软弱围岩隧道变形特征与控制技术探究

发表时间:2018/9/4   来源:《建筑学研究前沿》2018年第11期   作者:徐向斌
[导读] 随着我国经济的快速发展和各项基础设施建设的不断推进,交通事业也取得较大进步。

中交第一公路工程局有限公司海外事业部  100024
  摘要:文章重点分析软弱围岩隧道变形的机理,研究软弱围岩隧道工程出现变形问题的原因,并提出了隧道软弱围岩变形控制技术。
  关键词:软弱围岩;隧道变形特征;控制技术
  
  
  1引言
  随着我国经济的快速发展和各项基础设施建设的不断推进,交通事业也取得较大进步。其中在公路、铁路以及地下工程中,隧道工程数量逐渐增多且施工水平不断提高,但是在新建的隧道工程中,软弱围岩的隧道工程也占有较大的比例,增加了隧道工程施工的难度,如果不对其变形特征进行研究,并采取相应的控制技术进行处理和控制,就容易引发地质灾害其其他对隧洞工程造成危害的问题,影响隧道工程的施工质量和安全。
  2软弱围岩隧道变形机理分析
  2.1从岩体蠕变发展过程进行分析
  在对具有软弱围岩性质的隧道工程进行施工过程中,引起围岩位移的重要因素就是在进行隧道开挖时导致软弱围岩具有流变的性质。所以在对软弱围岩进行性能以及隧道变形机理分析时,除了需要对软弱围岩隧道的受力情况和稳定性进行分析之外,还需要对软弱围岩的流变性进行分析。根据岩体蠕变的机理,其蠕变过程主要分为三个过程,分别为初始蠕变、等速蠕变和加速蠕变。在初始蠕变的过程中,岩体蠕变的速度会逐渐变慢,此时的岩体变形问题则主要是以向开挖方向移动为特点,且移动的速度较慢。但是随着初始蠕变阶段的进行,尤其是进行最后的初始蠕变阶段,这是的蠕变速度就会变得较为稳定,此时就会逐渐进入等速蠕变阶段。在此阶段中,蠕变速度保持不变,但是随着时间的推移就会出现裂缝问题,且此裂缝会在此阶段中出现稳定的扩展现象。如果此扩展现象逐渐过渡到最后的加速蠕变阶段,随着蠕变速度的不断增加,此裂缝也会加速扩展,直至出现围岩遭到破坏而出现失稳问题。
  2.2从长期强度观点进行分析
  根据上文分析围岩蠕变时会具有一定的流变属性,而随着岩体蠕变的不断进行,就会逐渐降低岩体的强度,所以岩体的强度与时间变化存在某种关系。且经过试验以及实际施工证明,围岩的长期强度对其稳定性有着重要的作用。从长期强度的观点上进行分析,由于岩体强度会随着时间的推移而逐渐降低,且岩体会遭到一定程度的破坏,所以说岩体蠕变时所出现的损伤则可以看作是变形损伤和时间损伤共同作用的结果。其中,前者主要是岩体逐渐发生变形的过程中,会出现裂缝的不断扩展,从而导致围岩出现损伤的问题。而对于后者来说,随着时间的推移,损伤问题会不断出现且不断加剧,从而对围岩的损伤也会不断增加。二者在不同的阶段表现出不同的特点,这主要表现在当围岩内部的应力水平较低时,且通常比长期强度要低的多时,此时围岩所发生的损伤则主要是时间损伤,否则会出现蠕变变形量增加速度较快的现象,即在加速蠕变阶段,此时则主要表现为变形损伤,最后会对围岩产生不可逆的破坏作用。
  2.3从岩体能量释放角度进行分析
  根据岩石的流变特征能够看出,岩体蠕变回弹能量会随着时间的推移而逐渐降低,即随着时间的推移而不断释放,且在进行隧道开挖的初期其释放的速率较快,而到某一个时间段时,能量释放的速率就会逐渐减慢并趋于稳定。根据上文分析可知,整个能量释放速率变化的点也就是等速蠕变和加速蠕变的分界点。根据岩体的蠕变特征,当围岩发生蠕变流动时会导致其内部出现新的裂纹且此裂纹会不断扩展,此时会导致围岩强度较低,且长时间处于低于长期强度的现象,从而对围岩造成破坏。



  3软弱围岩隧道工程变形原因分析
  根据上文中介绍的软弱围岩隧道发生变形的机理,并结合工程实际可以得出,引起软弱围岩隧道工程发生变形的原因主要有地质方面的原因、应力重分布的原因以及初期支护的设计存在问题等原因。对于隧道较深且岩质较软的软弱围岩,且构造也较为特殊也较为复杂,内部容易出现较为严重的褶曲揉皱问题,且在发生岩体破碎的过程中,会在掌子面的开挖面上多个点中流出股状水,此时围岩在与水接触之后就会编程松散的泥夹石,此种泥夹石则具有较差的稳定性和较快的后变形速度。
  此外,对于岩层的产状倾角较大的软弱围岩情况,在进行掌子面开挖的过程中,其具有较差的稳定性,且开挖过程其对稳定性有较大的破坏,所以会在开挖面或初期支护上产生较大的围岩压力。此时,随着围岩变形的逐渐增大,相应的吃起支护的压力也逐渐增大,当此压力超出其承受能力范围时,就会发生变形开裂的问题。
  对于应力重分布原因来说,由于在横洞进入正洞的挑顶施工时,经过多次的空间受力转换,喇叭口附近的洞身会出现不稳定的应力变化问题,而在正洞开挖时,会在此对洞口的应力造成影响,使其更加复杂,并随着围岩巨大压力的释放导致其压力更大,出现再次变形的危险。对于初期支护的设计问题来说,主要是由于初期支护的设计强度不足,以及预留变形量不足的问题。
  4隧道软弱围岩变形控制技术
  4.1提高对超前工作的重视
  一般情况下,在软弱围岩隧道施工过程中,都会遇到隧道开挖揭示地质情况与工程设计提供的地质存在较大差异的状况。基于此,除了需要在设计阶段加强地质勘察工作之外,还必须在施工阶段进行超前地质预报工作。之后还需按照超前地质预报设计方案的要求,对超前地质预报中涉及的细则进行详细的编制,然后才可开展地质预报工作。同时,对于那些地质较为简单的地段,可以采用以地质编录为主的途径进行相应的施工,并依据掌子面开挖揭示的地层岩性、地质构造以及节理裂缝发育情况等来分析与判断围岩的稳定性。而对于地质较为复杂地段的施工,应在完成地质编录工作的情况下,进行物探超前地质预报,进而为之后勘察资料的对比与分析工作提供基础与便利,最终实现提升预报质量与精度的目的。此外,对于那些特浅埋地质复杂地段,可通过水平钻孔等途径,明确掌子面前方地质情况,然后采取合理的开挖方式来保证工程施工安全。
  4.2重视超前预加固作用
  一般来说,对于软弱围岩隧道变形,最主要的一个特征是掌子面纵向挤出变形大,基于此,应采用超前导管或是超前预注浆等适宜的超前预加固控制变形技术,进而对掌子面前方先行位移情况进行有效的控制。同时,通过采取适宜的超前预加固控制变形技术,还能够对隧道掌子面前方围岩变形情况进行有效的控制,进而避免发生掌子面坍塌现象。此外,对于断层破碎带以及软弱地层,尤其是在含有丰富的水源时,必须要对围岩进行超前加固施工,进而改善地层,保证隧道施工的安全。
  4.3选择合理的施工方法
  选择适宜的软弱围岩隧道开挖施工方法能够更好的保护围岩,减少塑性区域范围,进而最大限度地发挥出围岩的自承载效果,最终对围岩的变形量进行有效的控制。。基于此,应做好以下几方面的工作:①在选择现场施工方式时,应依据地质与地层加固的具体情况来确定,并在实际施工过程中依据地质情况以及监控量测结果来及时的调整不合适的施工方法。②在采用爆破法掘进时,应全面掌握炮眼数量、深度以及装药量,进而在提高爆破控制技术的前提下,尽量减少爆破对围岩造成的破坏。
  4.4提高锚杆和钢架的承载力
  高承载力锚杆在附着强度和抗剪强度方面比普通锚杆有较大的提高,能够有效地抑制掌子面后方的围岩变形。提高锚杆承载力的主要措施有:将杆体设计为左旋无纵肋螺纹钢筋,杆体公称直径取18~25mm,杆尾螺纹段采用滚压工艺加工。杆体形状设计应遵循3个原则:合理孔径差、较高的锚固力以及增强杆体各个部位的强度。
  钢架作为软弱围岩隧道初期支护的重要组成部分,能够在隧道开挖后及时提供支撑力,抑制围岩变形。提高钢架承载力的措施有:增大钢架的强度和刚度;降低钢架间距;以高性能钢架取代普通钢架,且高性能钢架是今后软弱围岩隧道支护的发展方向。
  4.5多重支护
  对于多重支护控制变形技术,其主要是一种在隧道开挖时留出比一般值大一些的充分的变形富余量的技术,且对于随着隧道开挖产生的应力释放围岩,其在此情况下会产生一定的变形,基于此,可在一定的变形量时施作第1次支护,然后围岩变形还会继续发展,到一定变形量值时施作第2次支护;必要时可施作第3次支护,最终将变形控制在容许范围之内。该方法的特点是:不需要进行反复扩挖和反复支护,就是说没有拆除顶替已经承载的支护构件和对围岩的多次扰动的问题。多重支护的基本理念是容许第1次支护有损伤,设定的变形富余量要比通常值大一些;第2次支护应在第1次支护的变形达到一定程度后再施作。
  5结语
  隧道工程施工中软弱围岩的处理问题直接关系着工程施工的整体质量和安全,在从岩体蠕变发展过程、从长期强度观点、以及从岩体能量释放角度对软弱围岩隧道变形机理进行分析之后,分析实际的隧道工程中出现变形的原因,并提出了要提高对超前地质预报工作以及对超前预加固作用的重视,并且在关键环节中选择合理的施工方法、选择高性能的混凝土进行喷射、进行高承载力锚杆的设置、提高钢架的承载力以及采用多重支护的方式等软弱围岩控制技术,做好其变形控制工作,提高隧道工程施工的质量和安全。
  
  参考文献
  [1]王德运. 隧道软弱围岩变形机制与控制技术研究[J]. 中国科技投资,2017(7).
  [2]李亚波. 隧道软弱围岩变形机制与控制技术研究[J]. 科技展望,2017,27(5).

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