摘 要:隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展,在各種復雜地質(zhì)環(huán)境下修建的隧道會越來越多,特別是在圍巖軟弱,高地應(yīng)力存在的隧道中。在這種隧道的施工期間,隧道周邊支護結(jié)構(gòu)受力不斷增加,受力時間長,變形增大。最終導致支護結(jié)構(gòu)變形破壞,嚴重影響正常施工。為了有效的給出防治措施,就必須先弄清楚高地應(yīng)力下軟巖大變形的機理。
關(guān)鍵詞:高地應(yīng)力;大變形機理;防治措施
1 引言
近年來,我國的經(jīng)濟建設(shè)取得了巨大的進步,基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)發(fā)展迅速。隧道的建設(shè)在我國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中有著舉足輕重的地位。目前隧道建設(shè)過程中隧道埋深越來越大,初始應(yīng)力越來越高。隧道周邊也存在許多軟弱圍巖,軟弱圍巖一般認為是強度不高、表面風化嚴重、流變作用明顯、破碎的具有這一類特質(zhì)的巖石的總稱。在這種環(huán)境下修建隧道時,流變大、位移大等問題不斷涌現(xiàn)。基于這種情況,對其變形機理和防治措施研究成為了工程工作者的研究重點。
2 高地應(yīng)力隧道大變形機理及防治措施研究
該怎么定義高地應(yīng)力呢?陶振宇[1]認為高地應(yīng)力環(huán)境是指上部巖體總的質(zhì)量小于巖體水平應(yīng)力分量時。目前對軟巖的定義大致可以分為三種,分別是工程定義、指標化定義和描述性定義。何滿潮根據(jù)軟巖的塑性機理和強度變化特征,把軟巖劃分為了四種,分別是高應(yīng)力軟巖、膨脹性軟巖、復合型軟巖、節(jié)理化軟巖。對于變形的產(chǎn)生,Terzaghi[2]根據(jù)大變形產(chǎn)生的原因?qū)⒋笞冃蝿澐譃榱藘深?。第一類是擠出變形。是指隧道開挖后巖體應(yīng)力重新分布,造成部分巖體受力超過限制而產(chǎn)生變形。第二類是膨脹變形,指圍巖中的一些膨脹性礦物質(zhì)與水發(fā)生反應(yīng)而變形破壞。除此之外,Anagnostou[3]認為大變形可以在任意巖層中產(chǎn)生,這是因為大變形主要取決于地應(yīng)力的初始狀態(tài)和巖層強度。
2.1 下面將列舉二個例子分析高地應(yīng)力軟巖大變形機理及防治措施研究
2.1.1 榴桐寨隧道[4,5]
榴桐寨隧道是成都到蘭州鐵路線上一個必經(jīng)隧道,它位于茂縣與龍?zhí)林g,修建時采取的是左線和又線分開修建的方案,其中左線和右線間距為30-40m。由于受到區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)影響,各種地質(zhì)問題如斷層、褶皺層出不窮。巖體主要由破碎千枚巖和碳質(zhì)千枚巖構(gòu)成,極易破碎。巖層表現(xiàn)出極大的揉皺變形以及擠壓破碎,巖體條件極差。
榴桐寨隧道的變形機理分析有多種:一是復雜的高地應(yīng)力環(huán)境。測試結(jié)果顯示段內(nèi)最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力在530~630m的深度即達到20MPa,并有隨深度增加而增加的趨勢。二是復雜多變的地質(zhì)構(gòu)造。位于地質(zhì)構(gòu)造帶復合地段,各種地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育。三是地層巖性環(huán)境極為復雜。榴桐寨隧道下伏基巖種類繁多,且極為容易破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體強度低。
在這種難度的環(huán)境中施工,為確保安全,必須采取許多優(yōu)化措施。一是斷面形式的優(yōu)化。普通鐵路單線隧道斷面輪廓為近圓形的蛋形斷面,榴桐寨隧道變形主要受最大水平主應(yīng)力影響。故優(yōu)化斷面輪廓為純圓形。二是工法的優(yōu)化。施工中在掌子面圍巖穩(wěn)定性較好的條件下,采用兩臺階的施工方法,可有效防止安全事故。三是加固隧道周邊圍巖。從根源上減少圍巖受到的擠壓力,目前主要加固方式有:錨桿超前支護、超前注漿、打板樁等方式。
2.1.2 蘭渝鐵路兩水隧道[6]
兩水隧道在重慶到蘭州鐵路線上,地處甘肅省武都區(qū),隧道設(shè)計為單洞雙線,隧道較寬,隧道周邊地質(zhì)條件及其復雜,巖體較破碎。經(jīng)過測試后發(fā)現(xiàn),該隧道以水平地應(yīng)力為主,周邊地應(yīng)力分布及其不均勻,屬于極高地應(yīng)力狀態(tài)。在隧道施工過程中,由于受到高地應(yīng)力與地質(zhì)構(gòu)造及周邊地下水的同時作用,安全shengc 事故較多,隧道周邊出現(xiàn)了擠壓性大變形,支護結(jié)構(gòu)開裂,對施工人員的安全和施工工期造成了較大的影響。
對隧道施工情況深入了解后發(fā)現(xiàn),該隧道發(fā)生擠壓性大變形的原因主要有兩個,隧道周邊存在軟弱圍巖以及極高的地應(yīng)力。在隧道的施工過程中,周邊圍巖的原始應(yīng)力平衡條件被破壞,應(yīng)力發(fā)生重新分布,造成了周邊大變形。該隧道主要采取了以下幾個措施來保障安全。一是增大預留的變形量,主要目的是通過初期支護產(chǎn)生較大的位移來釋放隧道周邊的地應(yīng)力,以此來保證在二次襯砌在施工后不被破壞。二是在施工過程中遵循"快挖、快支、快封閉"的原則,盡可能地在軟巖產(chǎn)生較大位移前進行支護,可有效防止隧道坍塌的情況。三是支護結(jié)構(gòu)要采取"多重支護"的原則,可采取分層支護和二次襯砌等防護措施。采取這些措施后,隧道的安全性得到極大提高。
3 結(jié)論
軟巖大變形是一種逐步發(fā)展的緩慢變形。軟弱圍巖下的變形包含了彈塑性變形和粘彈塑性變形,變形有著隨時間變化的特征。常常表現(xiàn)出以下特征:變形量大、變形速度快、變形持續(xù)時間較長,開挖后應(yīng)力重新分布直至達到穩(wěn)定狀態(tài)可持續(xù)數(shù)月甚至幾年。通過對各種情況下軟弱圍巖開挖隧道的變形特點、變形控制、破壞特點等進行了全面的分析和總結(jié),對各種情況下軟弱圍巖開挖隧道的變形特點、變形控制、破壞特點等進行了全面的分析和總結(jié),得到以下可用來防治施工過程中安全事故的發(fā)生的建議:1)主動加固。圍巖加固采用的較多的方式有注漿,包括了周邊注漿、全斷面注漿、帷幕注漿等,在隧道周邊形成加固區(qū)域,提高其承載力。2)剛?cè)峤Y(jié)合。剛?cè)峤Y(jié)合的意思是允許圍巖產(chǎn)生變形,但應(yīng)控制圍巖的最大變形,即可以預留一定的變形量,但還應(yīng)設(shè)置剛度較大的支護結(jié)構(gòu)來控制圍巖的最終變形。3)隨時調(diào)整。在隧道的施工過程中,要隨時根據(jù)隧道監(jiān)測反饋回來的數(shù)據(jù)指導設(shè)計和施工,調(diào)整施工順序或者改變施工方法。
參考文獻
[1]陶振宇.巖體初始應(yīng)力對地下工程的影響[J].武漢大學學報(工學版), 1980(3):62-67.
[2]Theoretical Soil Mechanics || Frontmatter[J]. 1943.
[3]KALOGIROS, John, ANAGNOSTOU, et al. Correction of Polarimetric Radar Reflectivity Measurements and Rainfall Estimates for Apparent Vertical Profile in Stratiform Rain[J]. Journal of Applied Meteorology & Climatology, 2013, 52(5):1170-1186.
[4]張振國.榴桐寨隧道高地應(yīng)力軟巖大變形施工控制技術(shù)研究[J].科技創(chuàng)新導報,2017(2):17-19.
[5]楊衛(wèi).榴桐寨隧道高地應(yīng)力軟巖大變形機理研究與施工措施應(yīng)用分析[J].建筑技術(shù)開發(fā),2019(46):85-87.
[6]廖雄.高地應(yīng)力軟巖大跨變截面隧道施工變形機理及其控制技術(shù)研究[D].西南交通大學,2018.
作者簡介
何欣(1994-),男,漢族,四川省營山縣,碩士研究生,成都理工大學,結(jié)構(gòu)工程。