王建鵬
(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)
高應(yīng)力軟巖在鐵路隧道施工中的工程地質(zhì)特性探討
王建鵬
(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)
研究隧道高應(yīng)力軟巖的工程地質(zhì)、變形機理、支護(hù)原理及支護(hù)結(jié)構(gòu)的特性,尋求隧道設(shè)計和支護(hù)施工方案。以板巖為研究對象,通過施工編錄、室內(nèi)試驗、物探PST、鉆探、地應(yīng)力測試和變形測量,從其巖石、巖體特征、巖體質(zhì)量、地應(yīng)力、圍巖分級、施工變更、變形及破壞特點等方面進(jìn)行探討??偨Y(jié)出高地應(yīng)力軟巖在隧道施工中的工程地質(zhì)特點、圍巖變形、破壞規(guī)律、高應(yīng)力和圍巖級別的劃分原則,明確了其地質(zhì)條件的研究內(nèi)容,給出解決隧道大變形、難支護(hù)問題的設(shè)計和支護(hù)對策。
鐵路隧道;高應(yīng)力軟巖;工程地質(zhì)特性;圍巖變形;設(shè)計;支護(hù)對策
在長大、深埋隧道修建過程中,不可避免地遇到高應(yīng)力軟巖這類特殊工程地質(zhì)巖組。國際上高應(yīng)力軟巖研究起于20世紀(jì)70年代的公路隧道工程。我國高應(yīng)力軟巖研究始于20世紀(jì)80年代,煤礦開采深度大于500 m時[1],深井高應(yīng)力軟巖普遍出現(xiàn),煤炭系統(tǒng)首先推進(jìn)了軟巖研究,并形成了“聯(lián)合支護(hù)理論”和“松動圈理論”[2]為代表的多個學(xué)派。鐵路軟巖隧道的研究于20世紀(jì)90年代中期獲得了初步成果,被引起高度關(guān)注的是1997年建成的南昆線的家竹箐隧道,之后的烏鞘嶺隧道和現(xiàn)在正在施工的蘭渝鐵路的多座隧道,都遇到了軟巖大變形和難支護(hù)問題。
目前國際國內(nèi)無統(tǒng)一的高地應(yīng)力判別標(biāo)準(zhǔn),對鐵路工程軟巖而言,國內(nèi)一般巖體工程以初始應(yīng)力在20~30 MPa的地應(yīng)力條件為高地應(yīng)力。由于不同巖石有不同的彈性模量,儲能性,按《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(TB10012—2007)[3],圍巖地應(yīng)力的評估基準(zhǔn)為:RC/σmax<4的硬質(zhì)巖、軟質(zhì)巖稱為極高初始地應(yīng)力;RC/σmax=4~7的硬質(zhì)巖、軟質(zhì)巖稱為高初始地應(yīng)力。其中,RC為巖石單軸飽和抗壓強度,MPa;σmax為最大地應(yīng)力值,MPa。該最大地應(yīng)力以垂直洞軸方向的最大初始地應(yīng)力對隧道洞身影響最大。
(1)地質(zhì)軟巖的概念
地質(zhì)軟巖是指強度低、孔隙度大、膠結(jié)程度差、受構(gòu)造面切割及風(fēng)化影響顯著或含有大量膨脹性黏土礦物的松、散、軟、弱巖體的總稱。國際巖石力學(xué)學(xué)會將軟巖定義為單軸抗壓強度(σc)在0.5~25 MPa的一類巖石。
(2)工程軟巖的概念
工程軟巖是在工程力作用下能產(chǎn)生顯著塑性變形和流變的工程巖體。
工程軟巖[4]要滿足的條件是
式中,σ為工程荷載,MPa;[σ]為工程巖體強度,MPa;U為巖體變形,mm;[U]為允許變形,mm。
(3)鐵路工程地質(zhì)軟巖
鐵路工程地質(zhì)的軟巖概念涵蓋了通常意義上的地質(zhì)軟巖及工程軟巖內(nèi)容,具有以下4層含義。
①強度上,巖石單軸飽和抗壓強度(Rc)≤30 MPa的巖石。
②巖石類型上,涵蓋了軟質(zhì)巖內(nèi)的較軟巖、軟巖、極軟巖等易軟化巖石,包括黏土巖、頁巖、泥質(zhì)的泥灰?guī)r、凝灰?guī)r、大部分千枚巖、片巖、碳質(zhì)板巖、蛇紋巖、石墨片巖、煤層、膨脹巖以及各種成因類型的軟弱夾層;斷層破碎帶,侵入破碎帶等機械熱動力變質(zhì)形成的構(gòu)造巖或破碎巖類;風(fēng)化巖、鹽巖等。
③巖石一般特征上,具有強度低(承載力及抗剪強度低)、變形模量小(易產(chǎn)生較大沉降及不均勻變形)、水理性質(zhì)差(易軟化崩解、膨脹收縮、管涌、潛蝕)、流變效應(yīng)明顯、長期強度低、工程應(yīng)力下巖石具可塑性和易擾動性的特點。
④結(jié)合工程,考慮應(yīng)力水平,確定工程應(yīng)力與巖體強度的相互關(guān)系,能產(chǎn)生顯著塑性變形或流變的工程巖體。
鐵路高應(yīng)力軟巖在施工中的主要問題有:圍巖及支護(hù)大變形,變形持續(xù)時間長;巖質(zhì)軟、巖性變化頻繁、軟硬不均;構(gòu)造強烈,巖體完整性差;應(yīng)力高而復(fù)雜、消散緩慢;地下水豐富而不均。這些問題嚴(yán)重影響施工進(jìn)度及安全,施工過程中設(shè)計變更及措施調(diào)整量很大。
研究工程區(qū)域位于西秦嶺中山區(qū),隧道穿越漳河與洮河的分水嶺,隧道洞身最大埋深約700 m。巖性為二疊系板巖夾砂巖及炭質(zhì)板巖。構(gòu)造上為秦嶺—昆侖緯向構(gòu)造體系,后期被祁呂賀蘭山字型構(gòu)造體系改造、復(fù)合、歸并,并在茶固灘一帶又被茶固灘帚狀構(gòu)造體系改造,由于多期次構(gòu)造復(fù)合疊加作用,形成了形態(tài)各異極其復(fù)雜的褶曲與斷層束。
研究工程范圍內(nèi)為二疊系板巖夾砂巖及炭質(zhì)板巖。根據(jù)59組巖石試驗和16組點載荷試驗統(tǒng)計,泥質(zhì)結(jié)構(gòu)板巖單軸飽和抗壓強度范圍值為4.15~14.3 MPa,平均值10.47 MPa,屬于軟巖;鈣質(zhì)板巖單軸飽和抗壓強度范圍值為16.8~37.2 MPa,平均值24.18 MPa,屬于較軟巖;炭質(zhì)板巖單軸飽和抗壓強度范圍值為2.09~3.12 MPa,平均2.5 MPa,屬于極軟巖;變質(zhì)砂巖單軸飽和抗壓強度范圍值為34.5~104 MPa,平均70.1 MPa,屬于硬巖、極硬巖。
研究的工程巖體軟硬不均,巖性、層厚變化頻繁,揉皺,節(jié)理發(fā)育,地下水多呈小股狀,結(jié)構(gòu)面光滑,泥質(zhì)充填,局部有泥化夾層、泥膜,遇水易軟化,易滑塌失穩(wěn)。
2.4.1 巖體完整性評價
根據(jù)大量勘察資料以及洞內(nèi)TSP波速連續(xù)測試成果,巖體的完整性指數(shù)Kv=0.31~0.94,Jv=8~20條/m3,巖塊波速V=3 057~5 030 m/s,巖體波速Vp=2 850~5 030 m/s,巖體完整性一般為較破碎;其次,為較完整-較破碎;再次,為破碎。
2.4.2 巖體力學(xué)特性
根據(jù)工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)(GB50218—94),巖體準(zhǔn)強度與巖石強度及Kv的關(guān)系,推算巖體強度。見表1。
表1 巖石強度、巖石堅硬程度及巖體強度匯總
2.5.1 區(qū)域應(yīng)力場
前蘇聯(lián)專家T.A.MapkoB對地應(yīng)力長期研究[5],認(rèn)為高地應(yīng)力區(qū)往往出現(xiàn)在區(qū)域平面的隆升帶。自元古代以來研究區(qū)一直以南北向的持續(xù)擠壓應(yīng)力為主,最大主應(yīng)力場方向為NE-SW向。隧道穿越區(qū)為溝谷側(cè),原始地應(yīng)力難以釋放。
2.5.2 地應(yīng)力測試
二疊系板巖在295、315 m深度處分別進(jìn)行了地應(yīng)力測試,成功定向,測得地應(yīng)力方向N34°E,最大水平主應(yīng)力24.95 MPa和27.16 MPa,屬高地應(yīng)力區(qū)。
定向測得的主應(yīng)力方向與區(qū)域地應(yīng)力方向基本一致;在另外一孔272~343 m孔深段測得最大水平主應(yīng)力值為6.77~10.47 MPa,最小水平主應(yīng)力值為4.53~7.52 MPa。最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢方向為N35°E。洞身部位的最大水平主應(yīng)力測試值為10.47 MPa,該處巖石單軸抗壓強度為20~30 MPa,根據(jù)E.HoeK法[6]中Rc/σv值為1.91~2.87,根據(jù)《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》(GB/50218—94)[7],隧道圍巖處于極高地應(yīng)力狀態(tài)。
研究區(qū)洞身不同埋深處隧道的應(yīng)力狀態(tài)與洞室的關(guān)系、巖石及巖體強度應(yīng)力比見表2、表3。
表2 板巖隧道不同埋深處各應(yīng)力測算值
表3 板巖隧道不同埋深處高地應(yīng)力、極高地應(yīng)力分布情況
隧道通過區(qū)屬于高地應(yīng)力-極高地應(yīng)力狀態(tài),線路 在本隧道范圍走向為N16°E,與最大主應(yīng)力方向夾角約20°,小角度相交,符合規(guī)范“隧道選線宜避開高地應(yīng)力區(qū),不能避開時,洞軸宜平行最大主應(yīng)力方向”的選線原則,通過定量計算及對比分析,巖體強度應(yīng)力越小,圍巖自穩(wěn)能力越差,變形越大;巖體強度應(yīng)力比一般是巖石強度應(yīng)力比的1/3~9/10。另外,一定深度內(nèi)地應(yīng)力隨洞室埋深增大而增加,即同一種巖石強度應(yīng)力比呈遞減趨勢,不同強度巖石在不同深度處的強度應(yīng)力比可以相等。
圍巖級別變更比例3.3%,但措施調(diào)整約59.9%(表4),依據(jù)現(xiàn)行的鐵路規(guī)范內(nèi)的圍巖分級標(biāo)準(zhǔn),圍巖級別的劃分是基本準(zhǔn)確的,但應(yīng)用與分級相匹配的措施是難以滿足隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的,均采取了補強措施。這是由于高地應(yīng)力對軟巖的特殊效應(yīng),產(chǎn)生了高應(yīng)力軟巖大變形。
原設(shè)計為Ⅳ級圍巖的,主要支護(hù)參數(shù)為:拱墻噴射混凝土C25厚23 cm;拱墻設(shè)φ6 mm鋼筋網(wǎng),網(wǎng)格間距20 cm×20 cm;拱部采用φ22 mm中空錨桿,邊墻采用φ22 mm砂漿錨桿,錨桿長3.0 m,環(huán)縱向間距1.2 m×1.2 m;襯砌采用C30混凝土,厚度為40 cm。采用三臺階施工法,實際開挖圍巖地質(zhì)特征還是Ⅳ級特點,但最大變形速率為25~42 mm/d,且穩(wěn)定時間長。措施調(diào)整后,斷面曲率采用Ⅴ級軟巖襯砌斷面,開挖預(yù)留變形量30 cm;拱部120°范圍設(shè)φ42 mm超前注漿小導(dǎo)管,長3.5 m,環(huán)向間距0.3 m;全環(huán)噴C30混凝土,厚度30~35 cm;全環(huán)設(shè) H175型鋼鋼架,間距為1榀/0.8 m,每榀鋼架設(shè)12根φ42 mm注漿小導(dǎo)管進(jìn)行鎖腳,小導(dǎo)管長4.0 m;每節(jié)鋼架中間增加1根φ42 mm注漿小導(dǎo)管,作為鋼架鎖固錨管,每榀6根,長4.5 m。拱墻設(shè)置φ8 mm鋼筋網(wǎng)片,網(wǎng)格間距20 cm×20 cm;拱墻增設(shè)φ42 mm小導(dǎo)管徑向注漿,長度為4.0 m,間距1.2 m×1.2 m(環(huán)×縱);二次襯砌采用C35鋼筋混凝土,拱墻、仰拱厚45 cm;襯砌鋼筋環(huán)向采用φ22@20 cm,縱向采用φ14@25 cm,箍筋采用φ8@25 cm。
原設(shè)計為Ⅴ級的,也采用了Ⅴ級加強措施,局部間距0.6~0.8 m,C30早高強噴射混凝土厚33 cm,設(shè)φ22 mm雙層連接筋、φ8 mm雙層鋼筋網(wǎng)。大部分變形量控制于200~400 mm范圍內(nèi)。
表4 二疊系下統(tǒng)圍巖變更統(tǒng)計
依據(jù)施工揭示圍巖的巖性及巖體特征、硬度、完整性及組成成分、構(gòu)造等,考慮地下水,高、極高地應(yīng)力的影響,圍巖級別劃分為Ⅳ級、Ⅴ級,Ⅲ級很少。
Ⅳ級圍巖的工程特征:中厚層板巖、變質(zhì)砂巖,巖體較完整或較破碎,圍巖穩(wěn)定性好;板巖(夾砂巖)夾炭質(zhì)板巖,薄層或薄層夾中厚層,泥鈣質(zhì)結(jié)構(gòu),受構(gòu)造影響較重,板理清晰,節(jié)理較發(fā)育-發(fā)育,巖體較完整-較破碎,局部圍巖穩(wěn)定性較差,含少量基巖裂隙水;板巖夾砂巖、炭質(zhì)板巖,薄層為主,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),板狀構(gòu)造,石質(zhì)較軟,有揉皺現(xiàn)象,含泥化夾層及擠壓破碎帶,巖體較破碎,呈層狀、板狀結(jié)構(gòu)或塊(石)碎(石)狀鑲嵌結(jié)構(gòu),圍巖穩(wěn)定性較差,裂隙水不發(fā)育。
Ⅴ級圍巖的工程特征:以斷層角礫、壓碎巖為主,巖體破碎-極破碎,呈松散碎石狀,圍巖穩(wěn)定性差,有少量滲水;板巖夾炭質(zhì)板巖,或夾砂巖,薄層,石質(zhì)較軟,受構(gòu)造影響嚴(yán)重,節(jié)理發(fā)育,小褶皺、結(jié)構(gòu)面發(fā)育,含泥化夾層或泥團,軟硬不一,層間結(jié)合差,巖體破碎-極破碎,呈碎石狀,松散結(jié)構(gòu),圍巖穩(wěn)定性差,裂隙水局部出露。
關(guān)于高地應(yīng)力對圍巖分級劃分的影響目前缺乏足夠的依據(jù),無法在分級標(biāo)準(zhǔn)中做出規(guī)定,而且這類問題也不是分級工作所能解決的[8]。因此,從工程地質(zhì)角度出發(fā),筆者建議以軟巖的圍巖分級為基礎(chǔ)(Ⅳ級),考慮實測地應(yīng)力及地下水,降級(Ⅴ)劃分,且需采取補強措施;當(dāng)有結(jié)構(gòu)面或破碎帶同時存在時,必要時采取降級(Ⅴ~Ⅵ)或制定出特殊級別。通過試驗段研究支護(hù)措施。
由于應(yīng)力的方向性及不均勻,導(dǎo)致圍巖松弛破壞帶厚度不一,具有不對稱性;常有塌方、掌子面鼓出、坍落;嚴(yán)重變形處噴混凝土大量環(huán)向、縱向開裂,掉塊,支護(hù)內(nèi)鼓,部分鋼拱架開裂、扭曲、甚至斷裂;邊墻鼓脹,收斂變形較大;初期支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn),侵入襯砌凈空,長范圍拆換拱情況頻繁發(fā)生[9];局部二襯出現(xiàn)縱向開裂掉塊現(xiàn)象;具有突然變形和連帶牽動的特性,掌子面或仰拱因擾動而變形速率突變。開挖時,應(yīng)力重新分布及局部集中過程中,形成深淺不一的破壞圈。
與圍巖級別相匹配的常用支護(hù)參數(shù)難以控制洞室初支變形,主要發(fā)生在邊墻、拱腰部位,變形速率39~682 mm/d,表現(xiàn)出非線性、非光滑的突變,多處底鼓、水平收斂,最大變形量達(dá)1 300 mm,累計套拱、拆換拱1 011 m;大斷面、大跨聯(lián)拱處拱頂下沉量大于水平收斂值,拱頂最大下沉速率達(dá) 147 m m/d,累計下沉1 712 mm[10]。正洞變形以水平收斂為主,突起的棱角及拐點處易坍塌,突變性和難穩(wěn)定為主要特點,變形速率28.8~76 mm/d,最大變形量達(dá)952 mm,累計拆換拱576 m。
局部地段挖開幾分鐘或幾個小時,密閉的巖體裂隙、節(jié)理開始張開、外擠,1~2 m范圍的松動破壞圈很快形成,局部由于應(yīng)力的作用伴隨有能量轉(zhuǎn)換,掌子面巖體溫度測量為27~33℃,高于中、下臺階巖體溫度6~10℃,這一點證明了巖體在力的作用下,聚集有內(nèi)能,開挖后以位移和熱的方式釋放,變形持續(xù)時間長是必然的。
二疊系板巖,薄層狀,典型的破壞模式為板梁彎曲破壞模式,常見崩塌、滑塌彎折、張裂及折斷3種類型。如圖1所示。
圖1 圍巖破壞示意
由于局部破壞區(qū)的先期形成,導(dǎo)致影響隧道穩(wěn)定性的洞室形態(tài)發(fā)生變化,引起應(yīng)力重分布,牽引其他部位發(fā)生變形、破壞。
高應(yīng)力軟巖的特殊工程地質(zhì)特性,要求支護(hù)結(jié)構(gòu)具備以下特點,才能維持隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
(1)強柔性。支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)具有強烈的柔性,能允許圍巖大幅度收斂以降低支撐結(jié)構(gòu)所受的圍巖壓力。
(2)可塑性。軟巖隧道變形收斂達(dá)到一個較大值時,圍巖壓力才會有明顯的降低,降至支護(hù)結(jié)構(gòu)能承受的范圍,這就要求支護(hù)結(jié)構(gòu)有較高的可塑性,從滿足工程使用的角度講,支護(hù)結(jié)構(gòu)的可塑性最終應(yīng)接近極限,發(fā)揮較好的效用。
(3)邊支邊讓。要求支護(hù)結(jié)構(gòu)在支護(hù)過程中始終都能給圍巖以支撐,提供一定的支撐力,適應(yīng)塑性軟化區(qū)和流動區(qū)的變形節(jié)奏,使圍巖在變形破壞過程中強度不致于有太大的降低,減小作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力。
(4)增阻性。支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有支護(hù)抗力隨變形增大而增大的特性,軟巖隧道破壞后,支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度能夠迅速提高,以達(dá)到完全阻止隧道變形的目的。
(5)合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)造。支護(hù)結(jié)構(gòu)在不均的圍巖壓力作用下不會產(chǎn)生較大的彎矩,以充分利用構(gòu)件抗壓性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于抗拉性能的特性。
(6)考慮施工的方便性和經(jīng)濟上的合理性。
圍巖的自承力是由隧道的斷面形態(tài)和圍巖本身的物理力學(xué)性質(zhì)決定的。研究表明,塑性硬化區(qū)是圍巖承載的主體,當(dāng)圍巖變形達(dá)到穩(wěn)定時,塑性軟化區(qū)和塑性流動區(qū)是實施支護(hù)的主要對象。因此,確定圍巖承載單元的幾何形狀就決定了隧道圍巖的支護(hù)范圍。再結(jié)合塑性硬化區(qū)和塑性軟化區(qū)對隧道支承力的貢獻(xiàn)來決定支護(hù)結(jié)構(gòu)措施。
依據(jù)軟巖變形力學(xué)機制和應(yīng)力狀態(tài),掌握軟化路徑[10],對于高應(yīng)力軟巖隧道支護(hù)來講,要允許出現(xiàn)穩(wěn)定塑性區(qū)。嚴(yán)格限制非穩(wěn)定塑性區(qū)的擴展。其宏觀判別標(biāo)志是最佳支護(hù)時間Ts。Ts之前的變形為穩(wěn)定變形,對應(yīng)的塑性區(qū)為穩(wěn)定塑性區(qū)。所以,確定最佳支護(hù)時間非常重要。
隧道開挖后釋放巨大的應(yīng)力能,為防止巖體破壞,支護(hù)作用必須控制持續(xù)不斷的變形和破壞,以預(yù)留剛?cè)釋雍皖A(yù)留剛縫柔層為主的支護(hù)技術(shù)是有效的。在剛性層和柔性層之間預(yù)留一定量的孔隙,使其既有足夠的柔度來適應(yīng)高應(yīng)力軟巖隧道大變形以吸收高應(yīng)變能量,又在一定的時機具有足夠的剛度以限制高應(yīng)力軟巖的破壞性變形。
經(jīng)過試驗研究,高應(yīng)力軟巖在新奧法基礎(chǔ)上,可普遍采取如下措施逐步進(jìn)行支護(hù)措施調(diào)整。
(1)加強邊墻曲率,減少拐點,改善斷面形狀。
(2)多重控制措施??刂谱〉坠暮屯鶄?cè)壁的擠入,防止斷面擠入,加強仰拱,對圍巖開挖后變形較大地段,除施作長的自進(jìn)式錨桿外,再采用小導(dǎo)管進(jìn)行雙液注漿等加固措施。
(3)采用可縮式鋼架,噴射加厚混凝土(初噴20 cm,復(fù)噴15 cm,設(shè)3道縱縫)的先柔后剛、先放后抗的支護(hù)措施。
(4)提高二次襯砌的剛度,可采取雙層模注鋼纖維配筋混凝土襯砌。
(5)設(shè)立日常量測管理機制及管理基準(zhǔn):監(jiān)測初期位移速度、最終位移值、繪制位移控制曲線、建立控制基準(zhǔn)值,合理增大預(yù)留變形量。
(6)采取短臺階、弱爆破、雙側(cè)壁開挖等有效施工工藝。
以巖石強度、類型、特征及地應(yīng)力水平為判據(jù),衡量巖石是否為鐵路工程地質(zhì)軟巖,依據(jù)巖石強度應(yīng)力比(Rc/σmax)是否小于7判定是否為高應(yīng)力軟巖,4~7為高地應(yīng)力,小于4時為極高地應(yīng)力。當(dāng)圍巖同時具有巖質(zhì)軟、巖體成層差、硬度低、不完整、組成成分不均、構(gòu)造裂隙發(fā)育,揉皺、地下水不均或表現(xiàn)為工程軟巖特性時,為典型的高應(yīng)力軟巖工程地質(zhì)特點。松動破壞圈厚度不均、有方向性、突變性、變形量大、穩(wěn)定慢、連續(xù)變形、破壞強,最佳支護(hù)時間難以確定、初支常常開裂、二襯侵線、變形難以控制等特點是高應(yīng)力軟巖的變形特點。崩坍、滑塌、張裂、錯斷及掉塊或餅化崩裂為其破壞特點。
高應(yīng)力軟巖隧道累計變形量超過500 mm,初步認(rèn)為屬大變形??刂拼笞冃沃ёo(hù)的設(shè)計、支護(hù)可采取以Ⅳ級圍巖為基礎(chǔ)級,考慮實測地應(yīng)力及地下水,Ⅴ級為通用級別,當(dāng)有結(jié)構(gòu)面或破碎帶同時存在時,必要時采取降級為Ⅵ級或以試驗段制定出特殊級別,專用于大變形設(shè)計施工。
一般高應(yīng)力軟巖,斷面曲率采用Ⅴ級軟巖襯砌斷面,加強邊墻曲率;采用先柔后剛、先放后抗的支護(hù)措施,鋼架改為可縮式或全環(huán)型鋼鋼架;開挖預(yù)留較大變形量(拱部40~50 cm,邊墻20~30 cm);結(jié)合工程,采取多重支護(hù)控制;提高二次襯砌的剛度,可采取雙層模注鋼纖維配筋混凝土襯砌,確保主要受力結(jié)構(gòu)和足夠的安全儲備。雙側(cè)壁法開挖、小振動、縮短臺階等工藝也是必要的。
在高應(yīng)力軟巖隧道工程設(shè)計和施工的過程中,期望在勘測階段完全查明輔助坑道、正洞高應(yīng)力軟巖的狀態(tài)、特性、準(zhǔn)確預(yù)報可能引發(fā)隧道地質(zhì)災(zāi)害的不良地質(zhì)體的位置、規(guī)模和性狀是十分困難的。都得依靠確鑿的地質(zhì)資料、施工中深入的超前地質(zhì)預(yù)報,并采用地質(zhì)調(diào)查、超前導(dǎo)坑、超前鉆孔、地球物理勘探等方法做先導(dǎo),做好變形監(jiān)測、前期和開挖應(yīng)力監(jiān)測,詳細(xì)研究隧道開挖時圍巖的工程地質(zhì)表現(xiàn),綜合圍巖級別,計算最小支護(hù)荷載,結(jié)合采動壓力、構(gòu)造、地下水、放炮振動的影響等。再結(jié)合施工工藝,單位的施工能力,通過試驗段,尋求該類地質(zhì)條件下的最佳支護(hù)理論和措施方案,判斷圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性和工作狀態(tài),確定完成初期支護(hù)的開始時間和結(jié)束時間、二次襯砌與開挖工作面之間的合理距離、初期支護(hù)和二襯的最佳支護(hù)時段,摸清隧道的變形機理,經(jīng)過多次評估和調(diào)整,才能形成對癥措施。
由此可見,高應(yīng)力軟巖在鐵路隧道施工中的工程地質(zhì)特性研究,是隧道設(shè)計與施工成敗的關(guān)鍵,是確保初支和二襯及隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全的前提。
[1] 謝和平,周宏偉,薛東杰,王宏偉,張茹,高峰,等.煤炭深部開采與極限開采深度的研究與思考[J].煤炭學(xué)報,2012,37(4):536.
[2] 付強,李曉云,等.軟巖支護(hù)理論研究與發(fā)展[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2007,34(2):71-72.
[3] 鐵道第一勘察設(shè)計院.TB10012—2007 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2007.
[4] 何滿潮,景海河,孫曉明,等.軟巖工程力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2002.
[5] T,A,MapKoB.地殼上部巖石應(yīng)力──應(yīng)變狀態(tài)形成的新概念及其科研意義、地應(yīng)力測量理論研究與應(yīng)用[M].北京:地質(zhì)出版社,1987.
[6] 廖秋林,李曉,張年學(xué),吳建波,等.E.Hoek法在節(jié)理化巖體力學(xué)參數(shù)評價中的應(yīng)用——以長江三峽庫區(qū)白衣庵滑坡為例[J].巖土力學(xué),2005,26(10):1641-1644.
[7] 中華人民共和國水利部.GB/50218—94 工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國計劃出版社,1994.
[8] 中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司.新建鐵路蘭州至重慶線蘭州至廣元段高地應(yīng)力軟巖隧道大變形及圍巖變更工程地質(zhì)專題報告[R].西安:中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,2011.
[9] 劉高,張凡宇,李新召,楊重存.木寨嶺隧道大變形特征及機理分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2005,24(2):5521.
[10]郭健卿,浮新平,王明中.軟巖控制理論與應(yīng)用[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2011.
Discussion on Engineering Geological Features of High Stress Soft Rock during Construction of Railway Tunnel
WANG Jian-peng
(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.,Xi'an 710043,China)
Through research on the engineering geological features,deformation mechanism,supporting principle and the supporting structure for high stress soft rocks,the paper explores tunnel design and construction support schemes.Taking the slate as research object,by using constructional geological logging,laboratory test,geophysical prospecting PST,exploratory boring,ground stress testing and deformation measuring and other measures,the paper discusses several issues such as the rocks,rock features,rock mass quality,ground stress,surrounding rock classification,construction alteration,deformation and failure characteristics etc.Further,focusing on the high ground stress soft rock during tunnel construction, the paper summarizes the engineering geological features, surrounding rock deformation,failure lows,high stress and surrounding rock classification principles.Finally,after making clear the research content of other geological conditions,the paper proposes design and support solution measures for the tunnel suffering with large deformation and with difficulty on supporting measures.
railway tunnel;high stress soft rock;engineering geological features;deformation of surrounding rock;design;supporting measures
U452.1+1
A
1004-2954(2013)09-0069-06
2012-12-29;
2013-04-29
王建鵬(1968—),男,高級工程師,工學(xué)學(xué)士,E-mail:344541195@qq.com。