炭质页岩单线隧道大变形机理及其施工控制技术

三二一印度板块亚欧板块四川盆地青藏高原塔里木盆地鄂尔多斯灾害问题突出，如：高地应力大变形高烈度区地震岩溶涌水突泥瓦斯突出与爆炸……随着“一带一路”国家战略的推进，深埋长大隧道已成为我国交通建设和能源开发中的控制性工程。一、软岩隧道大变形成因及分类大量铁路、公路隧道及水工隧洞都遇到了严重的大变形灾害：成兰铁路、兰渝铁路、川藏铁路、西成客运专线……铁路隧道汶马高速、雅康高速、广甘高速、都汶高速……公路隧道锦屏水电站、青龙江水电站、洞松水电站……引水隧洞一、软岩隧道大变形成因及分类兰渝铁路两水隧道兰渝铁路木寨岭隧道一、软岩隧道大变形成因及分类都汶高速龙溪隧道锦屏电站引水隧洞一、软岩隧道大变形成因及分类一、软岩隧道大变形成因及分类软岩的定义类型来源定义指标性定义国际岩石力学学会单轴抗压强度在0.5~25MPa之间的一类岩石部分学者抗压强度与上覆岩层荷重之比≤2的岩石描述性定义原长春煤炭研究所松散、软弱的岩层原煤炭工业部软岩分会软弱、破碎、膨胀、流变、强风化及高地应力岩体的总称淮南矿业学院松软、破碎、软弱、膨胀及风化等岩层工程性定义董方庭围岩松动圈大于1.5m鹿守敏围岩松动圈大于1.5m，且常规支护不能适用的围岩国内外软岩无统一的定义！一、软岩隧道大变形成因及分类大变形的定义K.Terzaghi挤压变形是指含有相当数量黏土矿物的岩石，会以“不容易察觉的体积增加”缓慢地侵入隧道净空。挤压变形的先决条件是岩石中具有高含量的膨胀性细微或亚微云母矿物和黏土矿物。国际岩石力学学会挤压变形是一种与时间相关的变形行为，通常发生在地下空间开挖面周边，一般是由于极限剪切应力导致蠕变造成。这种变形可能会在开挖期间停止，也可能持续较长时间。铁二院大变形是相对正常变形而言，正常支护位移上限取为预留变形量的0.8倍，即单线隧道13cm、双线隧道25cm，高地应力隧道位移上限取为正常支护位移上限的2倍，即单线隧道25cm、双线隧道50cm。……国内外大变形无公认的定义！K.Terzaghi提出挤出性岩石和膨胀性岩石的概念G.nagnostou(1)开挖→应力重分布→塑性变形(2)膨胀性矿物+水→大变形Ö.Aydan等(1)完全剪切破坏(2)弯曲破坏(3)剪切和滑动破坏大变形原因高应力作用下岩体剪切破坏开挖引起的岩体结构面失稳特殊岩体水化学反应造成体积膨胀隧道大变形成因机制一、软岩隧道大变形成因及分类挤压大变形塑性流动塑性区塑性变形应力调整剪切滑移隧道开挖引起应力重分布达到屈服面后，围岩处于塑性状态，发生塑性变形并引起围岩应力继续调整，导致围岩剪切滑移，在地下水的进一步软化作用下，岩石强度应力比持续降低，产生大变形。一、软岩隧道大变形成因及分类结构面滑移剪切滑移面剪切滑移面节理面节理面剪切滑移面次生构造断裂层状岩体剪切滑移面次生构造断裂层状岩体节理面节理面剪应力增加结构面错动穿切层间岩石碎裂松动带隧道开挖扰动引起应力重分布导致岩体结构面滑力大于结构面抗剪强度，从而诱发的结构面变形。一、软岩隧道大变形成因及分类挤压大变形流变大变形一、软岩隧道大变形成因及分类塑性流变岩体损伤应力调整岩体蠕变阶段变化OA阶段BC阶段塑性流变是在高地应力的作用下，岩石抗压强度相对不足导致的岩石发生随时间的增长产生不可恢复的变形。流变大变形结构性流变结构面剪切滑移岩体流变效应非对称变形在节理化岩体的既有结构面（层面、节理、裂隙等）上发生塑性剪切滑移，在高应力作用下，围岩发生结构性流变滑移，滑移面受既有结构面和应力迹线共同控制。一、软岩隧道大变形成因及分类膨胀大变形地下水龙泉山一号隧道断层带膨胀性软岩变形破坏膨胀性岩石地下水膨胀压力膨胀大变形膨胀性岩石、水和应力是岩石膨胀的必要条件。当地下水与含有较高膨胀势的围岩直接接触时，很快能形成很高的膨胀性围岩压力，并导致围岩产生膨胀大变形。一、软岩隧道大变形成因及分类大变形工程实例鹧鸪山隧道（川藏公路北线）以薄层状炭质千枚岩为主，岩石强度极低，地应力17.0～23.0MPa。变形持续时间长，变形量达到总量的90%需60～120天。围岩大变形导致隧道结构在运营近10年后出现大量的裂缝！大变形工程实例杜家山隧道（广元-甘肃高速）掌隧道围岩破碎，地下水发育。绢云母千枚岩遇水崩解。隧道最大收敛变形达到90cm。崩解大变形工程实例2012/9/302013/5/302014/1/302014/9/30-6000-4000-20000轴力/kN日期拱顶左拱腰右拱腰左边墙右边墙2012/9/302013/5/302014/1/302014/9/30-80-60-40-200204060弯矩/kN.m日期拱顶左拱腰右拱腰左边墙右边墙G-1G-3G-2G-5)G-445°45°45°45°元器件埋设监测结果二衬受力显著增加裂纹处钻心取样二次衬砌产生大量裂纹围岩大变形导致二次衬砌在隧道运营三年后产生大量裂纹！大变形工程实例成都-兰州铁路茂县隧道岩石以绢云母千枚岩夹炭质千枚岩为主，层理、节理裂隙极发育。大变形工程实例岩石应力强度比高达18.23围岩流变效应显著断层破碎带发生松弛变形收敛曲线岩石流变曲线掌子面围岩大变形工程实例三二一二、软岩隧道大变形施工控制技术开挖方法的选择与优化岩性相同不同开挖方法变形与受力不同台阶法：二台阶→……三台阶七步中隔墙法：CD→CRD法（交叉中隔墙法）侧壁导坑法：单侧→双侧壁导坑法其它：导坑超前→大拱脚台阶→临时仰拱法主流工法主流工法二、软岩隧道大变形施工控制技术有效抑制岩体变形改善支护结构受力“中隔墙”“侧壁导坑”跨度大地表沉降要求高等适宜均施做临时支护工序复杂效率低成本高台阶法灵活性强技术成熟经济合理……主流趋势特点扰动大变形相对过大工序相对简单……支护结构匹配、及时、辅助二、软岩隧道大变形施工控制技术特点支护方法的选择与优化“强支护”成为当前软岩大变形隧道的主要支护手段：它可有效抑制变形，保持岩体自承载能力。及时强支护隧道开挖后及早施做二衬加大支护结构刚度加厚喷射砼、加密高强拱架、锚杆等①强支护二、软岩隧道大变形施工控制技术强支护特点：刚度大、延展性差、抗震性能低易产生如喷砼开裂、剥落、锚杆（索）拉断、钢拱架扭曲等破坏特殊情况下，若采用强支护难以有效控制围岩大变形，可采用分层初期支护、让压支护等新型结构形式！二、软岩隧道大变形施工控制技术收敛约束曲线分层初期支护分多层施设后，在刚度、厚度相同条件下，作用在结构上的荷载将变小，Pa2Pa1；初期支护安全系数得以提高。分层初期支护单层初期支护分层初期支护二、软岩隧道大变形施工控制技术②新型支护型式让压支护利用泡沫混凝土作为预留变形层混凝土预切槽横阻大变形锚杆二、软岩隧道大变形施工控制技术U型可缩式钢架格栅混凝土核心筒二、软岩隧道大变形施工控制技术σ1σ3摩阻接口30°σ1可缩段缩动后钢架缩入到摩阻接口的部分钢架可伸缩钢拱架支护针对层状岩体大变形的非对称，则采用局部强化技术、支护耦合技术、定位弧线超挖技术进行治理：。二、软岩隧道大变形施工控制技术1112341098713II1412(地下水发育区)(地下水较发育区)(地下水弱发育区)(地下水较发育区)重点注浆区定位弧线超挖锚杆加密区环向锚杆(层状软岩)长锚杆环向锚杆定位弧线超挖LocalreinforcementCombinativesupportingOrientedarcoverexcavation通过局部强化技术进行弱区域强化支护通过定位超挖技术释放变形能通过支护耦合技术使整体支护协调三二一三、单线隧道大变形机理与施工控制宗思隧道全长2205m，其中Ⅴ级围岩955米，Ⅳ级围岩1250米。隧道最大埋深190m，隧道围岩的单轴饱和极限抗压强度Rc≤5MPa，属极软质岩石，具有塑性蠕变特性。施工中，隧道发生大变形初期支护侵限，致隧道大范围换拱，换拱长度达282.8m，占总施工长度452.7m的62.5%。丽江-香格里拉铁路宗思隧道洞身附近岩芯炭质页岩，结构松散，稳定性极差三、单线隧道大变形机理与施工控制掌子面岩体在完成初支喷护后自然溜坍边墙岩体在立完钢架未喷浆前自然溜坍换拱时打开孔洞（0.5米宽2米高）时岩体自然溜坍三、单线隧道大变形机理与施工控制掌子面溜坍边墙溜坍打开孔洞时溜坍初支开裂侵限横撑弯曲三、单线隧道大变形机理与施工控制地应力反分析反演回归中选取自重、东西及南北向挤压构造、水平面内、竖直面内的剪切构造。6666121211111111111666222221111116621111()()()mmmmnjkjkjkjkjkjkjkkjkjkjkjmmmnjkjkjkjkjkkjkjkjnmmnnjkjkjkkjkjbbb对称最小二乘法多元回归(a)自重作用(b)东西向挤压(c)南北向挤压(d)水平面剪切(e)东西向垂直平面内的竖向剪切(f)南北向垂直平面内的竖向剪切三、单线隧道大变形机理与施工控制地应力分布特征024681012320032503300335034003450350002004006008001000120014001600180020002200应力值（MPa）高程（m）山体轮廓线水平应力分量隧道轴线初始应力场分布①地应力场随着埋深的增加而逐渐加大；②竖向应力分量占绝对主导地位，其量值大于以构造应力为主的水平应力分量。12345=1.793+21.099+4.907+32.534+38.645+116.424自重构构构构构测点位置地应力参数最大主应力σ1中间主应力σ2最小主应力σ3DK125+300量值/MPa2.231.261.06方向/°178.7847.80-49.72DK126+059量值/MPa6.233.492.74方向/°62.04-69.88174.53DK126+490量值/MPa3.681.351.16方向/°213.4718.56121.36三、单线隧道大变形机理与施工控制宗思隧道出口DK126+777下台阶、DK126+774断面分别进行围岩松动圈及原位强度测试，测试结果为：松动圈厚度在5.0-5.7m，测点原位强度内聚力220kPa左右,摩擦角15°左右。松动圈及原位强度测试三、单线隧道大变形机理与施工控制宗思隧道软弱炭质页岩大变形机制大变形的影响因素1）岩性岩性软弱破碎、节理发育、承载能力差。2）地下水因素水的软化和润滑作用，降低围岩的承载能力。3）施工方法不同施工方法对围岩的扰动范围、次数、程度都不一致。4）软弱夹层进一步弱化围岩的承载能力。大变形机理1）软岩的塑性剪切滑移变形2）岩层的弯曲变形3）软弱夹层的软化作用形宗思隧道的大变形是以软弱破碎炭质页岩的塑性剪切滑移为主的挤压大变形；炭质页岩软弱破碎、强度低是大变形的内在因素；地下水与软弱夹层等环境因素加剧了大变形的发展；施工扰动则影响着围岩变形发生的概率与程度。三、单线隧道大变形机理与施工控制大变形分级研究现状在各种大变形分级中，很多方案都采用了相对变形指标和强度应力比指标。三、单线隧道大变形机理与施工控制大变形分级标准的确定根据大变形特征及其成因，参考国内外多个地下工程大变形的资料，提出宗思隧道围岩综合系数的大变形分级方案。三、单线隧道大变形机理与施工控制软岩隧道支护体系及开挖方法100m计算模型全图锚杆和喷射混凝土为了研究软岩隧道的支护体系及开挖方法，考虑如下工况：三、单线隧道大变形机理与施工控制随着边墙曲率的增大，拱顶沉降位移逐渐增加，上台阶水平位移和中台阶水平位移逐渐减小。由于水平方向是隧道变形的优势方向，应当以控制水平方向变形为主，增大洞室曲率。喷射混凝土厚度的增加会导致支护刚度的增大，能增大支护抗力，减小隧道收敛变形量，但同时会引起过大的形变压力，承受更大的弯矩，导致喷射混凝土开裂破坏，从经济上看也会增加混凝土的消耗量。建议优先采用32cm厚的喷混。三、单线隧道大变形机