参数、措施，有效解决了困扰施工掘进难题，施工整体稳步推进。

1 工程概况

1.1 概述

大梁隧道(DK328+820～DK335+370)全长6 550 m，位于青海省门源县，地处大梁中高山区，平均海拔3 600 m～4 200 m，最高海拔为4 430 m，轨面最高海拔3 607.40 m，为全线最高点;洞身地表起伏较大，最大埋深达780 m;洞内纵坡为人字坡;为双线大断面隧道。

施工组织采用进、出口正洞+进出口局部平导+斜井辅助正洞进行，永久性斜井与正洞相交里程为DK331+866，斜井长度1 070 m。进口段平导1 155 m，设2个横通道辅助正洞施工;出口段平导1 403 m，设2个横通道辅助正洞施工，施工高峰期共计10个工作面，目前除了横通道未至掘进面外，其余6个工作面均已展开。

1.2 工程地质特征

该隧道位于祁连山地槽北祁连褶皱带内，地质构造复杂，分布地层主要为奥陶系中统板岩、砂岩、灰岩。已施工段围岩分级变更情况见表1，围岩具体分类示意见图1。

1.3 水文地质特征

地下水赋存类型主要为第四系孔隙潜水、基岩裂隙水和构造裂隙水，与隧道关系较密切的为基岩裂隙水和构造裂隙水。隧道进、出口两端无水或贫水段，隧道中间区域为中等富水段，设计最大涌水量45 860 m3/d。

2 软岩特征

2.1 开挖揭露地层主要工程地质特征

1)受地质构造作用严重，板理发育，多呈薄层状，且褶曲发育(见图2)，易污手，属炭质板岩，岩质软弱且致密，隧道开挖后多呈塑性流动状。

2)节理切割形成大量松散小块体，结构松散破碎，全强风化。节理裂隙发育，延展性差，微张，泥化物及石英、石膏充填;局部软泥夹层及破碎带发育(见图3)，整体性差。

3)通过开展室内岩石力学试验，围岩单轴抗压强度为14 MPa～20 MPa之间，属于软岩～较软岩，岩层面泥质胶结，结合差，板状结构，中薄层状发育。

2.2 地应力特征

2012年1月～2月期间，经对大梁隧道内采用水压致裂法进行了现场地应力试验，测试结果表明，侧压系数均大于1，隧道区的水平地应力以构造应力(水平应力)为主导，且与隧道轴线交角较大，对隧道围岩的稳定性不利。实测范围内，最大水平主应力最大值为25.14 MPa、最小水平主应力最大值为13.77 MPa，由于测试的部位隧道埋深仅465 m，为极高应力。

2.3 围岩变形特征

1)变形量大，沉降大于收敛。

各工区科研试验段围岩量测每5 m设置一个量测断面，每个断面在上导墙脚、中导墙脚位置各设水平测线、拱顶共设三个沉降观测点，量测布点断面见图4。

大梁隧道进口工区:

DK329+880～DK329+900段设计施工采用Ⅰ20a工字钢，间距0.8 m+42超前小导管注浆支护，施作后于2012年5月5日不同程度出现纵向、环向裂缝，设计采用Ⅰ20，间距0.8 m，施工上导坑完成后，Ⅰ20在拱顶和拱腰处发生扭曲变形，喷层开裂剥落，大部分初支侵入二衬断面(见图5)。至2012年6月2日，该段最大累计沉降量101.4 mm，最大累计收敛54.8 mm。

斜井工区:

DK331+818～DK331+882段设计施工采用Ⅰ20a工字钢，间距0.8 m+42超前小导管注浆支护，施作后发生了严重的大变形，导致初支开裂、喷层剥落，底板，至2012年6月2日，该段最大累计沉降量632.3 mm，最大累计收敛552.0 mm。

出口工区:

DK334+467～DK331+410段设计施工采用Ⅰ20a工字钢，间距0.8 m+42超前小导管注浆支护，至2012年6月2日，该段最大累计沉降量453.1 mm，最大累计收敛438.1 mm。

DK331+820拱顶开裂变形及拱顶钢架扭曲变形

2)变形速率高。

初支未封闭段:进口工区实测隧道最大变形速率达56 mm/d;斜井工区最大变形速率达82 mm/d;出口工区最大变形速率17 mm/d。

初支封闭仰拱施工完成后:变形速率均小于3 mm/d。

3)变形持续时间长。

2012年3月18日，DK331+832～DK331+841,DK331+841～DK331+847两板模筑衬砌线路右侧拱腰开裂，其中DK331+832～DK331+841板为贯通裂缝，2012年4月20日DK331+870～DK331+879段线路右侧拱腰突然崩裂，裂缝长6 m，宽2 cm～3 cm，据DK331+871埋设的观测点测试数据显示:衬砌后拱顶累计下沉22.8 mm，水平收敛累计14.5 mm，见图6。表明初支变形持续一段时间后变形仍在发展，施作二衬后围岩压力由二衬承担。

2.4 支护结构应力和围岩压力特征

1)支护结构应力:最大钢架应力于拱顶处达395.136 MPa，已超过在材料自身极限强度，喷层混凝土出现环向裂缝，支护结构应力极大。

2)围岩压力:在开挖支护初期，围岩压力随时间呈直线增长，随时间的不断增长，因软岩变形与应力不断调整波动较大，围岩压力变化曲线呈现“上升—平缓”的特征。最大围岩压力于拱腰处达1.007 MPa。

2.5 围岩松动圈

围岩松动圈是围岩应力超过岩体强度之后在围岩周边形成的破碎带，从临空面向外划分为三个带:松散脱落带、松动带和塑性变形带。松动圈厚度是指三个带的累积总厚度。2012年5月21日对大梁隧道DK331+815等里程断面进行松动圈测试结论得出围岩松动圈的范围为280 cm～684 cm。

2.6 原支护参数

原设计初期支护结构参数见表2。

3 支护结构变形原因分析

从前文所述，造成大梁隧道围岩及支护结构变形主要有四个方面的因素共同作用形成:

1)全强风化软弱围岩在高地应力挤压作用下产生大变形是隧道卡位扰动后的必然结果。围岩软弱破碎、自稳能力差、强度低、地应力水平高是该隧道大变形的内因。

2)奥陶系中统砂岩、灰岩、板岩，二叠系砂岩，原岩成分混杂，受地质构造作用严重，薄层板理发育、褶曲明显、节理裂隙、塑性流变特征等不利因素作用，加剧了大变形的产生和发展。

3)隧道在该地层中开挖扰动后空间因素的影响下，对大变形发展程度估计不足，原设计措施不当、支护设计偏弱，预留沉降量不够。

4)时间因素的影响，即初支未及时封闭成环，二衬相对滞后。如及时跟进以补充以上两点不利因素，可防止该地层隧道围岩变形破坏。

cm

4 施工变形控制标准

依据该软岩特征及大变形产生原因，结合现场实际，建立大梁隧道施工变形控制标准:变形量:收敛:200 mm～400 mm;沉降400 mm～600 mm;变形速率:3 mm/d～5 mm/d。

5 控制变形支护参数动态优化及实施效果

通过开展科研试验及现场施工实践，掌握该隧道变形规律，分析软岩特征及大变形产生原因，进而合理调整支护参数，动态优化。

1)第一次围岩变形破坏后支护参数见表3。

2)第一次调整后实施效果验证见表4。

3)第二次围岩变形破坏后支护参数见表5。

4)第二次调整后实施效果验证见表6。

6 隧道施工现状

截止目前大梁隧道正洞开挖完成2 846 m，仰拱2 698 m，二次衬砌2 378 m，新增平导完成298 m，折合2 524.02成洞米，占总体任务的38.5%。施工基本掌握了该软岩特征及大变形规律，及时收集各项监控量测信息、施工数据，摸索出了差异变化条件下不同的控制变形支护参数，目前进口、斜井及出口工区按照相应支护参数、措施组织施工，各口施工稳步有序推进。

7 结语

大梁隧道施工最突出问题是全强风化软岩在高地应力地层下的初支防沉降、收敛变形问题。在各方共同努力下，通过在施工中开展的大量科研现场试验和工程验证，对软岩的工程地质特征、地应力特征、变形特征、支护压力及应力特征、围岩松动圈及支护破坏特征进行了系统分析，掌握了该隧道大变形发展规律及产生原因，建立施工变形控制标准，摸索出地层差异变化条件下不同的控制变形支护参数、措施，有效解决了困扰施工掘进难题，确保了隧道正常、有效推进，保障了大梁隧道施工安全和工程质量。

摘要：通过在该隧道施工中开展的科研现场试验和工程施工验证,对该地层软岩的工程地质特征、地应力特征、变形特征等进行了系统分析与总结,摸索出地层差异变化条件下不同的控制变形支护参数、措施,有效解决了困扰施工进展难题,确保了隧道正常、有效推进。

富水软岩大变形论文 第4篇

新桥矿-550 m北翼轨道大巷现场调研发现, 该巷道局部地段顶板已开裂剥落, 并逐步发展为沿巷道走向的连续破坏;底鼓突出, 尤其帮底角处已严重内移, 影响大巷成型。而且巷道变形和底鼓并未停止。巷道变形情况:巷宽由原来的4.4 m普遍变形到现在的3.9～4.0 m, 高度由原来的3.9 m变形到现在的3.0～3.5 m, 底板变形严重, 局部底鼓量达到了800 mm, 已经属于破坏型底鼓[1], 严重影响了矿井的安全生产。巷道变形破坏如图1所示。

2影响巷道变形的主控因素

巷道开挖后, 破坏了岩体的原岩应力状态, 引起了应力重新分布, 围岩向巷道内移动[2]。随着巷道埋深的增加, 围岩位移不断增大, 造成巷道围岩破坏, 其中底板岩体向巷道内位移即形成底鼓, 而底鼓是矿压显现的重要特征之一。经分析, 北翼轨道大巷底鼓主要由以下几种因素控制。

(1) 岩性。

北翼大巷所在岩层主要由泥岩与砂质泥岩组成, 该岩层强度低、破碎、遇水膨胀、泥化较严重, 属极难维护的软岩巷道。

(2) 埋深。

新桥煤矿-550 m北翼轨道大巷水平标高为-550 m, 埋深约600 m。按照我国煤矿深部开采对采深的界定[3], 600～800 m为准深部, 800～1 200 m为深部。由此可见, 该大巷属于准深部的软岩巷道。

(3) 采动影响。

-550 m北翼轨道大巷在该底鼓巷段处, 有2条巷道 (即北四采区胶带下山、北四采区轨道下山) 分别从大巷的顶板、底板间隔很小的间距 (3～5 m岩柱) 通过 (图2) , 这2条巷道近距离地通过, 致使周边围岩应力重新分布[4], 造成附近区域应力的叠加和集中, 从而形成对北翼轨道大巷的二次扰动, 导致大巷发生再次变形和破坏。

(4) 支护强度。

-550 m北翼轨道大巷原支护采用锚网喷支护, 采用Ø20 mm2 000 mm高强锚杆, 锚固体承载厚度较小, 无法控制围岩深部的碎胀变形和扩容变形, 更不能适应周围开挖巷道扰动导致的围岩大变形。在巷道承载断面中, 有一些部位属于关键承载区域, 也是应力相对集中的区域, 或者是一些软弱岩层承载强度较弱的区域, 巷道整个断面中各区域各位置承载性能不一致, 巷道首先在这些应力高度集中或软弱岩层部位发生变形和破坏, 从而逐渐发展为全断面的变形和破坏。在-550 m北翼轨道大巷整个断面中, 帮、角等部位就是关键承载部位, 需要强化支护, 使整个断面承载结构趋于协调合理。由于帮顶支护强度低, 上覆岩层垂直压力及巷道两侧的水平应力都将传递汇聚至顶底板[5,6], 从而造成底鼓发生。

(5) 底板弱面。

北翼轨道大巷底板处于敞开不支护状态, 是巷道底鼓量大于顶板下沉量的主要因素。在-550 m北翼轨道大巷整个断面中, 底板未进行任何处理, 在受到邻近巷道的扰动影响后, 围岩在底板找到自由空间而发生位移。

3修复方案及支护参数

3.1巷道修复思路

①提高顶部围岩的主动承载能力, 促使上覆岩层作用力向巷道两侧深部转移, 减弱对两帮的垂直应力传递;②提高巷道两帮围岩的自承能力, 减少两帮下沉量及由于帮下沉导致挤压底板向巷道空间的滑移鼓起量和破碎膨胀量;③减弱巷道角部应力集中程度, 并在两帮和角部形成自承能力较高承载拱, 以控制两帮和底角围岩塑性区的发展;④对底板进行支护处理, 采用锚索联合底梁有效控制巷道底鼓, 从而全面控制巷道围岩变形。

3.2支护参数

北翼轨道巷道断面形状为直墙半圆拱, 巷宽4.70 m, 墙高1.60 m, 拱高2.35 m, 断面面积为16.20 m2, 支护形式如图3所示。

(1) 初喷。

刷大断面达到设计要求, 净宽4.70 m (毛宽4.90 m) 控制施工。墙高1.60 m, 拱高2.35 m, 巷道中高3.95 m, 净断面16.20 m2。敲帮问顶后即进行喷浆, 喷浆前应处理活矸, 及时喷射混凝土封闭围岩。混凝土配比 (质量比) 为水泥∶砂∶石子∶水=1∶2∶2∶0.6, 喷浆前必须清洗岩面, 喷层厚度20～30 mm。

(2) 顶帮锚杆。

从顶板正中位置开始依次向两侧全断面布置锚杆 (间排距均为800 mm) 配合钢筋网联合支护, 采用托盘固定, 锚杆为Ø20 mm2.4 m, 钢筋网采用Ø6.5 mm钢筋焊制而成 (网孔规格70 mm70 mm) 。锚杆托盘采用200 mm200 mm8 mm大铁托盘。每根锚杆采用3节MSK2335型树脂药卷加长锚固。两帮锚杆间排距为800 mm700 mm, 锚杆预紧力不低于50 kN, 锚固力不低于200 kN。锚杆垂直岩面施工安装, 其中最下面2根斜向下10°左右施工安装。

(3) 控底锚杆。

在帮与底角交界处施工专用的底角控底锚杆, 向下30°左右施工安装, 并压住帮部钢筋网。锚杆规格同 (2) 。

(4) 顶锚索。

巷道顶板采用3根预应力钢绞线锚索配400 mm400 mm12 mm+200 mm200 mm8 mm双托盘支护, 钢绞线规格Ø15.24 mm6.3 m, 每孔用7节MSK2335型树脂药卷锚固;锚索间距2 000 mm, 排距1 400 mm。锚索预紧力不低于100 kN, 锚固力不低于250 kN。使用MS15-230/55型张拉器张拉, 读数不小于22.6 MPa。

(5) 帮锚索。

巷道两帮分别采用2根锚索加强支护。巷道两侧最下1根锚索向下带30°～45°布置, 另2根锚索向上斜带10°～15°布置。两帮锚索间距1 100 mm, 最下1根锚索距离底板200 mm。帮锚索规格、锚固要求、排距等均同顶部锚索。

(6) 底板联合底梁控底。

将底板清底350 mm, 每隔3根轨枕 (2.1 m) 在两轨枕间施工一底槽、规格为600 mm800 mm, 在开挖好的底槽中施工3根锚索 (注浆) +底梁, 钢绞线规格为Ø15.24 mm6.3 m, 眼深6.0 m, 排距2.1 m;底梁长3 600 mm, 由2根2 000 mm长规格分别为16#与18#槽钢梁搭接而成, 搭接长度400 mm, 眼距1 500 mm。底梁按巷道横截面方位放置。

4修复效果

新支护方案在新桥矿北翼轨道大巷返修段实施后, 根据4个月的矿压观测分析, 巷道顶板和两帮的控制作用较好, 巷道围岩均保持了稳定, 围岩变形得到了有效控制, 底鼓最大变形量为72 mm。底板变形监测曲线如图4所示。大巷底鼓巷段返修后的实际效果如图5所示。

5结语

(1) 新桥矿北翼轨道大巷底鼓段共115 m, 影响巷道底鼓最主要的因素是工程扰动, 由于邻近巷道的开挖扰动引起了应力的叠加和集中。

(2) 采用顶帮锚网索+底角锚杆+底板锚索方案后, 围岩整体强度得到了提高, 尤其顶帮的自承能力显著增大, 减少了两帮下沉量及由于帮下沉导致挤压底板向巷道空间的滑移鼓起量和破碎膨胀量。

(3) 底板锚索的实施, 能明显提高该巷底板围岩岩性, 从根源上控制由于底板岩性破碎而造成的底鼓, 从而确保了巷道的整体稳定性。

摘要：新桥矿-550 m北翼轨道大巷底鼓剧烈, 最大底鼓达到800 mm, 严重影响巷道的正常使用。从巷道的围岩力学性质、应力状态以及原支护强度出发, 分析了影响巷道底鼓的主要因素。根据影响底鼓的因素, 提出了顶帮锚网索+底角锚杆+底板锚索的控制措施, 并结合FLAC2D数值模拟进行了分析比较。工程实践表明, 方案实施效果良好, 有效控制了巷道底鼓。

关键词：软岩,岩石大巷,底鼓,数值模拟

参考文献

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[2]康红普.软岩巷道底鼓的机理及防治[M].北京:煤炭工业出版社, 1993.

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富水软岩大变形论文 第5篇

关键词：引汉济渭工程,秦岭隧洞,塌方,突涌水,大变形

0 引 言

随着我国西部大开发战略的深入,在中西部高山峻岭地区将会大量开工建设埋深大、距离长的地下洞室工程。引汉济渭工程是解决陕西省关中地区用水问题的战略性工程,长80多km的秦岭输水隧洞是该工程的一个重要环节。隧洞施工将涉及各种各样的工程地质问题,例如突水涌泥问题、围岩失稳、软岩变形问题等。由于秦岭隧洞延伸长,埋深大,地质条件十分复杂,使得先期开工的勘探试验洞施工中的工程地质问题备受关注。

对于长距离大埋深的隧洞在施工中遇到的地质问题,国内外一些学者都进行过研究和总结。黄润秋等对国内外数十个深埋长程隧道工程主要地质灾害问题进行总结,涉及高温、高地应力、涌水、地震震害以及有害气体问题等,对这些地质灾害的发生机理及形成条件进行了分析, 提出了相应的预测评价理论[1]。王学潮等和郭铁柱等论述了南水北调西线工程可能遇到的主要工程地质问题, 如地应力和岩爆、软岩蠕变、突水、碎屑流、活断层的突发性位错及高地温灾害等问题[2,3]。廖书志介绍了温福铁路秦屿隧道涌泥处理的成功案例[4]。刘建友等对雅砻江锦屏二级水电站皮带输送隧洞施工中的地质问题进行分析,根据不同的破坏模式,分别采取了不同的开挖支护措施,重力坍塌段采取了超前锚喷、短进尺、强支护,脆性破坏采取了监测预报、光面爆破、超前钻孔, 楔形掉块采取了喷锚支护[5]。彭仕雄针对硗碛水电站深埋引水隧洞施工中的地温、有害气体、外水压力、活动断层、高地应力及岩爆的施工应对措施进行了研究[6],文献[7,8]对深埋隧洞的支护和设计优化进行了研究,得出了相应的结论。

引汉济渭工程中的秦岭隧洞,穿越秦岭分水岭,长达81.779 km,长度远远超过已建成的铁路和公路隧道,而且埋深很大。隧洞穿越了秦岭造山带各个主要组成部分,隧洞的全面开挖实际上将形成秦岭造山带各种岩性和典型构造的深部天然剖面,地质条件复杂。因此隧洞施工可能遇到一系列地质问题需要分析和处理。

本文基于秦岭隧洞的勘探试验洞的现场勘察及不良地质问题的描述等第一手资料的收集与分析,分析了1号勘探试验洞及部分主洞主要工程地质问题,提出了针对性的处理措施,试图为主洞的设计和施工提供有益的启示。

1 工程概况

引汉济渭工程为陕西省内南水北调跨流域调水工程之一,即从秦岭南侧的汉江向秦岭北侧的渭河调水。本工程地跨长江、黄河两大流域,穿越秦岭屏障。拟在汉江干流修建黄金峡水利枢纽,并在拟建的黄金峡库区左岸修建黄金峡水源抽水泵站,抽取汉江干流的水通过黄三隧洞进入汉江左岸支流子午河上拟建的三河口水利枢纽,与子午河的水经三河口水库联合调蓄后,再从三河口水库库区向北通过穿越秦岭的特长引水隧洞(以下简称秦岭隧洞)自流输水进入关中配水管网,向渭河流域关中地区各用水户供水。隧洞位于陕西省佛坪县、宁陕县及周至县境内,穿越秦岭分水岭,长达81.779 km。见图1。

秦岭隧洞共布置了10座勘探试验洞(或施工支洞)。共布置了10座勘探试验洞,兼做施工支洞,勘探与施工相结合。从而实现长隧短打,缩短工期,降低工程造价。

1号勘探试验洞洞口位于宁陕县四亩地镇附近蒲河右岸,隧洞设计斜长2 286 m,设计洞口高程为745.64 m,洞底高程为535.05 m,综合纵坡为9.25%,断面净空尺寸为5.2 m6.0 m (宽高)。隧洞最大埋深约720 m,采用传统的钻爆法施工。

2 隧洞地质工程地质条件

2.1 地形地貌

1号勘探试验洞工程区内地势陡峻,斜坡坡度较大,自然坡度35°～60°,边坡稳定,植被茂密。

2.2 地层岩性

洞室揭露地层岩性为上太古界龙草坪温泉组片麻岩和下元古界长角坝群沙坝组大理岩。片麻岩,多呈浅灰色,鳞片变晶结构,片麻状构造,受褶皱挤压变形影响,片理产状变化较大,岩体新鲜完整,岩质坚硬。大理岩,以纯白色-灰白色为主,中厚层状细粒变晶结构,块状构造,受褶皱挤压变形影响,岩层产状变化较大,岩体新鲜较完整,岩质坚硬,大理岩中有线状溶隙发育。

2.3 地质构造

隧洞区褶皱及断裂构造不发育。经洞室开挖揭示,洞室前段未见明显褶皱,洞室后段可见层状岩层形成波浪状褶皱,局部隆起或凹陷形成微型向斜、背斜构造。洞室构造断裂不发育,仅见有3条长大节理密集带,影响宽度10～40 m。节理裂隙较发育-发育。裂隙主要为构造裂隙,其次为片麻岩中的片麻理裂隙和大理岩层的层面裂隙。从裂隙走向玫瑰图(图2)可以看出隧洞节理裂隙较发育,主要发育五组节理裂隙。其中3组节理与隧洞走向大角度相交,会形成渗水通道,影响围岩局部稳定性。另2组节理与隧洞走向近于平行,可能会引起围岩纵向的块体失稳破坏。

2.4 水文地质

地下水位一般高于洞顶,属基岩裂隙水和碳酸盐岩类岩溶裂隙水。裂隙水多为脉状或条带状分布。岩溶裂隙水在一定的空间集中分布,各向异性,局部具有承压性,局部地段水量丰富,受大气降水补给。地表水主要为蒲河河水及冲沟的间歇性流水,水量变化较大,主要受大气降水补给,水质良好,对混凝土无侵蚀性。

2.5 岩 溶

洞室开挖揭示在大理岩岩层中未见到规模较大溶蚀溶洞,一般为沿裂隙发育线状溶隙,宽度一般数毫米到几厘米,是洞室产生涌水的主要通道。试验洞洞口下游方向发育一有水溶洞,为当地居民主要生活用水来源。洞口上游方向发现一处下降泉,水量不大。试验洞沿线附近发育两个溶洞,最大可见深度达8 m,宽5 m,高2 m。总体上说隧洞区溶蚀现象不发育。根据连通试验,泉水与隧洞涌水无直接水力联系。

3 施工中遇到的工程地质问题及处理措施

3.1 突涌水

隧洞开挖后地下水出水点及表现形式以渗水、滴水、线状流水为主,个别地段发生突涌水。隧洞地下水主要出水点的水量变化规律见图3、图4。

从图3、图4可以看出:

(1)隧洞地下水水量较丰富,多处初期涌水量大于100 m3/h,以1+562、1+623 m处初期涌水量最大达200 m3/h,其次为0+730 m处150 m3/h,1+694 m处为135 m3/h左右。

(2)疏干持续时间长,一般疏干持续时间一年以上或更长时间,目前大部分地段仍在滴水、线状流水及少量涌水。表明隧洞大理岩洞段存在较丰富的岩溶裂隙水,但与地表冲沟无直接水力关系。

(3)洞室开挖后,基岩裂隙水水量有随时间延长而逐渐变小的规律。

涌水原因:0+730 m处涌水点为一节理密集带,宽度0.5～1.0 m,岩性为片麻岩,岩体破碎,完整性差,节理裂隙发育,裂隙宽张,连通性较好;其余涌水点均集中在1+560～1+700 m洞段,岩性为片麻岩和大理岩的接触带,并发育一小型张性断层,受断层影响,岩体破碎节理裂隙发育,多数裂隙张开,张开宽度5～20 mm不等,连通性好。

处理措施:隧洞突涌水的初期涌水量都很大,因此很难封堵住。根据地下水的赋存情况和地质特征确定以排为主,在限量排放的基础上进行注浆封堵、加固,由于隧洞为反坡排水,除专门设立了充足的永久泵站外,还配备了移动泵站。另外,在施工接近可能产生突然涌水的0+700～0+770 m、1+400～1+602 m段还施做了超前地质预报(地质雷达),以探明隧洞掌子面前方的水文地质情况,其推断结果已为后来的隧洞开挖所证实,与实际情况基本相符,有效指导了施工,及时做好了处理预案,确保了人员和机械设备的施工安全。

3.2 塌 方

主洞下游施工至K19+705掌子面附近时拱部发生塌方,塌方量达160 m3,形成塌腔高度约5 m,塌方范围沿隧洞纵向长度约8 m。

塌方原因:塌方段位于断层破碎带,岩性为碎裂岩,原岩为石英片岩夹变粒岩,受地质构造影响严重,节理裂隙发育,岩体较破碎-破碎,围岩不稳定-极不稳定,属于Ⅳ～Ⅴ类围岩,自稳能力差,在重力作用下发生坍塌。

处理措施:①下游掌子面用石渣回填反压,修筑台阶,部分洞壁在保证安全的情况下采用厚10 cm喷射混凝土封闭岩面。在既有拱架上游1米处立设两榀工字钢锁口,拱架需做好锁脚,并在拱脚下砌筑混凝土平台,保证拱脚底部密实,支承稳定。在拱顶120°范围内打Φ42超前小导管棚架(L=5 m,间距30 cm,搭接不小于100 cm,不注浆),小导管间距和倾角根据实际情况可适当调整,至棚架施工完毕后再按照Ⅴ类围岩分台阶开挖支护。②对下游K19+704～K19+718段按Ⅴ类围岩开挖支护,拱顶坍塌处I16工字钢间距0.5 m,锁脚锚杆拱腰处左右侧各打设4根加强。③既有掌子面石渣确保不扰动,及时抽水,保证下游掌子面处干燥。

3.3 软岩大变形

1号勘探试验洞主洞试验段掘进过程中,在上游K18+539～K18+625段进行初期支护后,支护结构严重变形破坏,喷射混凝土普遍挤裂、压碎,钢拱架间均出现环向和纵向裂缝,钢拱架严重扭曲变形。见图5。

变形原因:K18+592～K18+608段为一断层破碎带,K18+608～K18+625段、K18+539～K18+592段为断层影响带,按Ⅳ类围岩施工。断层带及影响带岩性为断层泥砾夹碎裂岩,岩体破碎,岩质软弱,洞室埋深大,地应力值相对较高时,隧洞开挖后围岩中应力释放,产生软岩变形,造成片帮、掉块、断面收敛变形等问题。

处理措施:①在既有的相邻两榀拱架间增设拱架,拱脚设锁脚锚杆,拱架间用Φ22连接钢筋连接。②拱架设立完毕后补喷混凝土,补喷混凝土的原则以不影响二衬厚度为原则,对局部剥落部位凿除后重新补喷。③对部分侵占二衬的段落采取循环换拱,先在已设立拱架的上、下游方向各设立一榀临时拱架,拱脚用水平型钢横向支撑,以防止缩脚,拱架与喷射混凝土间采取镶嵌、镶楔等方式使拱架与喷射混凝土面紧贴,待临时支护完成后对侵占二衬部分进行人工凿除,凿除后重新设立拱架补喷混凝土。④新立设拱顶均预留注浆孔,支护完毕后对不密实部位压注水泥浆液(1∶1)。

处理完毕后,在该段布设了围岩变形连续监测断面,变形量在允许范围内,围岩变形得到了有效控制,处理效果良好。

4 结 语

(1)引汉济渭秦岭隧洞1号勘探洞施工过程中主要表现的工程地质问题为裂隙密集带突涌水、断层带拱顶塌方和破碎带大变形。

(2)隧洞突涌水主要发生在断层带、节理裂隙发育带及岩性接触带附近。处理措施以排为主,在限量排放的基础上进行注浆封堵、加固。通过超前地质预报(TSP超前预报、红外探水及地质雷达)来准备排水设备,保证人员和设备安全。

(3)塌方段主要发生在断层破碎带,受构造控制,围岩自稳能力差,采用超前小导管棚架超前支护,加密拱架支护围岩,台阶法施工穿过破碎带。并且做到施工时短进尺、弱爆破、勤支护。

(4)围岩大变形主要发生在断层泥砾带等软岩地段,应加强拱架支护和围岩注浆处理。

1号勘探洞施工过程中表现出的这几种工程地质问题在一定范围内具有代表性,对其成因的分析和处理措施的效力评价对正洞的设计和施工具有重要的参考价值。

参考文献

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