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高地应力区断层带隧道围岩变形规律及施工优化方案研究

2021-03-07 来源:易榕旅网
公 路 与 汽 运 总第163期 Highways&Automotive Applications 205 高地应力区断层带隧道围岩变形规律及 施工优化方案研究* 冯亚松,陈志敏,余云燕,赵德安 (兰州交通大学土木工程学院甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室,甘肃兰州 730070) 摘要:断层带破碎围岩是一种特殊的软岩,在高地应力环境下施工常出现大变形、坍塌等灾 害,严重影响施工安全和施工进度。文中以某高地应力区穿越断层带的公路隧道工程为例,对台 阶法施工过程进行数值模拟,重点分析了预支护强度、开挖步长及台阶长度3个因素对断层带隧 道围岩拱顶、拱腰及拱脚变形的影响规律,结果表明3个因素都存在最优值使得围岩变形更加合 理;综合数值模拟结论,提出了一种安全、快速、经济的施工方案。 关键词:隧道;断层带;高地应力;围岩;变形规律;优化方案 中图分类号:U455.7 文献标志码:A 文章编号:1671—2668(2014)04—0205—05 断层破碎带是隧道建设中常见的不良地质,极 易引发大变形及塌方等工程问题,给隧道建设带来 重大损失,尤其对于深埋或高地应力区隧道,这类问 现有研究成果的基础上,采用数值模拟的方法研究 断层带施工方法对隧道围岩稳定性的影响,并提出 适用于依托工程的安全、快速、经济的施工方法。 题带来的灾害更为严重。因此,开展断层破碎带隧 道施工中围岩变形规律及稳定性研究极其重要。 1 工程背景及地质概况 某隧道全长1 502 m,最大埋深181.7 m,设计 对于隧道断层施工的变形特性,学者们通过模 型试验、数值模拟和现场试验等手段作了许多研究: 为单向三车道,采用多曲率拱形断面,底部反拱设 计,开挖断面面积l13.91 m ,最大开挖高度为l1 m,开挖宽度为15 m。 C.Carranza Torres等采用数值模拟方法,将喷射砼 和型钢钢架等效简化为复合弹性体,对支护结构进 行模拟,取得了良好效果;Seokwon Jeon等通过模 型试验和数值分析结合的方法,研究了断层对隧道 位移的影响,同时认为拱顶处进行注浆后拱顶处趋 于稳定;黄生文等采用有限元法,对断层所在区段的 根据隧道沿线地质勘探资料,隧道经过区域存 在多条断层发育,断层破碎带宽度为10~50 m。断 层构造极其发育,岩石节理裂隙发育、岩体破碎,在 灰岩、白云质灰岩中岩溶发育。岩溶水在断层中的 砂岩、页岩、泥岩、白云质灰岩、灰岩孔裂隙中富集, 围岩应力状态进行数值模拟和分析,结果表明断层 的存在使水平及垂直应力分布失去对称性,并在断 大大降低了断层带强度。围岩风化严重,工程地质 复杂,隧道穿越施工过程及其稳定性存在巨大的技 术与安全风险。另据实测资料,隧道施工区域地应 力较高,并且水平方向应力远大于竖直方向;断层附 近地应力组成,竖直方向为5.86 MPa,水平方向为 20.4和22.2 MPa。 层所经过的拱脚及所在侧的边墙处产生局部高应力 区和较大变形;韩现民通过理论分析、现场试验及数 值模拟,对西格二线关角隧道9 工区穿越断层区的 支护结构、围岩位移进行监测和分析,结合现场施工 对隧道初期支护结构进行了优化。尽管在这方面的 研究取得了不少成果,但在高地应力地区或深埋隧 道中,断层带的施工方法及支护结构强度对隧道稳 定性的影响程度仍是一个模糊问题,对特定断层区 隧道施工参数优化进行研究仍然很有必要。该文在 2加固施工方案 隧道穿越断层破碎带时,及时合理的支护措施 可以避免灾害的发生。对于宽度较小的断层破碎 *基金项目:国家自然科学基金资助项目(51268031);甘肃省自然科学基金资助项目(1107RJZA084);甘肃省博士后择优资 助项目(26001202);高校基本科研业务费资助项目(212098);兰州交通大学青年基金资助项目(2012025);兰州 交通大学博士后专项基金资助项目(160009) 206 公 路 与 汽 运 2014年7月 带,断层岩体挤压紧密,围岩稳定性相对较好时,可 不变更施工方法,避免频繁变更施工方法影响施工 进度,但要加强初期支护措施渡过断层带,如超前锚 杆、加厚喷射砼并增设钢筋网、格栅架等。对于宽度 一般的断层破碎带,通常采用径向锚杆、钢筋网、格 栅钢架等加强初期支护,并在拱部施作超前小导管 周壁预注浆,对岩体进行预加固。在超前支护下,采 用台阶法开挖,在台阶上部施作超前小导管,上部开 挖后及时施作喷射砼和径向锚杆、挂钢筋网和格栅 钢架,在做好拱部初期支护后再开挖下部台阶。当 断层宽度大、岩体极破碎时,采用注浆管棚和钢架超 前支护,可设置多组管棚穿过断层破碎带。 针对隧道断层破碎带围岩形成条件,结合超前 地质预报结果,该工程断层带采用如下支护方案:预 支护采用小导管注浆在隧道开挖之前对隧道进行预 加固,注浆深度为3 ITI;初期支护采用直径22 mm、 长度5 m的锚杆,径向和轴向问距分别为1.5和1 m,钢筋网采用间距20 cn3.×2O ClTI 8钢筋,喷聚酯 纤维砼25 elTl,主筋 22正方形断面的格栅拱架1 榀/m,二次衬砌为厚45 cm C25砼(见图1)。 图1支护方案示意图 采用上下双台阶法施工,研究范围为断层宽度 24 1q'1及断层前后各50 1TI。断层带前后区域施工过 程为上半断面开挖一施作上半部分锚杆和衬砌一下 半断面开挖一施作下半部分锚杆和衬砌;对于断层 带开挖,首先对围岩进行超前小导管注浆加固,其后 施工工序与断层带前后区域相同。 3计算模型建立 数值计算模型以该隧道为基础,取其中的一个 断层段,断层走向垂直于隧道轴线,倾角为90。的原 型建立。模型网格划分采用六面体单元,靠近隧道 部分网格划分较密集,远离隧道部分网格划分较稀 疏。模型尺寸为110 ITI(水平)×lo0 ITI(竖直)×74 m(开挖方向)。在模型开挖方向上的中间位置为断 层带,断层带宽度为24 Yn。整个计算域共划分为 94 500个节点和90 644个单元。采用弹塑性模型, 屈服条件采用摩尔库伦准则。模型底部施加X、y 和Z方向约束,侧面及顶面施加法相约束,初应力 设置为X方向22.2 MPa、y方向20.4 MPa、Z方 向5.86 MPa。岩体采用实体单元模拟;锚杆采用 cabal单元模拟;初期支护格栅拱架和喷射砼层作为 整体考虑,采用liner单元模拟(见图2)。穿越断层 破碎带隧道围岩、断层带围岩及初期支护结构的物 理力学参数见表1。 FLAC3D 3.oo Step 20 000 Model Perspective Center: Rotation: X:0.00oe+0o0 X:30.000 Y:6.200e+001 Y:0.000 Z:0.000e+000 Z:40.000 Dist:5.593e+002 Mag.:1.25 Ang.:22.500 Axes Linesty ̄..  IBlock Group  I ll 图2数值计算模型 表1 隧道数值计算物理力学参数 4 结果分析 4.1 有无支护情况下断层围岩变形特征 采用上下双台阶法施工,初步将施工方案定为 台阶长度6 ITI、开挖步长4 1TI、断层带预支护厚度3 I"13_、强度为断层带前后与断层带围岩的强度中值,依 此进行施工模拟。 沿隧道轴向,断层带前后各12 rll共48 m的范 围进行分析,每6 I13.设置监测点(见图3)。对断层 横截面的围岩中拱顶、拱腰、拱脚及仰拱处变形情况 进行监测(见图4),监测数据见表2,并对无支护开 挖和支护开挖时断层中部的围岩变形情况进行对比 (见图5)。 2014年第4期 冯亚松,等:高地应力区断层带隧道围岩变形规律及施工优化方案研究 断层带 207 际施工中条件有限的情况下可不对拱腰垂向位移进 6 7 8 9 监测点编号1 2 3 4 5 行监测。3)仰拱垂向位移在有无支护时变化显著, 5 4 4 3 3 2 2 l 1 ∞卯∞∞∞如∞如∞∞O 监测范围48 m,监测点间距6 m。 图3沿隧道轴向监测点位置 图4断层横断面监测点 表2有无支护条件下控制点围岩变形■ 变形量/ram 监测点 无支护 支护 测 疆 监测点 图5有无支护情况下断层中部围岩变形对比 由图5可知:1)采取支护措施后,4个监测点的 6个变形值都减小,说明该断层带的支护措施可以 对围岩变形控制起到效果。2)拱腰处围岩垂向位 移较小且有无支护变化不大,说明较高的水平向地 应力及较大侧压力系数下拱腰垂向位移远小于水平 位移,且支护效应相对于其他监测点较小,所以拱腰 垂向位移可不作为变形控制的主要因素考虑,在实 但在支护后依然较大,建议施工中及时施作仰拱,并 适当增加对仰拱处围岩的支护强度。在高地应力区 及侧压力系数较大的隧道施工中,为了保证围岩变 形更加合理,横断面需采用变强度支护,适当加大拱 腰以下围岩的支护强度。4)拱顶垂向、拱脚垂向、 拱腰水平及拱脚水平的变形在有无支护的情况下变 化显著,且这4个控制点变形对隧道横断面中的限 界要求尤为重要,所以以拱顶垂向、拱脚垂向、拱腰 水平及拱脚水平3个特征点的4个形变量为依据, 对施工过程进行优化设计。断层带附近不同断面内 3个监测点的变形情况见图6~9。 \=:= { j璺 目吡,遥 } 3 3 2 2 l 1 ∞∞∞∞∞∞∞0 一◇_— 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 沿隧道轴向监测点位置,m 图6拱顶垂向断面各监测点的变形 ・ —。_-支护开挖 —、 \一断层 t |Il I 。 / 一o—◇_— O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 lo 沿隧道轴向监测点位置/m 图7拱腰水平断面各监测点的变形 .r—、 、| 三 迥 一一 , \ O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 沿隧道轴向监测点位置/m 图8拱脚垂向断面各监测点的变形 5 4 4 3 3 2 2 1 l ∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞O 2O8 公 路 与 汽 运 2014年7月 3 3 2 2 1 1 ∞∞∞∞ ∞∞0 j四 O l 2 3 4 5 6 7 8 9 10 沿隧道轴向监测点位置/m 图9拱脚水平断面各监测点的变形 由图6~9可知:断层带中部12 m范围内的变 形最大,支护前后变形变化程度也最大;在断层中部 12 m范围以外的两侧围岩变形逐渐减小,支护前后 变形变化程度也逐渐减小。所以以断层带中部12 m范围内的围岩变形值作为施工过程中支护加固 及监测的重点,并对施工方法进行优化设计。 另外,沿隧道开挖方向,在断层中部两侧围岩变 形量不同,是由于开挖卸载后围岩应力重分布,使先 开挖断层段的变形较大、后开挖断层段变形相对较 小。该现象无支护开挖时较明显,但隧道断层带不 大及断层两侧围岩相对较好,使支护开挖时上述现 象基本消失,所以在实际支护开挖施工中可以忽略 开挖卸载对隧道围岩造成不均匀变形的影响。为了 方便施工,对于小断层带可采用沿开挖方向等步长 开挖、沿轴向等强度支护的方法。 4.2预支护强度对变形的影响 预支护强度对断层带的围岩变形减小及稳定有 重要影响,针对该工程的特点,分别对不同强度支护 参数对预支护隧道施工进行模拟。预支护厚度为3 132,在施工中通过控制注浆类型改变其强度,以断层 段和断层带前后的围岩为上下界限,中间取5个均 等分布点值对应5种强度值(见表3)。台阶长度为 6 122,开挖步长为4 m,依此进行施工模拟,监测点 4、5和6处各控制点的变形量均值见图1O。 表3预支护物理力学参数 强度1 强度2 j型 强度3 强度4 强度5 拱顶垂向拱脚垂向拱腰水平拱脚水平 控制点 图10不同预支护强度下各控制点的变形 由图10可知:随着预支护强度的增加,4个控 制点的变形都逐渐减小;但随着强度的增加,变形减 小值逐渐减小。当预支护强度为强度1~强度4 时,变形减小明显;强度4~强度5时围岩变形趋于 稳定,变化程度不明显。拱顶垂向和拱腰水平变形 量变化较大,其变化情况见图11,其中强度4对应 于断层带强度增加值为断层围岩和断层前后围岩强 度差值的80 。所以施工中建议预支护强度增加 断层围岩和断层前后围岩强度差值的70 ~80 , 此时可以在经济合理的前提下得到最佳支护效果。 吕 趔 坝支护强度 图11 不同预支护强度下拱腰和拱顶监测点的变形 4.3 台阶长度对变形的影响 台阶长度不仅对施工作业有影响,而且对隧道 围岩变形影响较大,对断层带围岩的影响则更大,选 取合理的台阶长度可有效减小围岩的变形量。结合 现有的施工技术及该工程特点,分别对不同台阶长 度下的隧道施工进行模拟。台阶长度分别取4~8 m,开挖步长为4 m,断层带预支护厚度为3 m,强度 为强度4对应值,依此进行施工模拟。监测点4、5 和6处各控制点的变形量均值见图12。 由图12可知:3个断面的拱顶垂向、拱脚垂向、 拱腰水平及拱脚水平位移值基本上随着台阶长度的 2014年第4期 冯亚松,等:高地应力区断层带隧道围岩变形规律及施工优化方案研究 209 4 m l 5 m 6 m 7 m 制 8 m 拱顶垂向拱脚垂向拱腰水平拱脚水平 控制点 图12不同台阶长度下各控制点的变形 增加先减小后增加,除拱脚垂向位移外,监测点的位 移量在台阶长度为5 m时取得最小值。经综合比 较,该工程施工中台阶长度建议取5 m,可以使开挖 后围岩变形最小,降低坍塌灾害发生概率。 4.4开挖步长对变形的影响 合理的开挖步长不仅可减小对断层带围岩的扰 ∞ O O O O O O O 0 O O 0 ∞ ∞ 加 动,维持围岩稳定,还可加快施工进度。开挖步长取 2~6 m,台阶长度为5 m,断层带预支护厚度为3 m,强度为强度4对应值,依此进行施工模拟,监测 点4、5和6处各控制点的变形量均值见图l3。 2 m 3 m 道 l 4 m 5 m 6 m 拱顶垂向拱脚垂向拱腰水平拱脚水平 控制点 图13不同开挖步长下各控制点的变形 由图13可知:3个断面的拱顶垂向、拱脚垂向、 拱腰水平及拱脚水平位移随着开挖步长的变化先减 小后增加,除拱腰水平位移外,监测点的位移在开挖 步长为3 m时取得最小值。因为断层带围岩破碎, 且高地应力区围岩积蓄大量能量,所以断层带隧道 台阶法施工中的最优步长会小于非断层区隧道,并 且施工中还应注意弱爆破、紧支护,以最大程度减轻 对围岩的扰动。综合比较,该隧道施工中开挖步长 建议值取为3 m。 4.5施工的方案优化 综合支护强度、台阶长度、开挖步长对围岩变形 及稳定性的分析结果,该工程中预支护强度增加断 层带和非断层带对应围岩各参数差值的70 ,台阶 长度取为5 m,开挖步长取为3 m。另外,对拱腰以 下的预支护注浆深度增加到5 m,初期支护中锚杆 间距不变,依此进行支护,最终得到断层中部围岩在 不支护开挖、横断面等强度及横断面变强度支护的 变形情况(见图14)。 吕 疆 监测点 图l4有无支护情况下隧道监测点围岩变形值 从图14可知:采用横断面变强度、轴向等强度 支护的方法,在优化的步长及台阶长度下,各监测点 的位移都明显减小,且围岩变形更加合理。 5 结论 (1)隧道处于高地应力区及侧压力系数较大 时,为了保证围岩变形合理,横断面宜采用变强度支 护,适当加大拱腰以下围岩的支护强度。 (2)隧道断层带宽度为24 m,断层中间12 m 内的围岩变形较大,之外迅速趋于断层两侧围岩的 变形量,所以中间12 m内的围岩变形值可以作为 实际施工中支护和监测的重点。 (3)隧道断层带不大及断层两侧围岩较好,围 岩应力重分布对先开挖段和后开挖段变形差异不 大,所以为了方便施工,对于小断层带,可以采用等 步长开挖、沿轴向等强度支护。 (4)预支护强度增加断层带和非断层带对应围 岩各参数差值的70 ,台阶长度取为5 m,开挖步长 取为3 m,拱腰以下的预支护注浆深度增加到5 m, 锚杆间距不变,依此进行支护可取得良好的效果。 参考文献: E13王梦恕.2l世纪我国隧道及地下空间发展的探讨EJ3 铁道科学与工程学报,2004,1(1). m 21O 总第163期 盾构隧道穿越岩溶地段孤石群处理技术与应用 戴亚军 (长沙市轨道交通集团有限公司,湖南长沙410016) 摘要:以长沙某盾构隧道为例,分析了该隧道孤石的形成机理和分布规律,讨论了盾构穿越孤 H u 石地层的难点和风险,对比了孤石的多种探测方法,介绍了孤石破除的主要方法和工程中采取的 措施;通过对比不同孤石处理方法及其实际施工效果,得出一定的经验总结,为其他盾构隧道穿越 孤石群提供参考。 关键词:隧道;盾构;岩溶;孤石 公 中图分类号:U455.43 文献标志码:B 文章编号:1671—2668(2014)04—0210—03 随着盾构机在隧道施工中使用的日益广泛,盾 与仇 构掘进遇到岩溶区孤石的情况越来越普遍。盾构遇 段孤石群处理技术进行分析研究。 .m 到孤石尤其是大直径孤石,对盾构姿态的调整、盾构 汽 刀盘的磨损和盾构操作均带来较大影响。其主要原 因和影响有:大直径孤石随着刀盘一起滚动,导致刀 1岩溶孤石群工程概况 长沙某盾构隧道长约650 m,其中约380 m施 工段处于岩溶影响区,溶洞见洞率约为2O 。场地 岩溶发育较强烈,以埋藏型岩溶为主,并主要发育在 灰岩中,泥灰岩次之,炭质灰岩基本不发育。 施工过程中盾构掘进至岩溶区某位置后遭遇孤 盘受力不均,扭矩、推力增大,刀盘、刀具磨损严重, 运 掘进速度降低,严重影响工期;多个孤石的存在造成 盾构姿态和掘进方向难以控制,导致成型隧道线形 与设计线形偏差较大;同时由于孤石伴随刀盘一直 旋转,掌子面无硬岩面提供反力破碎,导致刀盘开挖 石,盾构螺旋输送机无法出渣,开仓后发现土仓内直 径大于60 cm的孤石很多,堵塞螺旋输送机口,开挖 舱内2点位置有一块直径大于1.5 m的孤石(见图 1),其他区域有不同尺寸的孤石。孤石为微风化灰 岩,抗压强度100 MPa左右(取样孤石见图2)。 孤石区域主要集中在岩溶区与基岩交界面位 置,主要特点体现为不确定性及分布不均匀性。形 面扩大,扰动周边地层,极易发生地面塌陷;刀盘受 力不均致使主轴承受损或密封破坏,刀具磨损严重, 从业人员如果进仓换刀存在生命危险。因此,对盾 构隧道穿越岩溶区孤石群的研究越来越必要。该文 结合长沙某盾构隧道工程实例,对盾构穿越岩溶地 [2]石文慧.当代铁路隧道发展趋势及地质灾害防治I-J]. 铁道工程学报,1996,2(5). [3] C Carranza Tortes,M Diederichs.Mechanical analysis of circular liners with particular reference to composite supports,for example,liners consisting of shotcrete 力影响的有限元分析fJ].岩石力学与工程学报,2006, 25(增刊). [6] 韩现民.西格二线关角隧道浅埋砂层段施工技术及力 学效应研究[J].岩土力学,2010,31(增刊2). [7]朱汉华.公路隧道围岩稳定与支护技术[M].北京:科 学出版社,2007. and steel sets[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2009,24(5). [8]郑金松.高速公路隧道穿越断层破碎带施工技术探讨 [J].土工基础,2010,24(2). E4]Seokwon Jeon,Jongwoo Kim,Youngho Seo,et a1. Effect of a fault and weak plane on the stability of a tunnel in rock:a scaled model test and numerical analy— [9]张延新,蔡美峰,乔兰,等.高速公路隧道开挖与支护力 学行为研究r-J].岩石力学与工程学报,2006,25(6). [1O]李鹏,林志,张亚兴.高地应力区断层带隧道施工力学 研究口].重庆交通大学学报:自然科学版,2009,28(1). sis[J].International Journal of Rock Mechanics Sci— ence,2004,41(3). [5]黄生文,司铁汉,陈文胜,等.断层对大跨度隧道围岩应 收稿日期:2014—05—18 

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