大跨度擠壓性圍巖大變形的成因及防治

大跨度擠壓性圍巖大變形的成因及防治

1高地應(yīng)力作用下的大變形問(wèn)題對(duì)于特殊地質(zhì)條件下的隧道工程，應(yīng)特別注意項(xiàng)目的預(yù)測(cè)和預(yù)防措施，以避免工程被動(dòng)和成本大幅超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)。本文著重討論如何根據(jù)地質(zhì)資料預(yù)測(cè)大變形、可能產(chǎn)生的變形量級(jí)以及應(yīng)采用的對(duì)策。使洞壁產(chǎn)生大量值變形的原因很多,本文只討論擠壓性圍巖在高地應(yīng)力作用下的變形。近年來(lái),高地應(yīng)力作用下的擠壓性圍巖大變形已日益引起重視,主要原因是:一方面擠壓性圍巖的變形量值特別大(幾十厘米至一百多厘米),洞壁位移后往往侵入模注混凝土襯砌凈空,使施工處理十分困難;另一方面,隨著我國(guó)隧道建設(shè)的發(fā)展,大變形工點(diǎn)日益增多,但現(xiàn)行的隧道設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)大變形問(wèn)題基本上處于空白狀態(tài),不論設(shè)計(jì)還是施工都沒(méi)有一套可靠的辦法,大家都在探討,有待研究的地方很多。2資料來(lái)源及資料介紹為有利于工程類比,筆者將25年來(lái)散見(jiàn)于多種刊物上的典型工程資料,擇要介紹如下。國(guó)外有三座有名的擠壓性圍巖大變形隧道,即陶恩隧道、阿爾貝格隧道和惠那山隧道;國(guó)內(nèi)至少有兩座隧道是知名的,即南昆鐵路的家竹箐隧道和臺(tái)灣的木柵公路隧道。2.1陶恩大變形隧道1970～1975年修建于奧地利,為雙向行駛之公路隧道(單洞),全長(zhǎng)6400m,埋深600～1000m。新奧法的鼻祖Rabcewicz教授親自主持該隧道的設(shè)計(jì)并參加施工。該隧道施工中在千枚巖和綠泥石地段發(fā)生了大變形,產(chǎn)生了50cm(一般)及120cm(最大)的位移,最大位移速度達(dá)20cm/d,是世界上第一座知名的大變形隧道。由于在陶恩隧道設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)擠壓性圍巖缺乏經(jīng)驗(yàn),初期支護(hù)較弱(長(zhǎng)4m錨桿,厚25cm噴混凝土,TH36@75鋼架)。在洞壁發(fā)生大變形后,Rabcewicz采用了長(zhǎng)錨桿(6～9m)、可縮鋼架以及噴層預(yù)留縱縫等加強(qiáng)措施(這些措施至今仍在沿用),對(duì)洞壁已侵入模注混凝土凈空部位進(jìn)行了危險(xiǎn)的擴(kuò)挖作業(yè),據(jù)說(shuō)工程非常艱難,但最后仍取得了成功。2.2初期支護(hù)系統(tǒng)及支護(hù)位移阿爾貝格隧道也在奧地利,系公路隧道,全長(zhǎng)13980m。該隧道是緊接著陶恩隧道之后開(kāi)工的(1974～1979年),設(shè)計(jì)時(shí)已吸收了陶恩隧道的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),所以雖然也是擠壓性圍巖隧道,但支護(hù)變形較小,施工較為順利。隧道最大埋深740m,原始地應(yīng)力13MPa,圍巖為千枚巖、片麻巖、含糜巖的片巖綠泥石等,抗壓強(qiáng)度為1.2～2.9MPa。為防止大變形,設(shè)計(jì)時(shí)采用了強(qiáng)大的初期支護(hù)系統(tǒng):厚20～25cm噴混凝土;可縮式@75鋼架;6m長(zhǎng)的@125cm錨桿。雖然如此,在局部地質(zhì)較壞(巖層走向與隧道平行且有地下水)的地段,仍產(chǎn)生了20～35cm的支護(hù)位移,變形初速度達(dá)到4～6cm/d,最大達(dá)11.5cm/d。在增加了9～12m的長(zhǎng)錨桿后,使變形初速度降為5cm/d。據(jù)統(tǒng)計(jì),每延米隧道錨桿用量達(dá)420m。2.3號(hào)隧道采用新奧法的柔性初期支護(hù)方案惠那山隧道為雙洞隧道,在日本中央公路的兩宮線上。Ⅰ號(hào)隧道先修,于1975年8月建成,全長(zhǎng)8300m,是雙向行駛的公路隧道。后由于交通量的增加,1978年開(kāi)工修建第二座隧道,即Ⅱ號(hào)隧道,該隧道全長(zhǎng)8635m,于1985年建成。這兩座隧道平行,通過(guò)的地層是一樣的,其中有一個(gè)長(zhǎng)400m的長(zhǎng)平澤斷層非常軟弱,為風(fēng)化的變質(zhì)角頁(yè)巖(已粘土化),單軸抗壓強(qiáng)度僅1.7～4.0MPa,該處埋深約400m。特別使人感興趣的是,為通過(guò)這同一條斷層,Ⅰ號(hào)隧道采用剛性支護(hù),而Ⅱ號(hào)隧道采用新奧法的柔性支護(hù),從而可進(jìn)行效果對(duì)比。Ⅰ號(hào)隧道采用的斷面型式如圖1。主洞開(kāi)挖時(shí)先以0.8m間距安設(shè)重型鋼架(H250)并輔以襯板,先后澆注二層模筑混凝土。由于變形很快而且數(shù)值大,鋼架被大量破壞,因此在澆注第二層混凝土?xí)r又補(bǔ)充了H200鋼架(@0.8m)。值得注意的是,雖然模筑混凝土襯砌總厚1.2m,而且加入了大量的重型鋼架,襯砌仍然發(fā)生了大規(guī)模的開(kāi)裂,最后不得不用鋼纖維加筋混凝土來(lái)反復(fù)修補(bǔ)。吸收了Ⅰ號(hào)隧道的教訓(xùn)后,Ⅱ號(hào)隧道采用新奧法柔性初期支護(hù)。其特點(diǎn)是:采用長(zhǎng)錨桿(設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為6m,施工時(shí)加長(zhǎng)到9～13.5m);預(yù)留變形量(上半部為50cm,下半部為30cm);鋼纖維噴混凝土(厚25cm)及可縮式鋼架;二次襯砌為45cm厚的素混凝土。隧道斷面見(jiàn)圖2,最終發(fā)生的初期支護(hù)位移為20～25cm,最大56cm,說(shuō)明長(zhǎng)錨桿發(fā)揮了作用。2.4圍巖支護(hù)技術(shù)家竹箐隧道是我國(guó)南昆鐵路上的著名險(xiǎn)洞(單線鐵路隧道),以高瓦斯、高地應(yīng)力、大涌水而著稱。由于煤系地段軟弱(Ra=1.7MPa),且地應(yīng)力較高(16.09MPa),在390m長(zhǎng)的地段內(nèi)產(chǎn)生了大變形,洞壁位移60～80cm(最大160cm),拱頂下沉接近100cm。之所以變形這么大,與設(shè)計(jì)階段對(duì)大變形缺乏判斷有關(guān),當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)對(duì)高地應(yīng)力擠壓性圍巖尚缺乏認(rèn)識(shí),以為只是一般的軟弱地層,故只采用了一般標(biāo)準(zhǔn)的初期支護(hù)(這一點(diǎn)和陶恩隧道相似)。施工中的變更設(shè)計(jì)是:(1)改善洞形,加大邊墻曲率;(2)將預(yù)留變形量加大為45cm(拱)及25cm(墻);(3)系統(tǒng)錨桿加長(zhǎng)為8m(后期經(jīng)應(yīng)力量測(cè),隧底錨桿減為4～7m);(4)噴混凝土加厚(初噴20cm,復(fù)噴15cm),設(shè)三道縱縫;(5)鋼架改為U29可縮式;(6)雙層模注混凝土襯砌,其中外層為55cm鋼纖維配筋混凝土(主要受力結(jié)構(gòu)),內(nèi)層為25cm鋼纖維混凝土(安全儲(chǔ)備),兩層之間為HDPE瓦斯隔離層。2.5圍巖參數(shù)及支護(hù)效果木柵隧道位于臺(tái)灣北部第二高速公路上,隧道穿越臺(tái)北市南郊的木柵山區(qū),全長(zhǎng)1875m,為三車道公路隧道(斷面150m2)。該隧道在通過(guò)潭灣大斷層時(shí),發(fā)生了大變形,拱頂下沉150cm以上,邊墻內(nèi)擠70cm。潭灣斷層帶寬75m,與隧道斜交,大變形地段長(zhǎng)205m。由于初期僅采用常規(guī)的錨噴支護(hù),故產(chǎn)生了嚴(yán)重的大變形。該隧道變形整治有一個(gè)特色,即應(yīng)用了長(zhǎng)大預(yù)應(yīng)力錨索(圖3)。錨索長(zhǎng)15～17m,預(yù)拉力50t,但隧底采用長(zhǎng)為9m之一般錨桿。通過(guò)錨索孔及錨桿孔向地層注漿加固圍巖,而強(qiáng)大的錨索及錨桿使隧道趨于穩(wěn)定(陳靖宇,2002)。以上五座隧道的圍巖參數(shù)匯總?cè)绫?。由上述五座隧道的資料可知,它們均有一個(gè)共同點(diǎn),圍巖的強(qiáng)度低而原始地應(yīng)力較高,即應(yīng)力強(qiáng)度比很大。其次,所有大變形隧道幾乎無(wú)一例外地采用了長(zhǎng)錨桿或錨索,錨桿或錨索的長(zhǎng)度從6m到17m不等,陶恩和阿爾貝格隧道不加預(yù)應(yīng)力,但木柵隧道則施加了強(qiáng)大的預(yù)應(yīng)力。記得在筆者提出采用長(zhǎng)錨桿整治家竹箐隧道的嚴(yán)重大變形后,由于是國(guó)內(nèi)第一次將長(zhǎng)錨桿應(yīng)用于大變形隧道,引起了國(guó)內(nèi)隧道界普遍注意,各種意見(jiàn)均有,有幾位隧道專家表示不以為然,認(rèn)為采用長(zhǎng)錨桿完全不必要,引起了一些人在觀念上的混亂,這場(chǎng)風(fēng)波一直延續(xù)至今。事實(shí)上,至今為止,目前已知的絕大多數(shù)(不敢說(shuō)全部)的嚴(yán)重大變形隧道,其成功整治方案都采用了長(zhǎng)錨桿柔性支護(hù)?；菽巧舰裉?hào)隧道用1.2m厚的剛性初期支護(hù),仍發(fā)生了破壞,需進(jìn)行返修;而Ⅱ號(hào)隧道用長(zhǎng)錨桿柔性支護(hù)通過(guò)同一個(gè)斷層,卻效果很好。家竹箐隧道通車幾年后回訪得知,瓦斯封堵還存在問(wèn)題,有泄漏現(xiàn)象,但襯砌結(jié)構(gòu)卻是完好的,沒(méi)有明顯變形或開(kāi)裂。這些事例說(shuō)明,在擠壓性圍巖大變形隧道中,采用配有長(zhǎng)錨桿的柔性支護(hù),既能通過(guò)變形釋放一部分地應(yīng)力,又加固了圍巖,控制了變形,機(jī)理是正確的,工程實(shí)踐也是成功的?，F(xiàn)在,整治大變形的措施已從錨桿發(fā)展為錨索,從不加預(yù)應(yīng)力到加預(yù)應(yīng)力,相信整治效果會(huì)更好。關(guān)于擠壓性圍巖的隧道支護(hù),可分被動(dòng)法(剛性)與主動(dòng)法(柔性)兩大類,1990年之后主動(dòng)法已逐步代替了被動(dòng)法(張吉佐,1999)。3巷道圍巖塑性表現(xiàn)(1)圍巖級(jí)別低,一般為Ⅱ級(jí),少數(shù)為Ⅲ級(jí)(指Ⅲ級(jí)中的軟巖及土質(zhì)地層,如略具成巖作用的土、泥質(zhì)膠結(jié)的碎卵石等)。(2)巖體抗壓強(qiáng)度(Rcm)低,考慮試件尺寸和節(jié)理影響后,強(qiáng)度更低。有資料介紹,尺寸0.5～1.0m的試件抗壓強(qiáng)度只有由巖芯得到的試驗(yàn)室強(qiáng)度的25%～50%。一般,發(fā)生大變形的巖體抗壓強(qiáng)度(Rcm)應(yīng)小于2.5MPa(見(jiàn)表3)。(3)顯著的塑性,擠壓性圍巖的塑性表現(xiàn)在三方面:①變形量大,在高地應(yīng)力擠壓情況下,洞壁位移可達(dá)數(shù)十厘米,甚至100多厘米;②變形時(shí)間長(zhǎng),盡管初期的變形速度快(每日幾厘米至十幾厘米),但延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。陶恩、阿爾貝格、惠那山隧道開(kāi)挖以后經(jīng)過(guò)300～400天變形仍不收斂,每月變位在十多毫米以上。③基本不出現(xiàn)松弛壓力,作用在支護(hù)上的是變形壓力。雖然地層變形量大,但圍巖系整體擠壓移動(dòng)而不松弛。家竹箐隧道煤系地層洞壁位移幾十厘米,但巷道仍能穩(wěn)定而不垮,當(dāng)時(shí)施工單位的技術(shù)人員均覺(jué)得奇怪,究其原因,在于巖體塑性大,位移的過(guò)程中主要發(fā)生剪應(yīng)變,而產(chǎn)生的松弛間隙卻很少,即“剪漲”作用很小。據(jù)臺(tái)灣大學(xué)鄭富書(shū)、黃燦輝的研究,軟巖擠壓時(shí)的體積應(yīng)變不超過(guò)0.35%,如圖4。(4)隧道的塑性區(qū)范圍大(塑性半徑大),由于擠壓性圍巖的C、φ值均很小,所以不論用理論公式計(jì)算,還是施工實(shí)踐,均證明隧道的塑性半徑很大。前述的幾座典型大變形隧道,其錨桿長(zhǎng)度為6～17m,家竹箐隧道施工時(shí)通過(guò)多點(diǎn)位移計(jì)及聲波測(cè)定的塑性區(qū)厚度大于5.5m(圖5為K579+373處波速變化),說(shuō)明大變形后,隧道的塑性區(qū)厚度變大,這也是擠壓性圍巖隧道的錨桿特別長(zhǎng)的原因。4大變形的分類及注意高度參考鐵二院等單位南昆線大變形的科研成果以及臺(tái)灣學(xué)者王泰典等的研究,建議以初期支護(hù)位移值以及支護(hù)破壞現(xiàn)象作為定義指標(biāo),這些指標(biāo)很容易通過(guò)觀察和量測(cè)得到,方便于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。定義:當(dāng)采用常規(guī)支護(hù)的隧道由于地應(yīng)力較高而使其初期支護(hù)發(fā)生程度不同的破壞且位移值Ua與洞壁半徑a之比大于3%時(shí),認(rèn)為發(fā)生了大變形。關(guān)于大變形的等級(jí)分類,目前國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)有關(guān)資料。顯而易見(jiàn)的是,不同程度的大變形對(duì)結(jié)構(gòu)的影響不同,對(duì)大變形按嚴(yán)重程度進(jìn)行分類,有利于針對(duì)性地選擇整治措施。筆者參考Hoek及Marlinos的研究(2000年),以洞壁相對(duì)位移Ua/a為參數(shù),列出了不同嚴(yán)重程度大變形的等級(jí)分類,見(jiàn)表2。5變形預(yù)測(cè)5.1vilaka法欲在設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)大變形,使用“地應(yīng)力”及“圍巖強(qiáng)度”這兩個(gè)指標(biāo)最為方便。日本學(xué)者Viladka(1995)曾提出,以隧道埋深和圍巖質(zhì)量作為預(yù)測(cè)指標(biāo),發(fā)生大變形的隧道埋深臨界值為:H臨界=3500Q1/3,(m)巖體質(zhì)量系數(shù)(Q)由下式求出:Q=RQDJn?JrJa?JwSRF式中,Jn為節(jié)理組數(shù)系數(shù);Jr為節(jié)理面粗糙系數(shù);Ja為節(jié)理蝕變系數(shù);Jw為地下水折減系數(shù),SPF為地應(yīng)力折減系數(shù)。另外,在TB1003-2001《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A.2.2中,建議以巖石單軸抗壓強(qiáng)度(Rc)和最大地應(yīng)力(σmax)來(lái)判斷大變形,并且認(rèn)為Rc/σmax小于4時(shí)為極高應(yīng)力,有大變形;Rc/σmax為4～7時(shí)為高應(yīng)力,有顯著變形。上述兩種方法有如下缺點(diǎn):(1)Viladka方法需確定有關(guān)節(jié)理組數(shù)、節(jié)理面粗糙度、充填性質(zhì)、開(kāi)挖后滲水程度等多種系數(shù),在設(shè)計(jì)階段僅憑地質(zhì)鉆孔及測(cè)繪資料難以確認(rèn)。(2)能發(fā)生大變形的圍巖多數(shù)軟弱松散,鉆探時(shí)一般取不到巖芯(RQD值多接近于零),故無(wú)法測(cè)定巖石抗壓強(qiáng)度Rc;有時(shí)雖然能取到巖芯,但巖芯長(zhǎng)度很短,其強(qiáng)度不能代表巖體整體力學(xué)性質(zhì)。建議:預(yù)測(cè)指標(biāo)取地應(yīng)力P0及巖體抗壓強(qiáng)度Rcm,其中P0為平均地應(yīng)力(隧道橫斷面上最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力平均值),而Rcm采用圍巖內(nèi)摩擦角φ及粘聚力C按庫(kù)倫屈服公式推算:Rcm=2Ccosφ1-sinφ按上式得出的Rcm可反映巖體的抗壓能力。5.2預(yù)測(cè)方法5.2.1最終洞壁位移對(duì)于一個(gè)具有錨噴支護(hù)的洞室,采用彈塑性理論解析公式計(jì)算其在地應(yīng)力作用下的最終洞壁位移,然后確定位移與地應(yīng)力及巖體強(qiáng)度三者的關(guān)系(繪出曲線圖形),如已知P0及Rcm,則位移值及大變形的等級(jí)可從圖中查知。5.2.2曲墻式圍巖應(yīng)力場(chǎng)的實(shí)測(cè)(1)洞室是圓形的(這主要是為了避免復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算,同時(shí)在低等級(jí)的軟巖中隧道形狀是帶仰拱的曲墻式,已接近圓形,這樣假設(shè)誤差不大);(2)圍巖為均質(zhì)、各向同性(這是因?yàn)榈蛷?qiáng)度圍巖,結(jié)構(gòu)面的影響已不顯著);(3)深埋、靜水地應(yīng)力場(chǎng)(此條也是為了簡(jiǎn)化計(jì)算,如實(shí)測(cè)應(yīng)力場(chǎng)σ1和σ2不等,可取用其平均值。對(duì)于深埋的軟巖隧道,側(cè)壓力系數(shù)多數(shù)接近1,故已接近為靜水應(yīng)力場(chǎng))。5.2.3塑性半徑處的圍巖位移設(shè)圍巖內(nèi)摩擦角為φ,粘聚力為C(在塑性區(qū)兩者降低,其平均值相應(yīng)為φr及Cr),泊松比為μ,初期支護(hù)力為σra,塑性半徑為RP,洞室半徑為a,塑性區(qū)剪脹系數(shù)為K,塑性半徑處的圍巖位移為U*,則根據(jù)修正卡斯特納公式有:RΡ=a[Ρ0(1-sinφ)-Ccosφ+Crcotφrσra+Crcotφr]1-sinφr2sinφr?(A)U*=1+μERΡ(Ρ0sinφ+Ccosφ)…(B)則洞壁位移Ua=RΡaU*+Κ(R2Ρ-a2)2a??(C)如已知地應(yīng)力(P0)、圍巖參數(shù)及支護(hù)應(yīng)力(σra)后,用式(A)求出RP,再用式(B)、(C)即可求出洞壁位移。上面式(A)、(B)、(C)在一般巖石力學(xué)教程中均可查到,故不再詳細(xì)推導(dǎo)。5.2.4圍巖參數(shù)計(jì)算以Ⅱ～Ⅲ級(jí)圍巖為對(duì)象,采用當(dāng)前設(shè)計(jì)規(guī)范所列之?dāng)?shù)據(jù),強(qiáng)度由低到高分為七組(表3)。5.2.5噴層支護(hù)力計(jì)算式(A)中σra由噴層支護(hù)應(yīng)力σⅠra、錨桿支護(hù)應(yīng)力σⅡra及鋼架支護(hù)應(yīng)力σⅢra三項(xiàng)組成,其中噴層支護(hù)力按薄壁筒公式計(jì)算。對(duì)于錨桿及鋼架,則認(rèn)為大變形時(shí)已使鋼材應(yīng)力接近屈服,取屈服強(qiáng)度的90%計(jì)算支護(hù)應(yīng)力,支護(hù)參數(shù)按通常標(biāo)準(zhǔn)確定(非大變形情況),如表4。σra計(jì)算結(jié)果如表5。用式(A)、(B)、(C)計(jì)算的洞壁位移見(jiàn)圖6、圖7。5.2.6級(jí)圍巖大變形計(jì)算由圖6和圖7,可得出大變形等級(jí)分界處與不同Rcm值對(duì)應(yīng)的P0值,從而繪出圖8、圖9,即可預(yù)測(cè)大變形并確定其等級(jí)。由圖8、圖9可知,各計(jì)算點(diǎn)的分布近似為直線,其方程為:例:已知某公路隧道埋深300m,原始地應(yīng)力P0=7.2MPa,Ⅱ級(jí)圍巖:φ=25°,C=0.12MPa,Ⅲ級(jí)圍巖:φ=30°,C=0.35MPa,擬預(yù)測(cè)大變形。解:先求圍巖抗壓強(qiáng)度Rcm,即將已知數(shù)據(jù)分別代入公式Rcm=2Ccosφ1-sinφ,得出0.38MPa(Ⅱ級(jí))和1.21MPa(Ⅲ級(jí))。由式(D),得Ⅱ級(jí)圍巖的P01=4.47MPa、P02=6.66MPa、P03=8.14MPa,已知的地應(yīng)力P0(等于7.2MPa)大于P02小于P03,故屬中等大變形。又經(jīng)計(jì)算,Ⅲ級(jí)圍巖的P01=8.17MPa、P02=11.42MPa、P03=14.55MPa,均大于P0,故Ⅲ級(jí)圍巖地段為正常地段,不發(fā)生大變形。必須指出,由于C,φ值為間接測(cè)定,而巖石抗壓強(qiáng)度(RC)為直接測(cè)定,如巖層整體性較好(RQD值大于60%),則直接利用由巖芯測(cè)得的RC值精度較高,此時(shí)Rcm取為0.5RC。6設(shè)計(jì)及施工對(duì)策6.1基層組織支護(hù)采用主動(dòng)式整治原則,其要點(diǎn)是:(1)不是被動(dòng)地承受圍巖擠壓力而是主動(dòng)加固圍巖,從提高圍巖力學(xué)性能著手,從源頭上減小擠壓力,其主要措施是錨桿和注漿,使隧道周邊形成加固圈,由加固圈承受一部分荷載。(2)加長(zhǎng)錨桿和錨索(其端部應(yīng)伸出塑性區(qū),進(jìn)入彈性區(qū)不小于2m),將支護(hù)的荷載通過(guò)錨桿(錨索)傳至深部穩(wěn)定巖體,讓深部圍巖幫助受力。(3)初