单位文秘网 2021-08-31 09:10:21 点击: 次
摘要:总结高地应力软岩隧道大变形成因,比较各种大变形预测技术,归纳大变形防治措施。分析表明:大变形形成机制、变形模式与一般围岩变形破坏不同,需要加强研究;目前还没有形成一套系统、完善和易于推广应用的现场地质分析、监测试验、分析评价预测体系;在支护参数方面,需要一套预测预报方法体系和相应工程对策;针对不同机制、不同等级的大变形,需制定合理大变形防治措施。以期为今后软岩大变形稳定性控制提供有益参考。
关键词:隧道 稳定性 高地应力 大变形 预测与防治
中图分类号:TU7 文献标识码:A 文章编号:1007-3973(2011)004-013-02
高地应力下软弱围岩挤压大变形,是目前备受关注的隧道难题之一,其变形机理及结构受力特征复杂,目前尚未得到完整的解决。首例严重的交通隧道围岩大变形是1906年竣工的长19,8km辛普伦I线隧道;我国南昆铁路线家竹箐隧道390m(IDK579+170~+560)洞段发生大变形:日本艾那山I线400m大变形路段用36个月才得以通过。
总之,目前在围岩大变形机制、围岩大变形的预测理论和控制技术方法体系方面值得进一步深入研究,具有科学理论意义和现实价值。
1 大变形成因分析
1.1地质方面的原因
根据我国大量隧道统计,大变形隧道多发生在泥岩、页岩、千枚岩等软岩,在构造及风化影响显著时变形更大,同时伴有地下水渗流和高地应力时更易产生大变形。
1.2施工方面的原因
隧道围岩变形量的大小除受地质条件客观因素影响外,与施工方法及手段有很大的关系。如果喷锚支护施做不到位、仰拱和二次衬砌距离掌子面距离过长、开挖后无法及时封闭成环,而重点放在施工进度,施工单位变形监控量测不规范或不及时、钢架底部悬空或长期积水浸泡,得不到及时处理等因素都对大变形的发生有直接的影响,甚至促进了大变形发生。
1.3设计方面的原因
主要表现在对地质条件了解不够,根据有限的探孔了解地质情况,对变形程度估计不足,以致支护措施不到位。如果设计的锚杆不够长,就无法穿过松动圈,对围岩加固起不到很好的作用。钢架强度、刚度不够,或者钢架间距过大,就无法抵抗巨大的围岩压力。预留变形量过小,很容易导致初期支护侵入二次衬砌部位,有时甚至要拆掉初支以保证二衬尺寸。
2 围岩大变形预测预报研究
根据国内外现有资料,大变形的预测方法总结起来分为挤出预测和膨胀预测两大类。挤出预测如Muirwood提出的坚固系数、Saari提出的隧道切向应变等;膨胀预测以膨胀岩代表,借助于理论力学解来探求围岩的应力一应变关系,膨胀预测将膨胀问题视为连续介质力学问题,形成完善的应力一应变关系,这些关系和平衡方程及兼容性方程一起构成了解决特定边界和初始条件下的膨胀问题的理论框架。
Muirwood提出用坚固系数来预测隧道围岩稳定性(挤出),坚固系数被定义为岩石单轴抗压强度和上覆围岩自重应力的比值。后来,这一参数在日本被用以进行围岩隧道的挤出预测(Nakano)。
我国石家庄铁道大学学者提出应力强度比,即最大主应力、围岩切应力或垂直主应力与单轴抗压强度的比值。
3 大变形防治研究
刘志春以隧道极限位移为基础,在软岩大变形隧道二次衬砌施作时机方面进行探讨和尝试。王树仁对具有应力扩容型和结构变形型的软岩隧道,采用刚隙柔层支护技术成功解决了高应力大变形支护。刘招伟提出以“钢拱架+柔性预应力锚索+钢纤维喷射混凝土”为主初期支护系统对抑制乌鞘岭隧道高地应力软弱围岩大变形。李树军采取“先柔后刚、先放后抗”方针指导了挤压软弱围岩的大变形施工。H.L.Dai提出了一种用于软岩隧道的分析方法和软岩隧道的安全标准。GuofengLI建立了一个交叉巷道的力学模型,提出了双螺栓稳定性控制技术。
铁二院从预留变形量出发,并根据已有工程实例和研究成果提出三级划分标准,如表1,相应的防治基准如表2所示。隧道正常预留变形量对于单线隧道一般不大于15cm,对于双线铁路隧道不大于30cm,并取上述值0.8倍作为正常变形值上限,即,单线隧道支护位移不应大于13cm,双线隧道支护位移不应大于25cm。取上述正常值的2倍作为大变形的下限,即:隧道施工时,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,则认为发生了大变形,在现场得到了很好的应用和证明,值得进一步推广。
4 存在的问题
隧道及地下工程施工中的大变形问题出现已经一个多世纪,但在理论认识和支护方法上仍然还存在许多问题,主要表现为:
(1)重大关键工程的大变形机制仍然需要专门研究。尤其是强震区高地应力大变形形成机制、变形模式与一般的围岩变形破坏不同,应从应力条件、围岩工程力学特性和结构特征以及围岩变形流变效应和空间效应等方面都需要深入研究。
(2)目前各种岩石力学理论和方法、监控量测技术、测试技术等各有所长,但是在测试方法应用以及预测方面研究工作比较零散,没有形成一套系统、完善和易于推广应用现场地质分析、监测试验、分析评价的动态预测体系。
(3)目前关于泥岩、页岩、千枚岩等软岩大变形预测及防治技术研究工作比较零散,缺乏规范的施工程序,更没有形成一套预测预报方法体系和相应结构参数。
(4)大变形处治对策还不能达到推广应用和系统指导施工的程度,需要针对不同机制、不同等级的大变形,制定相应的合理防治对策。
总之,目前高地应力软岩隧道大变形机制、预测理论和控制技术方法体系方面,仍然值得进一步研究。
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