軟巖隧道基底病害及工程措施

1、高地應(yīng)力軟巖隧道基底病害及工程措施* * *（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都610031）摘要:本文依托川藏線上高巖溫隧道相關(guān)資料，首先調(diào)研了現(xiàn)有高地應(yīng)力的分級(jí)，其次針對(duì)高地應(yīng)力圍巖條件下軟巖隧道基底病害底臌，總結(jié)其變形的機(jī)理和原因，歸納了底臌的控制措施，為類似的隧道工程提供參考。關(guān)鍵詞：隧道底鼓；變形機(jī)理；控制措施中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：High stress soft rock tunnel bottom damage and engineering measures* * *(China Railway Eryuan Engineering Group Co. Ltd, Cheng

2、du, Sichuan 610031, China)Abstract：This paper relies on data of high temperature of rock tunnel on the Sichuan Tibet line. Firstly, the classification of high ground stress is investigated. Then the high geostress tunnel bottom soft rock surrounding rock under the condition of the disease - the bott

3、om heave. Summarizing the mechanism and reason of the deformation of the floor heave control measures are summarized,This paper provides reference for similar tunnel projects.Key words: Drum at the bottom of the tunnel; Deformation mechanism; The comprehensive measures1. 高地應(yīng)力軟巖概述近年來，隨著我國交通事業(yè)的不斷發(fā)展，穿越

4、高地應(yīng)力區(qū)軟巖隧道越來越多，給我國隧道設(shè)計(jì)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(zhì)構(gòu)造會(huì)對(duì)下穿的隧道造成很大的影響，會(huì)產(chǎn)生高溫高壓地下水（地?zé)幔④泿r變形和巖爆風(fēng)險(xiǎn)（高地應(yīng)力）、活動(dòng)斷裂、斜坡崩滑、泥石流等災(zāi)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隧道均出現(xiàn)不同程度的大變形。通過工程類比，由新都橋至理塘越嶺深埋隧道多為砂板巖等軟質(zhì)巖，因此存在大變形的風(fēng)險(xiǎn)較北線高。北線共計(jì)存在軟巖大變形風(fēng)險(xiǎn)隧道7座，南線存在軟巖大變形風(fēng)險(xiǎn)的隧道為10座。因此控制高地應(yīng)力軟巖隧道基底的變形成為隧道建設(shè)中亟待解決的問題。1.1

5、高地應(yīng)力分級(jí)對(duì)于地應(yīng)力的分級(jí)，國內(nèi)外沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，目前主要采用3種方法進(jìn)行分級(jí)1。 (1)數(shù)值法:工程實(shí)踐中往往將大于2030MPa的地應(yīng)力稱為高地應(yīng)力。 (2)應(yīng)力比法:采用水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力的比值(n)進(jìn)行分級(jí)。n=11.5時(shí)為一般應(yīng)力，n=1.52時(shí)為較高地應(yīng)力，n>2時(shí)為高地應(yīng)力。該方法強(qiáng)調(diào)了水平應(yīng)力的作用。 (3)強(qiáng)度應(yīng)力比法:采用巖石單軸抗壓強(qiáng)度和最大水平主應(yīng)力的比值（）,滬進(jìn)行地應(yīng)力分級(jí)，該方法反映了巖體的承壓能力。世界部分國家按該方法進(jìn)行地應(yīng)力分級(jí)結(jié)果見表1-1。表1- 1 世界部分國家地應(yīng)力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)國家、地區(qū)及單位強(qiáng)度應(yīng)力比極高地應(yīng)力高地應(yīng)力中等地應(yīng)力低地應(yīng)力法國隧協(xié)

6、<224>4日本應(yīng)用地質(zhì)協(xié)會(huì)<224>4前蘇聯(lián)頓巴斯礦區(qū)<2.22.24>4中國TB10003-2005鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范<447根據(jù)鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范，初始應(yīng)力評(píng)估見表1-2。表1- 2 初始地應(yīng)力場評(píng)估基準(zhǔn)初始地應(yīng)力狀態(tài)主要現(xiàn)象評(píng)估基準(zhǔn)()極高應(yīng)力硬質(zhì)巖開挖過程中時(shí)有巖爆發(fā)生，有巖塊彈出，洞壁巖體發(fā)生剝離“新生裂縫多”成洞性差軟質(zhì)巖巖芯常有餅化現(xiàn)象，開挖過程中洞壁巖體有剝離"位移，極為顯著，甚至發(fā)生大位移"持續(xù)時(shí)間長，不易成洞高應(yīng)力硬質(zhì)巖開挖過程中，可能出現(xiàn)巖爆，洞壁巖體有剝離和掉塊現(xiàn)象，新生裂縫較多，成洞性較差軟質(zhì)巖巖芯時(shí)有餅化現(xiàn)

7、象，開挖過程中洞壁巖體位移顯著，持續(xù)時(shí)間較長，成洞性差巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc與定性劃分的巖石堅(jiān)硬程度對(duì)應(yīng)關(guān)系，見表6-3。 表6- 3 Rc與定性劃分的巖石堅(jiān)硬程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系Rc/MPa<551515303060>60堅(jiān)硬程度極軟巖軟巖較軟巖較堅(jiān)硬巖堅(jiān)硬巖2. 高地應(yīng)軟巖隧道底臌機(jī)理和原因2.1底臌的機(jī)理在軟巖隧道基底變形中，底鼓往往占據(jù)了很大一部分，隧道的底鼓容易引起線路的不平順，危害行車安全。根據(jù)圍巖巖性將隧道底鼓分為四類：膨脹性軟巖底鼓；高應(yīng)力軟巖底鼓；節(jié)理化軟巖底鼓；復(fù)合型軟巖底鼓。每類軟巖隧道底鼓的機(jī)理和特征見表2-12。表2- 1 軟巖隧道底鼓變形機(jī)理及特征軟巖類型變

8、形機(jī)理變形特征膨脹性軟巖遇水發(fā)生物理，化學(xué)反應(yīng)塑性擠入、底鼓高應(yīng)力軟巖巖石在高應(yīng)力作用下變形巖爆、片幫、塑性擠入節(jié)理化軟巖強(qiáng)度低、完整性差、結(jié)構(gòu)而發(fā)育全斷而塑性擠入、擴(kuò)容、掉塊復(fù)合型軟巖高應(yīng)力-強(qiáng)膨脹復(fù)合軟巖高應(yīng)力下加劇圍巖膨脹片幫、底鼓、塑性擠入高應(yīng)力-節(jié)理化復(fù)合軟巖節(jié)理、結(jié)構(gòu)而在應(yīng)力作用下滑移、變形滑移、擴(kuò)容、崩解高應(yīng)力-節(jié)理化-強(qiáng)膨脹復(fù)合軟巖綜合作用擁有多種變形特征2.2 底臌的原因（1）隧道圍巖強(qiáng)度低隧址區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，且具有一定的地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力作用。泥質(zhì)粉砂巖、泥巖等圍巖條件下，節(jié)理裂隙發(fā)育，強(qiáng)度較低。隧道開挖后，原始地應(yīng)力釋放掉一部分，圍巖發(fā)生卸荷和應(yīng)力重分布。圍巖切向應(yīng)力增加，塑性

9、圈半徑擴(kuò)大，變形破壞，由隧道淺部向深部擴(kuò)展，再加上底部積水，使底部圍巖產(chǎn)生不可逆的物理、化學(xué)變化，使巖體軟化加劇:一方面使水在巖體中滲透更加方便;另一方面使圍巖裂隙增大和擴(kuò)張，變形量加大，產(chǎn)生一定量的底鼓。桃樹婭隧道發(fā)生底鼓破壞的主要內(nèi)在因素是圍巖巖性較差3。（2）軟巖遇水軟化和膨脹膨脹性軟巖(蒙脫石、伊利石等)遇水后會(huì)出現(xiàn)泥化、膨脹、崩解和破碎等現(xiàn)象隧道底板巖體強(qiáng)度會(huì)隨著地下水的侵蝕進(jìn)一步降低。隧道底板巖體強(qiáng)度下降后在水平應(yīng)力作用下將進(jìn)一步破壞，此時(shí)水更容易滲透至隧道底板更深部的巖層，加劇底板深部巖層的水理作用，使得底板更大范圍內(nèi)的巖體強(qiáng)度降低，破壞范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。水是引發(fā)底鼓的主要環(huán)境因素

10、3。（3）軟巖的流變軟巖具有典型的流變性。在隧道底部圍巖壓力作用下，隧道底板巖體將向隧道內(nèi)空發(fā)生整體流動(dòng)，當(dāng)該巖體的流變性能超過其抗拉強(qiáng)度極限值時(shí)，隧道底板將出現(xiàn)豎向裂隙，最終發(fā)生底鼓。巖體流變引起的底鼓與時(shí)間密切相關(guān)，并隨著時(shí)間的增長而增大3。3. 高地應(yīng)力軟巖隧道底臌控制措施3.1底臌工程實(shí)例表3- 1 軟巖隧道底臌匯總序號(hào)名稱地點(diǎn)地質(zhì)簡況工程情況及大變形特征1關(guān)角鐵路隧道4中國青藏線(1977)泥質(zhì)片巖，最大埋深500m左右施工期間，隧底上鼓約1m，通車后不久，隧底便上鼓30cm， 2海代爾引水隧洞5印度(1979)千枚巖、頁巖及各類片巖等。通車三年以后(1982年11-12月)，隧底隆

11、起80cm， 3掃石公路隧道中國薄層泥灰?guī)r通車后，隧底隆起，邊墻再次開裂4辛普倫隧道6瑞士-意大利(1906)圍巖為石灰質(zhì)云母-片巖隧道在竣工若干年后，強(qiáng)大的山體壓力再次引起橫通道邊墻、拱部和隧底破裂、隆起5家竹青鐵路隧道7中國南昆線(1992-1997)泥質(zhì)砂巖、頁巖及煤層煤系地層，原始地應(yīng)力 8.516 MPa在變形最嚴(yán)重的洞段，底臌80 100cm；3.2 底臌控制措施 傳統(tǒng)控制措施 根據(jù)控制原理的不同，傳統(tǒng)的底鼓控制方法可分為加固法與卸壓法兩大類。加固法主要通過提高底板圍巖強(qiáng)度以控制底鼓;卸壓法主要是通過切縫等卸壓措施，將巷道及底板的應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，降低底板巖層應(yīng)力，從而達(dá)到控制底鼓的

12、目的。底臌控制方法簡介見圖3-1，具體的設(shè)計(jì)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法 切縫卸壓法 打孔卸壓法卸壓法 松動(dòng)爆破卸壓法 掘巷卸壓法 聯(lián)合支護(hù)法圖3- 1 底臌控制方法簡介 表3- 2 底臌防治的不同方案設(shè)計(jì)9方案底臌防治措施主要技術(shù)參數(shù)1底板錨桿9根長5×mm間距為0.60.8mm的高強(qiáng)度錨桿，2底板注漿向底板下3 m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4 m,槽寬0. 5 m4底板設(shè)置反拱反拱形狀為圓弧形，反拱設(shè)計(jì)厚度為250 mm.拱高800 mm，曲率半徑為5357 mm5藥壺爆破卸壓底板下35 m范圍進(jìn)行超前鉆

13、孔爆破6爆破卸壓與注漿加固聯(lián)合方案5與方案2聯(lián)合7超挖錨注回填技術(shù)對(duì)底板下深度1. 6 m范圍內(nèi)的巖體進(jìn)行超挖，在巷道底部打長度1.5 m錨管，同時(shí)進(jìn)行注漿，最后用C40混凝土對(duì)超挖部分進(jìn)行回填3.2.2 加固巷道幫角控制底鼓巷道圍巖是一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的有機(jī)整體，一個(gè)部位的變形常常引發(fā)另一部位的變形。提高一個(gè)部位的強(qiáng)度(加固法)可能對(duì)控制該部位的變形有利，但可能引起其它部位的變形加大:降低一個(gè)部位的強(qiáng)度(卸壓法)可能有利于控制該部位的變形，但也可能對(duì)控制其它部位的變形不利。因此，在選擇底鼓控制方法時(shí)不能顧此失彼，而要全面考慮，保證在控制底鼓的同時(shí)使巷道其它部位不失穩(wěn)10。數(shù)值模擬和相似材料實(shí)驗(yàn)表明

14、:巷道底角處通常是應(yīng)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(dāng)巷道兩幫圍巖強(qiáng)度不高時(shí)，兩幫也是塑性區(qū)較大的部位。圍巖塑性區(qū)產(chǎn)生以后，其范圍大小對(duì)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(kuò)容膨脹變形也就愈大，這將對(duì)巷道底鼓產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。因此，為了控制巷道變形與底鼓，開巷后應(yīng)盡早加固巷道軟弱圍巖的幫和底角，作用是:(1)減弱巷道角部應(yīng)力集中程度，并在兩幫和底角盡快強(qiáng)化圍巖的強(qiáng)度，控制塑性區(qū)的發(fā)展，以便防止和減少因底板圍巖塑性變形、粘塑性流動(dòng)和破裂圍巖體積膨脹而造成的底鼓。 (2)提高巷道兩幫與底角圍巖的自承能力。減小兩幫的

15、塑性變形及由于兩幫破裂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布置密度、提高錨桿強(qiáng)度、加大錨桿長度等措施。由于該方法基本上不必對(duì)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(shí)間不長，還是得到了大力推廣。從現(xiàn)場實(shí)踐情況看，該方法控制底鼓的效果較好。4. 結(jié)論本文通過調(diào)研的手段，現(xiàn)得出如下結(jié)論。（1）隧道開挖后圍巖應(yīng)力變化造成隧道底板巖層卸載產(chǎn)生彈塑性變形向巷道內(nèi)鼓起;隧道拱腳在垂直應(yīng)力作用下擠壓底板，使底板受水平應(yīng)力作用向隧道內(nèi)鼓起;同時(shí)軟巖的流變性導(dǎo)致底鼓量隨時(shí)間延長而增。（2）軟巖的強(qiáng)度較低，會(huì)導(dǎo)致隧道開挖

16、后，原始地應(yīng)力釋放掉一部分，圍巖發(fā)生卸荷和應(yīng)力重分布。膨脹性軟巖(蒙脫石、伊利石等)遇水后會(huì)出現(xiàn)膨脹。則是出現(xiàn)底臌的重要原因。巖體流變引起的底鼓隨著時(shí)間的增長而增大。（3）通過加固幫角可以避免傳統(tǒng)方法的一些缺陷，配合注漿加固和卸壓的方法可以起到比較理想的效果。參考文獻(xiàn)1張梅,何志軍,張民慶,肖廣智,任誠敏. 高地應(yīng)力軟巖隧道變形控制設(shè)計(jì)與施工技術(shù)J. 現(xiàn)代隧道技術(shù),2012,06:13-22+69. 2師亞龍,陳禮偉,裴濤濤,李春林. 軟巖隧道底鼓機(jī)理及底鼓量計(jì)算方法J. 鐵道建筑,2014,05:54-56. 3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. 4蘇舟,曾繼練. 娘擁水電站地?zé)岢梢蚣敖鉀Q辦法J. 技術(shù)與市場,2012,08:138.4萬飛. 關(guān)角特長鐵路隧道不良地質(zhì)致災(zāi)機(jī)理及控制技術(shù)研究D.北京交通大學(xué),2014. 6楊長順. 高地溫隧道通風(fēng)降溫計(jì)算方法及應(yīng)用A. 中國土木工程學(xué)會(huì)、上海土木工程學(xué)會(huì)、上海城建隧道股份有限公司.地下交通工程與工程安全第五屆中國國際隧道工程研討會(huì)文集C.中國土木工程學(xué)會(huì)、上海土木工程學(xué)會(huì)、上海城建隧道股份有限公司:,2011:11.5姜云. 公路隧道圍巖大變形