浅谈宁东输水软岩隧洞施工过程中的收敛变形

摘 要:隧洞施工,尤其是软岩隧洞在施工过程中都存在收敛变形,但由于不是很直观,且不容易监测,比较容易忽视,对施工质量和安全施工造成隐患。本文通过宁东隧洞在施工过程中进行的大量的软岩岩体的变形监测获得的资料,经过整理分析,初步分析了软岩隧洞的变形特征,为指导施工和运行管理提供了依据,总结出了适合软岩隧洞的施工经验。

关键词:软岩;隧洞;收敛变形

中图分类号:TV672+.1 文献标识码:A 文章编号:1003-6997(2012)18-0036-04

1 工程概况

宁东输水隧洞是为宁东能源重化工基地及生态移民供水,为宁东能源重化工基地的建设,生态用水提供保障。输水线路全长26.30 km,其中输水管道22.60 km(含两级泵站),输水隧洞是整个供水管线的关键组成部分,一期设计5.80 m3/s,属无压输水隧洞,二期设计流量11.60 m3/s,属有压输水隧洞。隧洞22+600~24+800,长度2 200 m,隧洞进口底高程1248.67 m,隧洞进口水位1 251.10 m,比降1/6 000,隧洞出口底高程1 248.30 m,隧洞出口水位1 250.73 m。

隧洞断面形式采用城门洞形断面,成洞断面底宽2.80 m,净高3.90 m。一期水深2.43 m,洞内流速0.85 m/s。隧洞入库明渠段24+800~26+300,总长1 500 m,比降1/6 000明渠入库,水库一期设计水位1 249.50 m,设计洪水位1 249.60 m,校核洪水位1 249.90 m。

2 水文地质

该工作区降水量稀少,蒸发量极大。丘陵上没有常年性流水沟,只吸雨季时沟内有洪水流过。地下水类型为第四系孔隙潜水及基岩裂隙水两大类。

第四系孔隙潜水主要分布于沟谷内凹地,接受大气降水补给。埋藏浅,水量较小,水质好,但一般不连续。基岩裂隙水受裂隙影响,分布不连续。

由于工作区内多为第三系泥质岩类,水量不大,水质较差,受大气降水及第四系潜水补给。在表部与第四系潜水有水力联系。

3 隧洞工程地质

隧洞工作区构造体系上属于贺兰山褶带南北向构造东侧。呈南北向展布,构造形迹从南北向的隆起,褶皱,冲断裂为主,与其相伴的有不同等级,不同次序,但具有成生联系的北向,北西向扭裂面。

隧洞进出口、入库明渠段属第三系渐新潜水营组(E3q)砂质泥岩为主,局部夹灰绿色条带,中厚层状,致密、坚硬。强风化厚度1.00~1.50 m,岩石呈碎块状,岩体裂隙较发育,含有石膏碎块及肪状条带,中等风化层厚2.00~2.50 m裂隙不甚发育,岩体完整性较好,围岩分类为V类。工程区场地地层岩性分布如下。

3.1 第四系覆盖层

为第四系上更新统风积(Q3eol):壤土;进出口段厚度1.00~5.80 m山梁较薄:2.00~4.00 m(壤土下分布有1.50~2.00 m冲洪积(Q3apl)角砾、砾质粗砂);出口段1.00~2.00 m。浅土黄色、褐黄色、硬塑——坚硬状态,土质疏松,多孔,属湿陷性土层。

3.2 第三系渐新统清水营组(E3q)

砂质泥岩,桔红色、浅紫红色,局部夹灰绿色条带,中—厚层状,致密、坚硬。强风化层厚1.00~1.50 m,岩石呈碎块状,岩体裂隙较发育,含有石膏碎块及脉状条带。中等风化层厚2.00~2.50 m,裂隙不甚发育,岩体完整性较好。岩心获得率较高,岩心多为圆柱状。该套岩性分布在隧洞的上部及底部。

3.3 泥质砂岩

桔红色、桔黄色,中—厚层状,泥质胶结,但呈半胶结—未胶结状(局部呈砂状),岩性极软,分布在砂质泥岩中,厚度3.00~6.00 m。层位延伸较连续、稳定。抗风化能力弱。

3.4 砂岩

青灰色、灰白色,中层状,坚硬,多呈透镜体分布在泥质砂岩层下,砂质泥岩层上。厚度0.50~0.80 m。

综上所述,隧洞围岩岩体属软岩,自稳能力差,尤其是存在有胶结性较差的泥质砂岩夹层,导致变形破坏较严重。因此,不易采用大方量爆破施工。且应快速施工,支护紧跟,以保证隧洞施工安全。

4 软岩隧洞的收敛变形监测

隧洞监控量测是隧洞“新奥法”施工的重要组成部分,它不仅能指导施工,预报险情,确保施工安全,而且通过现场监测获得围岩动态信息,为支护设计提供依据。

通常,我们在软岩隧洞的施工过程中,只注重其强度指标,不重视岩体的变形特性,也就更谈不上利用岩体的变形特性进行合理的施工,根据不断变化的变形特性及时调整施工方法。为了充分认识软岩隧洞的变形特性,利用其变形规律为工程建设服务,创造技术先进、经济合理、施工高效的隧洞施工经验,本文通过宁东能源重化工基地及生态移民供水输水隧洞的施工及监测资料,分析软岩隧洞的变形特点,揭露其对工程的危害,以利用其变形规律有效的指导隧洞施工。

4.1 隧洞监控量测目的

掌握围岩在施工中的动态、控制围岩变形;了解支护结构的效果,及时采取措施,安全施工;修正爆破参数,保证隧洞既稳定又经济。

4.2 隧洞监控量测项目

隧洞监控量测项目主要是围岩收敛值和拱顶沉降值的量测。Ⅳ类围岩量测点的间距不超过300 m,每个收敛量测段的测点不少于2点。量测拱顶沉降和收敛的标记距掌子面的距离不超过1 m,首次量测在爆破后尽快实施,量测频率(见表1)。

4.3 洞周相对位移监测

根据岩石力学原理,在原始状态下地层中存在着自重和构造两个应力场的影响。只有自重应力场作用时,地层中任意一点的应力为P0=rH﹙r为岩体密度,H为隧洞埋深﹚。洞室开挖后,地层中初始应力场受到破坏,在隧洞周边产生了应力集中,此时洞周的应力为Pⅰ=2 P0,应力集中影响深度为2倍洞室开挖直径。

受应力集中的影响,洞周将产生位移,位移量值的大小将影响围岩稳定,对于一般性工程,很难进行构造应力场的测定,因此均假定受自重应力场控制,而不计构造应力场的作用。为此洞体开挖后洞周位移的大小就与上覆岩体厚度及开挖洞径大小有关,开挖后洞周位移值可根据国际经验和我国《锚杆喷射混凝土技术规范》﹙GB50086—2001﹚提供的方法进行估算(见表2)。

注:周边位移相对值系指两测点间实测位移累计值与两测点间距离之比。两测点间位移值也称收敛值,脆性围岩取表中较小值,塑性围岩取表中较大值。本表适用于高跨比0.8~1.2的下列地下工程:

Ⅲ类围岩跨度不大于20 m;

Ⅳ类围岩跨度不大于15 m;

Ⅴ类围岩跨度不大于10 m。

Ⅰ、Ⅱ类围岩中进行量测的隧洞工程,以及Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩中在表注明范围之外的隧洞工程,应根据实测数据的综合分析或工程类比方法确定允许值。

4.4 监控量测作业

4.4.1 工程地质及支护情况观测 观测内容:隧洞开挖后,观测开挖面及附近周边岩石的自稳性,地质及岩层情况,校核围岩分类,并绘出地质素描图,同时观测初期支护结构有无破坏。

开挖作业面的观测,在每次爆破结束后,特别是软弱围岩条件下,开挖后立即进行地质调查,遇特殊不稳定情况时,派专人进行不间断的观测,做好记录并整理保存。

4.4.2 围岩收敛、拱顶下沉量测 围岩收敛和拱顶下沉量测原则上在同一断面上进行。量测断面的间距与隧洞长度、围岩条件,开挖方法等多种因素有关,实际量测时,按技术规范及工程实际要求进行。

4.4.2.1 净空量测 净空量观测点布置:净空变化量测基线在横断面上的布置(见表3),以水平基线量测为主,必要时设置斜基线。

量测要点:把净空变化仪的短杆固定在施测的两测点的岩体内;根据围岩条件确定量测间距;量测精度:在变位量较小的情况下,一般为0.10 mm,在变化量较大的情况下为1 mm。

4.4.2.2 拱顶下沉量量测 拱顶下沉量测测点,布置在拱顶和两侧拱腰,每断面布置三点,当受通风管或其他障碍时,可适当移动位置。

4.5 隧洞收敛变形监测结果

宁东输水隧洞开挖宽度3.40 m,隧洞埋深11 m~34 m,施工过程中沿轴线共布置43个监测断面,测点埋设距掌子面3.00 m,约50 m一个断面,每个断面监测时间为30~90 d。在43个监测断面中,相对收敛变形在2 %及其以下者有36个断面,占总断面数的83.7 %,相对收敛变形在2 %~3 %的有6个断面,占总断面数的14.0 %,对收敛变形大于3 %的有1个断面,占总断面数的2.3 %,最大收敛量为3.6 %。由于监测断面安装时距离开挖面3.00 m,开挖观测时已丢失了较多的变形,所以实测变形偏小,如果考虑丢失的变形量,超过允许变形值的数量将更大。根据监测结果,软岩隧洞开挖后围岩变形特点如下:一是变形量值特别大,相当一部分监测断面的实测变形已经超过《锚杆喷射混凝土技术规范》﹙GB50086—2001﹚规定的允许值,不完全符合岩石隧洞的变形特征;二是隧洞开挖后,围岩的流变变形明显,有些监测部位虽然收敛变形的趋势不太明显,在软岩隧洞施工过程中应特别注意;三是在软岩地层中,隧洞开挖断面的大小对收敛变形影响较大,对围岩稳定不利;四是开挖进尺对围岩变形影响很大,特别是开挖后的前3天会产生较大变形,这是十分危险的,必须采取有效的控制措施。

5 收敛变形的应对措施

5.1 掘进施工中的应对措施

5.1.1 采用先进的钻爆开挖方法,减少对围岩的扰动,尽量保持围岩固有的承载能力。

5.1.2 采用“短进尺,多循环”的开挖方式,尤其在变形量特别大的地段,循环进尺应根据监测结果及时调整。

5.1.3 开挖时应预留变形量。

5.1.4 对于地下水或上层滞水发育地段,应将水导出或封堵。

5.1.5 严格控制开挖轮廓尺寸,每开挖一个循环后立即进行量测,绘制开挖地质编录。

5.2 一次支护施工中的应对措施

5.2.1 一次支护必须在开挖后立即施工,开挖一个循环支护一个循环,上一个循环没有支护完成不得下一个循环的开挖。

5.2.2 一次支护完成后在设计的监测断面安装监测仪器,并立即开展监测工作,监测仪器安装位置距开挖面的距离不大于1.00 m。

5.2.3 一次支护的格栅拱架、钢筋网、喷射砼、锚杆必须按设计和规范中有关要求及规定进行施工和质量控制。

5.2.4 依据监测结果,及时调整一次支护的相关参数,如是否需要设置超前锚杆,是否需要改变格栅拱架的结构形式等。

5.2.5 根据变形监测结果,确定是否需要进行二次临时支护,并确定其方案和支护参数。

5.3 永久衬砌时间的确定

按永久性水工建筑物结构受力最小原则,隧洞的永久衬砌应该在围岩变形全部释放后施工较为合理,实际上《锚杆喷射混凝土技术规范》﹙GB50086—2001﹚与《水工隧洞设计规范》﹙SL279—2002﹚均有相应的规定,在GB50086—2001第5.3.5条规定,采用两次支护的地下工程,后期支护的施作,应同时达到以下三项标准时进行:隧洞周边水平收敛速度小于0.20 ㎜/d;拱顶或地板垂直位移速度小于0.10 ㎜/d;隧洞周边水平收敛速度以及拱顶或地板垂直位移速度明显下降;隧洞位移相对值已达到总相对位移量的90 %以上。

SL279—2002第6.2.4条也规定:采取了支护或加固措施的围岩,根据其稳定状况,可不计或少计围岩压力。

在大部分隧洞工程中,永久衬砌施工时间是按上述原则确定的,但对于具有较大变形和流变效应明显的软岩来说,要达到上述标准,需要较长时间,一次支护需要较大刚度,否则会发生围岩失稳,甚至发生较大塌方。根据砂岩中监测结果分析,距开挖面3倍洞径时,围岩变形的“空间效应”基本完成,以后的变形主要来源于“时间效应”,剩余变形的大小主要取决于岩体的流变特性。对于砂质泥岩而言,由于流变效应较大,开挖至5倍洞径后尽管空间效应引起的变形已经完成,但任有较大的时间效应引起的变形,如不加以限制将会造成危害,应尽快进行永久衬砌。

基于上述分析,从保证安全施工的角度出发,永久衬砌的施工应尽快进行,以永久衬砌遏制有害变形的发展,其次对于变形较大部位采取增加衬砌结构厚度或增加混凝土强度等级措施。

6 结束语

隧洞开挖后产生的洞周收敛变形主要来自于开挖﹙空间效应﹚和岩体流变﹙时间效应﹚。对于坚硬岩体,一般来讲洞周的收敛变形主要来源于洞体的开挖影响,但对软弱岩体,则与坚硬岩体完全不同,不仅变形量特大,其变形规律也较为特殊。正确认识软岩的变形规律是隧洞安全施工首先必须要解决的问题。

宁东隧洞在施工过程中进行了大量的软岩岩体的变形监测,包括洞周收敛监测、拱顶沉降监测和一次支护中的应力、位移监测等。通过上述检测项目获得的资料,经过整理分析,同时参考其他工程的经验与教训,初步认识了软岩隧洞的变形特征,为指导开挖、一次支护、永久衬砌和今后的运行管理提供了依据,并在实践中总结出了适合软岩隧洞的施工经验。