隧道变形控制技术浅谈

时间:2022-08-24 03:40:50

隧道变形控制技术浅谈

摘要:本文以甘肃某隧道工程为例,在分析研究各种现象的基础上,寻找出隧道变形开裂的规律及其原因。所提出的科学有效的防治与控制措施,可为今后西北地区长大软弱围岩隧道施工提供借鉴。

关键词:软弱围岩、变形开裂、支护参数、控制措施

中图分类号:U45 文献标识码:A 文章编号:

前言

根据新奥法理论, 为了充分发挥围岩自身的承载能力, 在隧道开挖以后, 围岩会有一定程度的变形, 借助围岩自身的承载力, 减小支护结构上的荷载。怎么避免围岩的失稳破坏, 保证隧道安全、经济、快速施工, 是隧道施工安全控制面临的重要课题。

工程概况

该隧道工程全长19055m(单延米),设计有6个无轨斜井,2个有轨斜井,属于极高风险隧道,本文以其中一个斜井的正洞施工段为主要研究对象,斜井长度为1025m,承担正洞施工任务左右线各2100m。隧道地层条件复杂,该段地层主要为二叠系下统板岩夹炭质板岩,灰色-深灰色,变余泥质、钙质结构,薄层板状构造,石质较软,岩层走向与正洞大角度相交,岩体受地质构造影响,节理裂隙较发育,岩体较破碎,呈层状、板状结构,含泥化夹层,含少量裂隙水,处于高地应力地段,隧道最大埋深约395m,最大开挖跨度为10.5m。

变形开裂特征分析

本工程采用“三台阶七步开挖法”进行施工,通过日常围岩量测数据收集和历次变形开裂发生、发展过程分析,我们对变形与各道工序和时间之间的关系以及施工工序间距对变形的影响进行深入细致的研究,进一步弄清了隧道变形开裂发生的特征。

1、变形与工序的关系

(1)变形与开挖的关系:中、下导坑落底时,拱部的变形最大,一般在5cm~13cm;挖仰拱时初支的变形相对缓和,收敛量一般在2cm~4cm左右。

(2)变形与喷射混凝土的关系:累计变形量达12cm~15cm,喷射混凝土表面可见裂缝 (中导坑最为明显);15cm~18cm时,局部剥落;18 cm~22cm以上时,大块剥落。

(3) 变形与初支的关系:使用单层20b#型钢钢架支护,累计变形量达18cm时钢架局部变形,22cm时钢架局部扭曲(如图1所示),35cm以上时钢架局部折断、墙部收敛值大于拱顶下沉值;使用单层22b#型钢钢架,累计变形量达20cm时钢架局部变形,25cm时钢架局部扭曲,40cm以上时钢架局部折断(如图2所示)、墙部收敛值大于拱顶下沉值;使用双层22b#型钢或单层200#H型钢钢架支护,累计变形量达30cm时,钢架局部变形凸起,无钢架扭曲和折断现象。

图1钢架局部扭曲 图2钢架局部折断

(4) 变形与时间的关系:初支完成后,若17d内不及时施作二衬,初支变形面积将随时间延伸不断扩大而造成侵限,大多需要拆除重做。

2、施工工序间距对变形的影响

变形数据的统计分析得知,施工中各个阶段的变形情况大致情况如下:

①上台阶开挖当天累计变形量为2cm~4cm,初期支护施工完毕后为1cm/d~2cm/d;

②下台阶开挖当天,水平收敛较大,累计达到3cm~5cm左右,初期支护施工完毕后保持在1 cm/d~2cm/d;

③仰拱开挖当天变形在3cm左右,仰拱混凝土完成后保持在5mm/d~8mm/d。

(1)仰拱与下台阶间距对变形的影响

仰拱封闭成环后,初期支护形成整体受力结构,抵抗围岩变形的能力大大增强,由仰拱成环前的每天变形1cm~2cm减少到仰拱成环后的每天5cm~8cm。也就是说,如果提前1d 将仰拱封闭成环,则每天可将围岩初期支护的变形减少一半(10cm)左右。

(2)上、下台阶工序的间距对变形的影响

上、下台阶的施工间距对于围岩变形的影响主要表现在能否及时进行下台阶的施工,以及能否及时将仰拱施工完毕后形成封闭的整体受力结构。

(3)二衬与掌子面间距对变形的影响

二衬与掌子面距离主要是控制变形的时间长短。距离越远,则变形时间越长,总变形量就越大;距离越短,则变形时间就越短,总变形量就越小。但是混凝土施工太早,与掌子面距离很近,对施工干扰较大,施工速度就会降低;而且二次衬砌混凝土承受的围岩压力也越大,对混凝土结构就越不利,见下图3。

图3二衬紧跟掌子面施工

软弱围岩隧道变形控制

1、科学开挖方法的选择

在软弱围岩地层中开挖隧道一般采用施工方法有: 环形开挖留核心土法、双侧壁导洞法、CD法、CRD法等。综合考虑梁家院子隧道具体情况, 采用环形开挖预留核心土法, 其施工工艺流程及隧道开挖围岩变形三维示意图见下图 4、5。

图4施工工艺流程

图4隧道开挖围岩变形三维示意图

2、合理支护时间的确定

运用Burgers模型, 采用位移反分析方法对隧道流变变形规律进行研究, 得出软岩隧道合理的支护时间, 从而理论上确定超短台阶法台阶的合理长度。

式中: p=Z;1,2为粘性参数; E1, E2为弹性模量; R0为圆形巷道半径; r为岩体内任意点到圆形巷道的中心距离;

为蠕变损伤变量。

为方便计算, 将隧道开挖断面理想化为圆形断面, R0取4m,= 22kN/m3,Z=30m,稳定变形速率u(t)= 0.033mm/h,其他参数选取方法见文献[3],E1=1.5,104MPa,E2=2.4,104MPa,1=2106MPa h,2=7.89,105MPa h,代入公式计算得最佳二衬支护时间大约为开挖后 30d。据实际施工速度, 确定上台阶长度30d为宜。

3、软弱围岩变形控制工艺措施

软弱围岩隧道施工安全的核心是控制变形、防止坍方,参考上文反演分析及监控量测结果,提出以下变形控制工艺措施。

(1)核心土。根据掌子面的自稳情况调整核心土大小,核心土面积不小于掌子面面积的50%,长度为3~5m。利用核心土稳定掌子面,然后开挖两侧边墙、中部核心土,最后开挖仰拱。

(2)超短台阶。采用超短台阶可以有效缩小初期支护成环闭合的时间,控制支护结构体系的整体变形。上台阶长度控制在15m范围内。

(3)锁脚。在软弱地层隧道中,加强锁脚能够有效减少基底弱化而引起的上台阶支护下沉和下台阶开挖初期支护的悬空引起的下沉。每级台阶采用8根注浆超前小导管锁脚。

(4)垫块、槽钢。其作用类似于扩大基础,并使工字钢不悬空,提高了拱脚的竖向承载力,达到控制变形的目的。

(5)超前支护。常用的超前支护方式有超前小导管和超前管棚。超前支护起到支护前方围岩的作用,并进行注浆,加固周边地层,松散地段采用双层小导管,扩大加固圈范围。

(6)上下台阶均衡推进。科学管理,提高工效,做到上下台阶均衡推进,使初期支护在15d内封闭成环,并及时施做仰拱, 从而有效地控制了支护结构过度变形。

(7)临时仰拱(横撑)。对于变形非常大地段,及时闭合极其重要,闭合成环后,提高了结构的承载能力,从而有效地控制变形、避免坍方。

结语

按照软弱围岩变形规律,合理选择支护时间,保证围岩的蠕变变形未达到加速蠕变阶段,则能够有效防止围岩失稳遭到破坏。围岩变形主要是围岩的流变属性导致的, 围岩变形、初支与二衬间的接触压力、围岩压力都随时间而发生变化, 从而导致支护结构内力随时间的变化而变化, 所以设计软弱围岩隧道支护结构时, 必须要对围岩的流变作用加以考虑。

参考文献:

[1] 张端良 王剑 张运良:《软弱围岩隧道变形规律与施工安全控制技术》,《公路工程》, 2011年02期[2] 帅建兵:《软弱围岩区域隧道变形开裂的研究分析与控制技术》,《建筑工程》, 2012年03期

[3] 杨林德. 岩土工程问题的反演理论与工程实践 [ M ]. 北京: 科学出版社, 1999.

[4] 彭立敏. 刘小兵. 交通隧道工程 [ M ] . 长沙: 中南大学出版社,2003.

注:文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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