39 擠壓性圍巖隧道變形特征分析

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1、第20卷第1期石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)Vol.20No.12007年3月JOURNALOFSHIJIAZHUANGRAILWAYINSTITUTEMar.2007擠壓性圍巖隧道變形特征分析安蕊梅,劉維華,劉志春(石家莊鐵道學(xué)院土木工程分院,河北石家莊050043)摘要:烏鞘嶺隧道是蘭新線重點(diǎn)控制工程,是國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)的單線鐵路隧道。該隧道嶺脊地段穿越四條區(qū)域性大斷層,地應(yīng)力高,圍巖軟弱、破碎,屬擠壓性圍巖大變形隧道。隧道施工過(guò)程中,出現(xiàn)較為嚴(yán)重的支護(hù)變形、支護(hù)開(kāi)裂、鋼架扭曲,甚至變形侵限及坍塌事故。針對(duì)該隧道特點(diǎn),開(kāi)展以變形為主的施工監(jiān)控量測(cè),進(jìn)行了變形分布規(guī)律、累計(jì)變形與最大變形速率的關(guān)系、變形與

2、圍巖條件的關(guān)系以及變形與施工方法的關(guān)系等綜合分析。提出擠壓性圍巖隧道具有變形量大、變形速率高、變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的變形特征。關(guān)鍵詞:擠壓性圍巖;大變形;高地應(yīng)力;變形特征中圖分類號(hào):TU455文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):10063226(2007)010014051引言擠壓性圍巖是指在高地應(yīng)力作用下產(chǎn)生擠壓的軟巖。高地應(yīng)力條件下,圍巖的強(qiáng)度應(yīng)力比低,洞周將出現(xiàn)大范圍的塑性區(qū),加上塑性區(qū)的“剪脹”作用,洞周將產(chǎn)生很大的位移。軟弱圍巖隧道很多,只有在[1]高地應(yīng)力作用下才會(huì)發(fā)生這種擠壓現(xiàn)象。擠壓性圍巖大變形問(wèn)題已日益引起人們的重視,高地應(yīng)力軟[2]巖隧道施工過(guò)程中變形快、變形量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),容易造

3、成支護(hù)侵限或坍方事故,影響正常施工。該[3,4]種特殊地質(zhì)問(wèn)題,在現(xiàn)行隧道規(guī)范關(guān)于圍巖應(yīng)力釋放與支護(hù)抗力、合理支護(hù)形式與參數(shù)、以及二襯施作時(shí)機(jī)等變形控制問(wèn)題還不完善。通過(guò)系統(tǒng)全面的該種地質(zhì)條件下隧道變形特征分析,可以為類似隧道設(shè)計(jì)施工積累經(jīng)驗(yàn)并提供參考依據(jù)。2工程背景(1)工程概況。烏鞘嶺隧道位于蘭新線蘭州西—武威南段,全長(zhǎng)20050m,最大埋深1100m,設(shè)計(jì)為左右兩座單線隧道,右線正洞先貫通,左線前期為平導(dǎo),后期擴(kuò)挖為正洞,兩線間距40m。隧道工程在大地構(gòu)造單元上位于祁連褶皺帶內(nèi),由F4～F7四條區(qū)域性大斷層為骨架構(gòu)成的寬大“擠壓構(gòu)造帶”所組成,呈NWW向展開(kāi),帶內(nèi)的次級(jí)斷層發(fā)育,由

4、于構(gòu)造作用,切割的古生界、中新生界及加里東巖體被推覆于上[5,6]新地層之上,地應(yīng)力條件十分復(fù)雜。在嶺脊地段埋深大,隧道穿越志留系板巖夾千枚巖地層,巖質(zhì)相對(duì)軟弱;F4～F7斷層及影響帶,圍巖軟弱破碎。上述區(qū)段均發(fā)生了較為嚴(yán)重的支護(hù)變形、支護(hù)開(kāi)裂與破損、鋼架扭曲,甚至出現(xiàn)了變形侵限及坍塌事故。(2)設(shè)計(jì)施工情況。在F4斷層及志留系板巖夾千枚巖地層區(qū)段均采用橢圓形斷面,在F7斷層區(qū)段采用了圓形斷面。F4～F7斷層區(qū)段及影響帶均采用復(fù)合式襯砌,初期支護(hù)采用型鋼鋼架、錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土聯(lián)合支護(hù),二次襯砌除F4斷層影響帶外均采用了鋼筋混凝土襯砌。分步開(kāi)挖、多重、多次支護(hù),弱爆破、短臺(tái)階或超短

5、臺(tái)階開(kāi)挖、短循環(huán)進(jìn)尺、盡早封閉,加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè),在部分區(qū)段還采用了H型鋼鋼架、錨索、錨管、鋼管橫撐等支護(hù)形式。工程己于2005年完工,并于2006年順利通車。(3)圍巖物理力學(xué)參數(shù)。采用取樣室內(nèi)試驗(yàn)、原位巖體試驗(yàn)、地應(yīng)力測(cè)試、圍巖壓力測(cè)試、圍巖參數(shù)的[5]位移反演和地應(yīng)力場(chǎng)模擬分析等多種方法,并參照規(guī)范建議,確定了圍巖物理力學(xué)參數(shù),如表1所示。收稿日期:20060908作者簡(jiǎn)介:安蕊梅女1974年出生講師第1期安蕊梅等:擠壓性圍巖隧道變形特征分析15表1圍巖物理力學(xué)參數(shù)綜合取值重度/粘聚力/內(nèi)摩擦角/彈性模地應(yīng)力(豎側(cè)壓力區(qū)段泊松比-3(kN·m)kPa(°)量/MPa直)/MPa系數(shù)F4

6、斷層區(qū)段24.0050250.3517009.150.75志留系板巖夾千板巖地層區(qū)段24.0150250.31130020.50.75F7斷層區(qū)段24.7960250.33110011.21.00(4)監(jiān)控量測(cè)實(shí)施情況。為掌握大變形隧道圍巖動(dòng)態(tài)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài),系統(tǒng)開(kāi)展了初期支護(hù)[7210]和二次襯砌的拱頂下沉、水平收斂等位移量測(cè)項(xiàng)目。初期支護(hù)量測(cè)斷面間距5m,量測(cè)頻率1次/d;二次襯砌量測(cè)斷面間距10～20m,量測(cè)頻率1次/(5～10)d。3變形量測(cè)結(jié)果及分析3.1量測(cè)變形沿隧道縱向分布圖1～圖4分別為F4～F5斷層右線隧道、志留系板巖夾千枚巖右線隧道、F7斷層右線隧道、F7斷層左

7、線隧道量測(cè)變形沿隧道縱向分布情況。圖1F4～F5斷層區(qū)段右線隧道變形沿隧道縱向分布F4～F5斷層區(qū)段(如圖1):墻腰水平收斂大于拱腳水平收斂,拱頂下沉最小;F5斷層帶變形大于F4斷層,F4斷層主帶明顯大于影響帶;F5斷層受本區(qū)段橫通道、調(diào)車洞及塌方段影響而變形較大。志留系板巖夾千枚巖區(qū)段(如圖2):拱腳水平收斂略大于墻腳水平收斂,拱頂下沉最小;變形大小與千枚巖含量有關(guān),千枚巖含量大變形大,反之較小。圖2板巖夾千枚巖區(qū)段右線隧道變形沿