山岭隧道软弱围岩变形机理分析与处治对策

第１０卷第２翅　２　０　１　２年４月　水利与建筑工程学报　ＪｏＬｌｍａ１　０ｆＷａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｆｌｄ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａ】Ｅｎｇｉｎｅｅ　ｎｇ　Ｖｏ１．１０　Ｎｏ．２　Ａｐｒ．，２０１２　山岭隧道软弱围岩变形机理分析与处治对策　赵　峰　（中铁西南科学研究院有限公司，四川成都６１１７３１）　摘要：对国高网乐雅高速公路槽渔滩隧道左线软弱围岩地段产生大变形的机理进行了详细分析，以　现场地质情况为依据，结合检测手段，发现产生变形既有地质情况的原因，也有施工质量缺陷的原因。　根据变形机理，结合实际变形情况，针对性的提出合理、有效的处治方案，解决了工程实际问题。　关键词：隧道工程；变形机理；监控量测；软弱围岩；处治对策　中图分类号：１３４５９．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—１１４４（２０１２）０２—０１４１一ｏ３　Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ　ｆｏｒ　Ｓｏｆｔ　Ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　Ｒｏｃｋｓ　ｏｆ　Ｍｏｕｎｔａｉｎ　Ｔｕｎｎｅｌ　ＺＨＡＯ　Ｆｅｎｇ　（Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈｅｎｇｄｕ，Ｓｉｃｈｕａｎ　６１１７３１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｌａｒｇｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃａｏｙｕｔａｎ　ｔｕｎｎｅｌ’Ｓ　ｌｅｆｔ　ｌｉｎｅ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｈｅｒｅ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｉｎ　Ｌｅｙａ　Ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ　ｆｒｏｍ　ｎａｔｉｏｎａｌ　ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ　ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｎａａｌｙｓｉｓ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｇｅｏｌｏ舀ｃａｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｓｉｔｅｓ　ａｎｄ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｍｅａｓｕｒｅｓ，ｉｔ　ｉｓ　ｆｏｕｎｄ　ｏｕｔ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｉｓ　ａｔｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｔｏ　ｂｏｔｈ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｄｅｆｅｃｔｓ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｎｄ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ａｃｔｕａｌ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ａｃｔｕａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｎｅｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｓｏｆｔ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ；ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅ　ｌ工程概况　国高网乐雅高速公路槽渔滩隧道全长２　９２３　ｍ，　分为上下双洞行车，单洞两车道。隧址区属于四川　盆地西南边缘浅　中切剥、侵蚀构造低山地形，局部　为侵蚀堆积台地，隧道左线处于基岩强风化带，岩石　属极软岩～软岩，岩体松动，受风化影响严重，层间　２监控量测　隧道于２０１１年６月１０　Ｅｔ开挖至ＺＫ７４＋１５８处，　为安全通过软弱围岩段，采用上下台阶法开挖，设超　前小导管预支护，支护类型设计为Ｖ型，设计断面图　见图１。　由２５中空注浆锚杆长３００ｃｍ　结合差，岩体较破碎～破碎，以层状破碎为主，含少　量基岩裂隙水，呈滴水渗出。其中ＺＫ７４＋１５８～　ＺＫ７４＋１８８段主要为中生界白垩系下统灌口组（Ｋ】　）　粉砂岩夹粉砂质泥岩和夹关组（Ｋ　；）细砂岩夹粉砂　６　５钢筋网　２０×２０ｃｍ　Ｉ１８型工字钢钢架８０ｃｍ／榀　Ｃ２Ｏ防腐蚀喷混凝土防水层　２４ｃｍ　预留变形量　１０ｃｍ　岩、粉砂质泥岩，倾角为４。～１５。，细粒结构，泥钙质　钙质胶结，为典型的缓倾角层状岩层。该类围岩　在隧道开挖后，拱顶极易发生片状坍塌，若有地下水　的作用时，规模将明显扩大，围岩级别为Ｖ级。该段　复杂的水文地质、工程地质条件将对隧道施工产生　重大影响。　Ｃ２５钢筋混凝土拱墙４０￣ｍ　图１　Ｖ型支护衬砌　收稿日期：２０１２—０１．１５　修稿日期：２０１２．０２—２５　作者简介：赵峰（１９７９一），男（汉族），陕西镇巴人，硕士研究生，工程师，主要从事隧道及地下工程检测、监测及相关研究工作。　１４２　水利与建筑工程学报　第１０卷　课题组在该段加强了监控量测　１－２ｊ，每问隔５　出现裂缝当日，拱顶及净空收敛变形急剧增大，典型　断面监测数据分析见图２所示。　１ＴＩ布置６个监ｉ贝０断面。６月２７日监测人员在隧道左　线掌子面附近ＺＫ７４＋１８６处左拱腰到拱顶位置发现　有较明显裂缝，且裂缝发展较快，部分初期支护呈溃　破形式，钢拱架已外露，附近也均有裂缝在发展，掌　子面呈散体状结构并不时有碎块塌落。通过对监测　从图２中可以看出，ＺＫ７４＋１６２断面从开挖至６　月２６日共１３　ｄ时间围岩变形增长缓慢，累计拱顶　下沉值不到２０　ｒａｉｎ，但６月２７　１３，围岩变形呈突增　形式，拱顶下沉速率达３５　ｍｍ／ｄ，净空收敛速率达　４３。９　ｍｍ／ｄ，初期支护多处出现裂缝。　数据的分析发现，截止到裂缝出现当日，该两个监测　断面拱顶下沉值与周边收敛值都无较明显增大。但　日期ｆ月一日）　０６．１４　Ｏ　０６－１８　０６．２２　０６－２６　０６－３０　１０　２０　３０　套４０　墨５０　６０　７Ｏ　８Ｏ　９Ｏ　１００　图２　ＺＫ７４＋１６２围岩变形时态曲线　３变形机理分析　３．１初期支护背后空洞探测　度很小，不能承受开挖后急剧增大的隧道周边应力　而产生塑性变形，沿隧道周边围岩应力松弛而形成　一个应力降低了的区域，高应力向围岩深部转移。　为综合分析变形原因，现场对ＺＫ７４＋１５３～　ＺＫ７４＋１７３段进行了地质雷达检测，检测目的是探　扰动了的岩体向隧道内变形，当变形超过一定数值　就会出现围岩失稳和坍塌ｌ　ｊ。　槽渔滩隧道软弱围岩地段主要为泥质砂土，呈　测初期支护背后是否存在空｝同。现场共布置了５条　雷达测线，分别为左右起拱线测线、左右拱腰测线和　拱顶测线。对雷达检ｉ贝０数据进行分析并结合现场实　际情况，提出了４个钻孔验证位置，里程分别为：　ＺＫ７４＋１５８、ＺＫ７４＋１６３、ＺＫ７４＋１６８、ＺＫ７４＋１７３，均位　散状结构，地下水发育，围岩遇水软化，容易坍塌；由　于施工质量缺陷，初期支护与围岩之间的空洞导致　初期支护与围岩不能形成整体而共同产生协调变　形，且空洞的存在导致该部位相当于未作支护，坍塌　于左拱腰附近。通过对开孔揭露情况的仔细观察分　析，ＺＫ７４＋１５８和ＺＫ７４＋１６３处可以看到初期支护　的围岩松散体堆积在初期支护结构上，当初期支护　承受超过其承载能力的荷载时，初期支护结构就会　产生大变形甚至破损。　背后有较明显空洞存在；ＺＫ７４＋１６８和ＺＫ７４＋１７３　处未见有明显空洞，钻孔深处均被泥浆填充。　综合分析认为：该检测段落ＺＫ７４＋１５８和ＺＫ７４　４变形处治对策　４．１初期支护净空断面检测　＋１６３处及其附近初期支护背后有空洞存在，其余　位置所检测测线处均未见有明显空洞特征。　３．２变形机理分析　为确定处治方案，确保变形段二次衬砌厚度及　隧道净空满足设计要求ｌ７　Ｊ，对槽渔滩隧道初期支护　软弱围岩段隧道变形主要表现在浅埋段地表沉　净空断面进行了测量，共测量了４个断面，里程分别　为ＺＫ７４＋１５８、ＺＫ７４＋１６３、ＺＫ７４＋１６８和ＺＫ７４＋１７３，　降、洞周收敛、仰拱隆起、边墙下沉，甚至初期支护结　构破损ｌ３　Ｊ（喷射混凝土开裂或表层脱落掉块、钢架扭　曲、弯折、断裂变形等）。　测量结果统计见表１。　４．２变形处治方案设计　隧道开挖后，由于解除了部分围岩的约束，原始　的应力平衡被破坏，围岩将进行二次应力重新分布，　考虑到工程现场的实际情况，制定了ＺＫ７４＋　１５８～ＺＫ７４＋１８８共３０　ｌ＇ｎ变形段的处治方案：　围岩向隧道内部空间变形。在软弱围岩中，岩体强　（１）洞身严重变形段设临时支撑　第２期　赵峰：山岭隧道软弱围岩变形机理分析与处治对策　１４３　表１测量断面侵限情况统计　①临时工字钢支撑：　在初期支护严重变形段ＺＫ７４＋１５８～ＺＫ７４＋　１８８（３０　ｍ）初期支护外侧，增加临时钢支撑，采用Ｉ１８　工字钢钢架。　其中，ＺＫ７４＋１５８～ＺＫ７４＋１７８（２０　ｍ），为已施工　Ｖ型衬砌段，临时钢架问距平均１　ｍ。ＺＫ７４＋１７８～　ＺＫ７４十１８８（１０　ｍ），为已施工Ｖ加强型衬砌段，临时　钢架间距平均０．６　１３３。实际施工段落和问距可以根　据现场实时监控量测资料作调整。　②临时混凝土基础：ＺＫ７４＋１５８～ＺＫ７４＋１８８　（３０　ｍ）上半断面初期支护底部，增设Ｃ２０混凝土基　础，宽４０　ｍ、高４０　ｃｍ。　（２）洞内开挖后注浆　鉴于ＺＫ７４＋１５８～ＺＫ７４＋１８８（３０　ｍ）初期支护　目前处于持续变形之中，初期支护背后有空洞以致　大范围坍塌，并导致围岩松弛圈扩大。在临时钢支　撑施作且变形基本稳定后，避开雨季，适时施作周边　注浆，加固围岩和减小围岩空隙率。注浆材料采用　水泥一水玻璃双液浆，注浆加固范围４．５　１ＴＩ，注浆孔　环向间距１．５　ＩＴＩ，注浆顺序为先两侧，后拱顶。　（３）拆除严重变形段已施作的初期支护　对ＺＫ７４＋１５８～ＺＫ７４＋１８８（３０　ｍ）已施工的初　期支护因变形较大需拆除重建，其数量包括以下四　部分：　①ＺＫ７４＋１５８～ＺＫ７４＋１８８（３０　ｍ）施工的临时工　字钢钢架；　②ＺＫ７４＋１５８～ＺＫ７４＋１８８（３０　ｍ）上半断面初期　支护底部增设的Ｃ２０混凝土基础；　③ＺＫ７４＋１５８～ＺＫ７４＋１７８（２０　１ＴＩ）已施工的Ｖ型　衬砌段的初期支护；　④ＺＫ７４＋１７８～ＺＫ７４＋１８８（１０　ｍ）已施工Ｖ加强　型衬砌段的初期支护。　（４）隧道初期支护变形严重段重新支护　对初期支护侵限较大和变形较大的段落３０　ＩＴＩ　（ＺＫ７４＋１５８～ＺＫ７４＋１８８段），在施工过程中因地质　情况持续恶化造成该段初期支护严重变形，采用“置　换初支、加强二衬”的支护方案，衬砌基本型式采用　ｖ特加强型衬砌。　其中，ＺＫ７４＋１５８～ＺＫ７４＋１７３段由于变形侵限　相对较小，采用工字钢间距为６０　ｅｍ的Ｖ特加强一１型　衬砌；ＺＫ７４＋１７３～ＺＫ７４＋１８８段由于变形侵限较　大，采用工字钢问距为４０　ｅｍ的Ｖ特加强一２型衬砌。　具体设计参数为：　①割除原初期支护工字钢之问的喷射混凝土　和连接钢筋，嵌槽置换Ｖ特加强型Ｉ２０ｂ型工字钢钢　架，恢复初期支护。　②采用　５中空注浆锚杆作为系统锚杆，兼钢　架定位作用，长度３．５　ＩＴＩ。　③二次衬砌采用厚度６０　ｅｌｆｌ的Ｃ２５钢筋ｊ昆凝　土。　④根据现场处理情况，对拱顶稳定性较差的段　落增设＋４２小导管作超前支护。　（５）加强排水措施　对ＺＫ７４＋１５８～ＺＫ７４＋１８８段，为防止和减小地　下水静水压力对结构造成影响、防止细小颗粒对主　纵向排水沟（管）造成堵塞，在原有排水系统基础上，　增设环向排水措施，将该段地下水直接排入隧道中　央排水沟，主要措施如下：　在初期支护施作完成后，在拱顶钻孔布置，／，５０　泄水孔，深度５　ｍ，按间距５　１ＴＩ×３　ＩＴＩ（纵×横）布设，　布孔时应结合利用加密、加长原有泄水孔；在泄水孔　对应位置，用市售三通管连接，将地下水集中引排进　入环向设置的，ｂ５０ＨＤＰＥ单壁波纹管，每处＇ｂ５０ＨＤＰＥ　管设置３根，将墙背水直接排人中央排水沟内。　＋５０ＨＤＰＥ单壁波纹管墙背环向设置段采用有孔结　构，基底下横向排水支管采用无孔结构。　５施工建议　（１）施工中应坚持“管超前、严注浆、短进尺、留　核心、弱爆破、强支护、紧封闭、勤量测”的二十四字　方针；　（２）隧道施工时，应特别加强对该段地表以及　隧道的岩体和水体的监控量测，防止岩体失稳；　（３）隧道开挖建议采用微台阶环形掏槽留核心　土法，当围岩特别软弱含水时，可以采用中隔壁法　（ＣＤ法）或交叉中隔壁法（ＣＲＤ法），并可兼作超前导　坑作用；　（下转第１５５页）　第２期　王　娇：浅析模糊关系方程在定额数据处理中的应用　１５５　处理后的合理数据作为模糊处理的样本来进行预测　分析。　多一些，最后还需要对数据进行修正。　参考文献：　３结论　［１］王力，徐子华．国内外工程计价模式比较研究［Ｊ］．建　月．工程造价与企业定额编制［Ｍ］．北京：　筑经济，２００４，（４）：７５．　（１）模糊关系方程法主要用于在部分已测定的　技术数据基础上预测估计其余未知待测定的数据，　作为技术测定法的辅助方法，其主要作用是减少技　［２］王传生，邱清华大学出版社，２０１０：１５０—１５４．　１３ｊ　Ｆｒｅｄｅｒｉｃｋ　Ｅ　Ｇｏｕｌｄ．Ｍａｎａｇｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ［Ｍ］．　Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ：Ｐｒｅｎｔｉｃｅ　Ｈａｌｌ，２００４．　术测定的次数和工作量。　（２）模糊关系方程法不仅可用于例子中人工消　耗量的确定，同样也适用于非直接性材料消耗量和　机械台班消耗量的确定，关键在于特征指标的选取　和确定。　（３）用模糊关系方程法做物理量的预测估计所　用的样本资料，必须是同一类型或在相同条件下制　作的相同类型的分析对象，并且已给的样本数据宜　［４］侯卫．施工阶段工程项目的造价控制［Ｊ］．水利与建　筑工程学报，２０１０，８（１）：２５—２６．　［５］杨纶标，高英仪．模糊数学原理及应用（第五版）［Ｍ］．　广州：华南理工大学出版社，２０１０：８３．８７．　［６］付银华，吴春雷．浅议定额换算规范的制定［Ｊ］．中国建　设信息，２０１１，（８）：６９—７３．　［７］李学武．业主对施工承包合同的工程量确定［Ｊ］．四川Ｉ　建筑科学研究，２００９，（５）：５３．　（上接第１４３页）　（４）工字钢钢架施作时，应注意钢架接长应稳　构上，当初期支护承受超过其承载能力的荷载时，初　期支护结构就会产生大变形直至破损。　妥可靠，每次只能有ｌ～２个钢架脚短时间悬空。定　位锚杆和纵向连接钢筋应及时施作。如发现边墙有　（２）在制定处治方案时，对变形段初期支护侵　限情况进行详细检测，对侵限地段采用拆除原支护　重新开挖支护的方法，能有效避免二衬厚度不足或　二衬净空侵限。　参考文献：　［１］蒋树屏，赵阳．复杂地质条件下公路隧道围岩监控量　测与非确定性反分析研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，　２００４，２３（２０）：３４６０－３４６４．　坍塌，必要时还应纵向设置钢板或混凝土基础。施　工边墙和仰拱工字钢时，还应注意必须保证围岩和　结构的稳定性。　通过上述处治措施，隧道施工顺利通过大变形　段，从对变形过大区域的监测结果来看，后期没有出　现异常情况，说明处治方案合理、有效。　６结语　［２］徐林生，孙６７５—６７８．　均，蒋树屏．洋碰隧道进口右线施工中的　槽渔滩隧道施工通过软弱围岩地段时产生了初　期支护变形开裂的现象，为查找原因，有针对性的提　出合理的处治方案，通过现场检测的手段，对变形原　因进行了深入分析，并根据检测结果，提出了合理的　现场监控量测［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００２，２１（５）：　［３］李伟平．公路隧道穿越软弱围岩的变形与控制方法　［Ｊ］．现代隧道技术，２００９，（２）：４４．４９．　［４］关宝树．隧道力学概论［Ｍ］．成都：西南交通大学出版　社，１９９３：８６—９０．　处治对策，解决了工程实际问题，也为今后类似工程　积累了宝贵经验。　（１）软弱围岩由于岩体强度小，不能承受开挖　后急剧增大的隧道周边应力而产生塑性变形，当变　形超过一定数值就会出现围岩失稳和坍塌。而通过　地质雷达及钻孔检测发现初期支护与围岩之间存在　［５］李树军．高地应力大变形隧道变形特性及工程应对措　施分析［Ｊ］．水利与建筑工程学报，２００９，７（３）：３３—３５，４５．　［６］　廖祥元，肖启航．青坑隧道地质复杂段坍塌机理分析与　治理［Ｊ］．现代隧道技术，２００８，（Ｓ１）：４８２．４８４．　［７］中华人民共和国交通部．．１ＴＧ　１；＇８０—１—２００４．公路工程　质量检验评定标准［Ｓ］．北京：人民交通出版社，２００４：　１１２—１２　空洞，导致初期支护与围岩不能形成整体而共同产　生协调变形，坍塌的围岩松散体堆积在初期支护结