隧道软弱围岩施工及初期支护大变形的认识与探讨

隧道软弱围岩施工及初期支护大变形的认识与探讨孟祥马河北路桥集团有限公司摘要:近几年来隧道施工中常有围岩或初期支护发生大变形的事例，每次造成的损失少则数十万元多则上百万元，加强对这一现象的认识与探讨，预防发生大变形事故，是隧道施工人员需认真面对的课题。文章收集整理了一些相关资料，对初支变形的原因、应对措施等作了一些简要介绍，希望能为类似工程防变形施工提供一点参考。关键词:软弱围岩施工；大变形；原因；应对措施；认识与探讨一、变形情况隧道围岩大变形主要发生于低级变质岩、断层破碎带及煤系地层等低强度围岩中，一般具有变形量大、径向变形显著及危害巨大等特点，19世纪中叶就已经出现并引起人们的关注。据悉国外著名的有辛普伦I线隧道、奥地利陶恩(Tauem)、阿尔贝格(Arlberg)及日本惠那山(Enasan)等公路隧道，海代尔(Manerihvdel)、苏特来季(sutlei)、哑木那(Yamuna)及楼克塔克(IJ0ktak)等水工隧洞；国内有宝中铁路大寨岭隧道、青藏铁路关角隧道、南昆铁路家竹箐隧道及宝兰复线乌鞘岭隧道、宜万线堡镇隧道等铁路隧道，凉风垭隧道、华蓥山隧道、国道212线木寨岭隧道等公路隧道，都曾经发生过围岩或初期支护大变形，每次造成的损失少则数十万多元则匕百万元。兰新线乌鞘岭隧道全长20050m，设计为两座单线隧道，线间距为40m，隧道最大埋深l100m左右。某单位施工的F7断层(DKl77+867~+050)长达817m，埋深800m左右，在施工中初期支护发生了连续大变形：墙腰最大收敛36．7cm，拱顶下沉21．2cm，最大日变形量5．2cm，导致初期支护破坏侵入净空而拆换；+720～+150段改为圆型断面施工，也发生了大面积变形：墙腰最大变形69cm拱顶最大变形62cm，最大日变形量21cm，导致第二次初支破坏，也进行了拆换处理。泰井线碧溪隧道左洞zK41+730。+670段共60m地处山沟松散破碎带，洞身顶部覆盖层约30m，围岩为泥岩和碳质页岩，呈软塑、流塑状，地下水直接受地表水补给，开挖后自稳能力极差。2003年4月26～30日连降大暴雨，5月2日洞身上半断面施工至zK41+610时，zK41+730～+670段加速地质下沉，造成该段隧道发生变形：116型钢拱架顶部被压平、边墙扭成麻花状，初期支护开裂(缝宽2～6em)、掉块，量测发现4月26日前日变形量均小于1cm，而降雨的这几天日变形量竟达到4～11cm，5月3日统计拱顶最大下沉量59．9cm，周边最大收敛量53．5cm，普遍侵入二衬净空，后来进行了拆换处理。宜万铁路堡镇隧道为该线第二长大隧道(左线长1l563m，右线长11595m)。左线出口端E1段5924m，其中v级围岩129m，Iv级围岩4710m。地质情况主要为砂质页岩、粉砂质页岩、炭质页岩、泥质灰岩及硅质岩，围岩较为破碎，设计有2681m为软岩～般变形段fGYzl，1406m为软岩严重变形地段fGYll，施工时某段100多米发生整体变形，普遍侵入二衬净空20～45cm，后来进行了拆换处理。二、变形后的一些观点初期支护变形后，设计、监理、施工单位会同有关专家开会讨论，分析原因提出处理及应对办法。有认为是地质原因造成的，也有认为是施工不到位所致。如在乌鞘岭隧道，有领导认定是现场锚杆未打好，钢架间距过大等造成，一些行家也持相同观点。后来监理现场监督工班严格按设计施作支护，打设6m的系统锚杆，钢架间距控制在0．5m左右，施工数十米后还是发生同样的大变形，侵限而拆除重来，造成了很大的损失，相关人员这才意识到地质环境的特殊性。更有甚者，在碧溪隧道左洞，竞有人提出是不是测量错误，因为拱顶下沉却看不到错台。技术人员坚信测量无误，看过测量记录且看了压成麻花状的边墙型钢后，这才明白连续的变形并没有明显错台。三、变形原因初探1、变形、大变形的概念变形是指地质体(物体)初始形状、方位或位置发生了改变。根据隧道施工规范要求及新奥法规定，单线隧道正常位移值u13cm，双线隧道u25cm，最大允许变形量为洞径的3％。在隧道施工中如果初期支护发生了大于25cm(单线隧道)和50cm(双线隧道)的位移，则判定为发生了大变形。2、大变形的种类据国内外隧道施工经验，围岩及初期支护产生变形的种类主要有：膨胀变形、挤压变形、松弛变形和高地应力引起的软弱围岩变形几种。对于膨润土、板岩、千枚岩地段，因其本身性软，在开挖后遇水易软化，具有一定的膨胀性，在空气中暴露时间越长膨胀越大，超过一定限度时就会发生膨胀变形。对于断层破碎带地段，施工时易产生断层带的松弛变形。如果再加上隧道区地应力较高，则容易产生挤压性围岩的挤压变形和高地应力引起的软弱围岩变形。这也是隧道施工中较多见的一类变形，家竹箐隧道、乌鞘岭隧道、堡镇隧道、碧溪隧道等都可归结于此类变形。3、大变形的机理、原因大变形的机理、原因包括：①围岩含有大量的炭质页岩、粉砂质页岩、泥质灰岩及煤系地层时，开挖暴露后围岩极易风化。岩层单轴抗压强度低，围岩压比大。②开挖引起的应力重分布超过围岩强度时，围岩会因塑性化而产生大变形。如果介质变形缓慢，就属挤出；如果变形是立刻发生的，就是岩爆。③岩层节理发育，存在顺层溜坍；因地质构造的影响，产生多处挤压破碎带。④由于围岩中的某些膨胀性矿物和水反应会发生膨胀导致大变形。“原始地应力及围岩软弱构成高应力比”，“支护的刚度不足”，这两点是造成大变形的必要条件。笔者认为可以从以下两方面来解释：承压能力方面：当地应力过大时，初期支护所能承受的压力远远满足不了抑制围岩变形的需要，必然会发生变形。如堡镇隧道设计初支承压能力0．2～0．26MPa，实测初期支护背后围岩应力达到了16MPa。其次是基础软弱，如碧溪隧道左线K4l+670～+720洞体通过区为一高10m左右的洞坑，坑内亚黏土全充填，基底强度低，承载能力有限。另外如果格栅钢架、型钢拱架间距偏大，或锚杆锚固效果不够理想时，支护的刚度不足，也难免会发生变形。承受变形量能力方面：一是初期支护所能承受的变形量有限；二是对变形的量值估计不足，如设计变形量只有10cm，当施工后实际变形量达到20cm以上时(如乌鞘岭隧道)，肯定会发生问题；三是锚杆长度不足，围岩软弱段塑性变形区域在8～10m以上时，一般设计的锚杆长度不过6m，锚固并不在坚固围岩内(如碧溪隧道左线)，其抑制变形的能力大打折扣；四是初期支护柔性不足时，围岩变形达到一定量必然会导致破坏。4、大变形的理论计算分析如某隧道：埋深h：600m；开挖半径a=3．53m；围岩溶重1=20．3kN／m3；垂直地应力P。=16MPa；围岩抗压强度Ra=1．0MPa；粘聚力C=0．16MPa；内摩擦角中=30。；泊桑比斗：O．28；弹性模量E=490MPa；实测初期支护背后围岩压力仃。：拱顶为1．1MPa，边墙为O．92MPa，取1．01MPa。则应力比：刚盯m_16／1．0l=15．8。用卡斯特纳公式近似估算塑性变形区半径R：R=a{[P0(1一Sin嘞一cCos中+cctg中y(叮，寸eCtg中)】。“9=8．88(m)根据弹塑性理论近似估算洞壁径向位移u：u=[(1+“)a]／E。[2(1一卜L)Po_叮一=0．203(m)理论分析塑性变形深度为8．88—3．53=5．35(m)，拱顶下沉0．203m，水平收敛变形0．406m，若实测初期支护拱顶下沉及周边收敛值大于上数值，则具备了大变形条件。同时不难看出，6m以下长度的锚杆仍还在塑性变形区内，锚杆的锚同或悬挂作用并不理想。5、初期支护破坏原因分析软岩变形基本可以分为弹性、塑性和流变3个阶段，而流变产生的变形是最主要的。开挖条件下，紧靠轮廓面的围岩变形是直接进入塑性或流变状态的，并未经过缓慢的弹性变形阶段。初期支护变形可以分为3个阶段：弹性均匀变形一不均匀变形或弯曲变形斗破坏3个阶段。喷砼理想状态的匀变阶段只能承受2cm左右的变形，必然会导致不均匀变形或弯曲变形来释放更大的变形，当初期支护弯曲变形达到一定的程度、变形集中在某一部位时，必然导致破坏，发生一次更大的突然变形。四、应对措施应对措施包括：①隧道的支护包括初期支护和永久支护(衬砌)两大步骤。一般来说初支是承载结构，衬砌仅作为安全储备，不能被动地让衬砌承受围岩挤压力，而应主动加固围岩，从提高围岩力学性能着手，在源头上减小挤压力，主要措施是使用锚杆和注浆，使隧道周边形成加固圈，由加固圈承受一部分荷载。通过加长锚杆或锚索(其端部应伸出塑性区，进入弹性区不小于2m)，将支护的荷载通过锚杆传至深部稳定岩体，让深部围岩帮助受力，提高围岩的c、(p值。②对于软岩隧道，支护的首要任务是如何遏制初支的大变形。从目前的施技水平来看包括如下3种方法。“以刚克刚法”即采用刚度大的支护体系来抵抗开挖后释放的围岩压力，在埋深浅的条件下比较适用，但对于深埋、高地应力隧道则并不理想。“以柔克刚法”即采用伸缩型拱架建立弱性支护，以达到地应力释放及围岩应力重分布的作用，以保证初支及衬砌结构的安全，其适用范围也具有局限性，最好的办法是“刚柔相济综合法”，即采用“加固围岩、改善洞形、先柔后刚、先放后抗、变形留够、底部加强、封闭及时、稳扎稳打”的原则来有效控制高地应力和岩性软弱所产生的大变形，该办法特别适用于堡镇隧道、乌鞘岭隧道F7断层这样的“大挤压构造带”施工。③开挖时采用能尽早闭合的短台阶法，或开挖分两步进行：采用小尺寸的小导坑超前施工，先初步释放应力，待围岩变形达到预计变形量的80％左右时、或初期支护变形明显或有异常时，再进行扩挖或拆换到设计断面，施作正式支护，以降低二次衬砌前围岩的变形速率。④预留变形量必须留够(宁多勿少)，防止初期支护变形侵人模注混凝土净空。如开挖时将变形预留量从原设计10～20cm加大至35～50cm，以抵抗变形值，不致于造成侵限。但是具体预留多少应通过现场实际量测情况而定，避免衬砌过厚造成浪费。⑤由于围岩的徐变作用，初期支护收敛时间很长，一般需提前浇注混凝土衬砌，故因衬砌受力较大而需加强。鉴于近似圆形断面的衬砌主要处于受压状态，改善洞型，加强措施以提高混凝土标号和加大衬砌厚度为主，必要时加钢筋，从而避免出现大的弯矩。同时预留补强衬砌空间，在出现衬砌破坏时采取补强措施；初支与二衬之间设置可压缩性夹层(变形层)，减缓衬砌承受的压力和避免断层活动对隧道的破坏，并使之相对较均匀承压。⑥应重视隧道底处理，仰拱应不比其它部位衬砌薄，而且应在开挖后立即浇注。隧道围岩为挤压围岩时，仰拱的曲率应比一般隧道有所加大。当采用台阶法分步开挖时，上半断面应加设临时仰拱，并应尽可能避免采用长台阶。应尽量缩短仰拱与开挖面的距离，使支护整体受力。⑦工序施作时间控制：要设立并严格按照“工序内部控制标准”施工，如上台阶不超过5m，下台阶距仰拱不超过15m，上台阶距衬砌不超过50m。及时支护，尽早封闭。量测变形10cm后开始复喷混凝土，变形20cm后必须衬砌，防止变形进一步扩大。⑧支护参数的改变：增加锚杆长度和砼喷射厚度、加强超前注浆小导管的施工、增加型钢拱架强度和间距加密(如将1榀／m的116钢架改为2榀／m的H175型钢拱架)，预留变形量加大、将马蹄形断面改为圆形断面，衬砌采用防水钢筋砼、对流塑至软塑状土体段仰拱地基进行小导管注浆固结等。五、出现变形后的拆换处理流程工艺流程：加强临时支撑、保证安全斗导水引流(打设导水管、导水孔，挖排水沟，抽排积水、减少浸泡)斗拱脚基础固结(必要时设小导管注浆加固)_小导管注浆超前支护_÷开挖一环向导管注浆一拆换钢支撑、锚网喷初期支护。仰拱、填充紧跟_监控量测、变形观察_二衬封闭。六、结束语国内外典型的挤压性围岩隧道均采用了设置长锚杆方案。一般来说锚杆锚固段越长越好，但隧道施工中垂直操作不便，倾斜施作的效用有待进一步研究。另外锚杆类型、长度和施作方式对稳定围岩及在不同地层中的作用如何还亟待深层探讨。特别是锚杆在软弱围岩中的锚同效果、时效性等值得研究。注浆加固围岩因有的断层围岩非常密实，注浆不扩散或扩散半径不大，起不到固结作用。特别是在煤层带、含水碳质页岩段(如碧溪隧道)、黄土