|
中铁二十局集团 冀胜利 2021年10月 西安 第一部分 隧道大变形的概念 隧道在开挖过程中因应力重分布都会产生一定的变形，相关规范中对各级围岩也都规定了不同的预留变形量以容纳这些变形。隧道大变形是对常规变形量而言，为相对变形，通常来讲，当围岩变形量超过正常规定（20cm）的1.5倍以上（即≥30cm）时，可把围岩变形视为大变形。通常有三种变形情况：软岩大变形、膨胀岩大变形、局部水压及气压力作用下的大变形。这三种情况尤以软弱围岩大变形最为常见，破坏力也极大。后面重点阐述这一变形。 1.1 软岩大变形 该变形是在高地应力条件下产生的显著塑性变形。主要特征有两个： 一是：软弱围岩 “软”指岩石强度低，具有松散、破碎、风化、软弱等特征；“弱”指岩体的承载能力和抗变形能力比较差。一般岩石单轴抗压强度小于15MPa。 二是：高地应力或极高地应力环境 这是一个相对概念，它是相对于围岩强度（Rb）而言的，也就是说，当围岩强度与围岩内部的最大地应力（σmax）的比值Rb/σmax达到某一个水平时，才被称为高地应力或极高地应力。 围岩强度应力比=Rb/σmax 对于高地应力的判定，国内外目前尚没有一个统一的规定，为了和现有规范、标准统一衔接，以我国岩体分级标准为准，见围岩强度应力比分级基准表。 研究表明，围岩强度应力比越小，隧道开挖后塑性区就越大。当强度应力比小于0.3～0.5时，能产生比正常隧道开挖大一倍以上的变形。 1.2 膨胀岩大变形 具有膨胀岩的围岩在一定条件下体积膨胀，如粘土类矿物、蒙脱石、高岭土、伊利石、绿泥石等吸水后体积可膨胀10%～20%。硬石膏遇水体积可增大60%，其硝遇水体积增加135%。有的膨胀力高达25～45KPa，围岩膨胀可使隧道周边产生大变形。  1.3 局部水压和气压力作用下的大变形 当支护和衬砌封闭较好，周边局部地下水升高或有地下气体（瓦斯等）作用时，支护也会产生大变形。但随着支护开裂，水或气体溢出，压力释放减小，变形就会停止，这种现象一般不多见。 第二部分 隧道大变形的特征 2.1 变形量大 实测数据表明，一般软岩隧道变形可达10cm以上，而挤压性软岩隧道变形可达30cm以上，甚至达100cm以上，往往表现为初期支护喷砼开裂、钢架扭曲、变形侵限，甚至二衬开裂等。 2.2 变形速率高 特别是前期变形速率大且快。 家竹箐隧道初期支护变形速率达3～4cm/d 大梁隧道开挖后变形速率达5～11cm/d 乌鞘岭隧道开挖后变形速率最高达16.7cm/d 木寨岭隧道开挖后最大变形速率达20cm/d，变形剧烈 变形持续时间长 由于软弱围岩具有较高的流变性和低强度，开挖后应力重分布的持续时间长，导致变形收敛时间也较长。短者数十天，长者数百天，也有持续几年，乃至几十年的。 支护受力大，破坏形式多样化 软岩隧道早期压力大，且虽开挖时间的延长迅速增大，如果支护不及时、措施不当，极易造成支护破坏。支护破坏呈现多样化，如喷层开裂、剥落；型钢或格栅钢架发生扭曲；底部隆起；支护侵限；二衬开裂等。 围岩破坏范围大 高地应力使坑道周边围岩的塑性区增加，破坏范围增大。特别是支护不及时，结构刚度、强度不当时，围岩破坏范围可达1-5倍洞径。 第三部分 大变形的机理分析与对策 3.1 机理分析 隧道在开挖前岩体处于三向受压高围压环境，相互制约，处于一种稳定平衡状态，当隧道开挖后，应力发生二次重分布，在洞壁附近切向应力增大而径向应力减小（趋近于零），此时隧道洞壁岩体环境由高围压状态转变为低围压状态，在应力增大区较大范围内围压处于塑性状态，当支护结构不足以抵抗围岩变形时，产生显著的塑性状态。当地应力越大，隧道开挖后，围岩塑性半径也将随之增大。 3.2 围岩破坏形式
 3.3 应对措施 按照大变形的不同类型、不同级别、先做试验段，确定支护参数与施工方法，采用主动控制变形的理念。 1、挤压型：放抗结合、主动控制变形； 2、结构型：锚固为主，抵御层状岩层弯曲应力； 3、散体型：加固地层、强支护、控制塑性区发展。 第四部分 大变形的分级标准 大变形隧道的工程难点在于变形分级的判定，由于围岩一般软硬不均，受地质构造影响严重，变化较为频繁，具有很大的不确定性。
4.1 勘察初判阶段
4.2 设计预判阶段 采用岩体强度应力比指标进行变形预测判断。
4.3 施工验证阶段 （1）根据监控量测数据，计算出相对变形量（%），划分变形等级。 （2）根据地应力划分变形等级
（3）根据变形速率划分变形等级
（4）综合指标判定法 根据上述三阶段五标准，进行综合评判隧道变形的严重程度以及围岩与支护措施的适应性，以及时进行动态调整，动态设计。 通常设计情况下，变形潜势与支护体系适应性评价见下表。
第五部分 变形控制关键技术 5.1 优化开挖方法及施工工艺 在预留合理的变形量前提下，采用超短台阶法施工，上台阶采用环形开挖留核心土法，人工配合机械开挖，必要时辅之以弱爆破，并及时初喷5cm厚砼封闭岩面，出碴完成后进行挂网喷锚+拱架支护体系，也可在台阶底部增设临时横撑等。
5.2 掌子面及前方岩体加固 为了减少掌子面挤出位移及改良前方岩体物理性能，增加围岩稳定性，对Ⅰ级变形可采取素喷砼或网喷砼封闭掌子面、改变掌子面形状、预留核心土等措施，对Ⅱ、Ⅲ级变形可在Ⅰ级变形措施的基础上增加掌子面超前导管注浆或帷幕注浆、开挖后全环径向注浆等措施。
5.3 喷射高性能砼 宜采用早高强喷砼，强度不应低于C30，为提高喷砼的抗裂性，可添加钢纤维或合成纤维。
5.4 高规格支撑 为抵抗围岩应变能产生的巨大挤压和冲击作用，使用大刚度钢架以承担围岩早期的变形压力，可采用高强度的型钢钢架。对于Ⅰ、Ⅱ级变形可采用四方型格栅钢架、不小于I18的工字钢架、可伸缩的U型钢等措施；对于Ⅲ级变形可采用不小于125mm的H型钢架、阻尼器等措施。
5.5 锚固体系 锚杆（索）加固是隧道变形控制的重要措施，可单独或组合采用短、中、长锚杆（索）等方式，根据变形等级、速率选择合理的锚固方式及参数。 1.短锚杆以自进式注浆锚杆、全长黏结型锚杆为宜，适合Ⅰ级变形控制。 2.中锚杆以自进式注浆锚杆、让压锚杆、涨壳锚杆为宜，适合Ⅱ级变形。 3.长锚杆可选用自进式注浆涨壳锚杆或预应力锚杆（索）等为宜，适合Ⅲ级变形。
5.6 多重支护 多重支护是采用“边放边抗”的原理以及“宁强勿弱，宁补勿拆”的原则，在隧道开挖后预留一定的富余变形量，第一次支护变形达到一定程度后，及时施作第二层支护，最终将变形量控制在容许范围内。通过分层施作支护，允许围岩变形释放部分应力，但又能控制围岩过度变形。支护体系必须及时、适时，尽快形成支护结构整体受力体系。
5.7 多种加强措施并用 在支护体系实施中，为了保证支护体系的稳定性和安全性，可对拱架关键环节处增加辅助加强措施，比如在拱脚处增设正、反向大拱脚以及纵向托梁，拱架之间的连接可增设“纵向钢腰带”，拱脚处增设长锚杆或预应力柔性锚管、临时支撑等综合措施。
5.8 应力释放 应力释放是一种卸压法，有针对性的释放一部分围岩应力，使得围岩应力向深部转移，以减小支护应力，从而保证支护结构的稳定性。主要体现在采用超前小导洞、超前钻孔、应力释放孔等措施。
5.9 二衬及支护试验段 对初期支护和二衬受力进行监测，监测项目按必测和选测两大类进行，见监控量测项目表。 根据监测数据的结果，可进一步反馈指导施工与优化隧道开挖断面、初期支护和二衬参数，确定合理、安全的受力结构。
第六部分 变形控制施工管理等级 6.1 施工管理原则 施工中应立足于一个“快”字，即：快开挖、快支护、快封闭。 快开挖，就是尽量减少对围岩的扰动，在预留合理变形量的前提下，即少分部、弱爆破、机械化施工，尽量实现短、大断面快速开挖。 快支护 ·要求开挖后，及时封闭岩面，进快施作挂网喷锚+钢架等支护措施，防止围岩暴露时间长，变形过快等，从而产生更大的塑性范围及更大的变形。 快封闭 ·要求支护结构在最短时间发挥最有效的作用，尽快封闭成环。由于隧道变形支护量大，工艺水准要求高，所以采取高等级机械化配套模式是实现施工“快”的基础，以提高施工效率和加快施工进度。 6.2 监控量测管理等级 隧道变形监控量测管理采用变形位移和速率双控指标，见下表。当实测数据接近表中规定数值，或砼表面已出现测量裂缝或钢架已扭曲变形时，应采取立即补强措施，并改变施工方法或设计参数。
注：1、位移指标参照表6-2确定 2、速率指标选取围岩发生高速变形临界值50mm/d。
第七部分 工程实例 随着我国交通基建的快速发展，穿越高地应力区且工程地质环境恶劣的大变形隧道工程也越来越多，早期的有南昆线家竹箐隧道、台湾木栅隧道等，近期的有乌鞘岭隧道、兰渝线木寨岭隧道、兰新高铁大梁隧道等典型案例，具体见下表。 第八部分 大变形隧道修建技术体会与思考 大变形隧道被列为世界性的难题，近百年来国内外积累了此类变形控制丰富的工程经验，开展了一系列的科学研究，认知水平也在逐步深入和提高。近年来，随着隧道工程向“长、大、深、难”方向的发展，大变形隧道不断出现，加大了施工难度和建设风险。为保证施工安全、质量，加快施工进度，对于软弱围岩隧道大变形控制可从以下几个方面进一步研究：
·1、通过勘察技术水平的提升和革新，为设计预判提供较为准确的依据，并本着“宁强勿弱”的原则，实施动态设计与调整，减少工程措施试验摸索时间长或造成结构拆换不必要的浪费与延误工期等。 ·2、向高度机械化集中配套施工模式方向发展，以加快施工速度，提高施工效率，快速封闭，保障施工安全。 ·3、组织专业化施工。注浆、长锚杆（索）等工序是控制变形的关键，对关键工序应采用专用设备，由专业熟练队伍去组织实施，减少不必要的折腾和摸索。 ·4、软岩隧道二衬施作时机的确定是隧道界讨论的热点问题，特别是对软岩大变形隧道，若二衬施作过晚，则可能造成初支变形无法控制而侵限失稳；若施工过早，则可能使二衬受力过大引起开裂，降低隧道结构耐久性。 ·《隧规）规定：“12.5.1二衬一般在围岩变形基本稳定后施作，变形趋于稳定应符合下列要求：
·5、隧道开挖后围岩塑性变形破坏是产生围岩压力的主要原因，各种支护体系的目的就是为了限制塑性区的发展，以发挥围岩自承能力，因此如何确定好隧道开挖后围岩塑性区的范围是必须要研究的关键。现场配置自动化采集与传输的监测体系，理论与实践相结合，尽快摸索、研究出确定塑性区范围的经验，实现对结构安全性进行适时评估与补强。 |
|
|
