隧道围岩大变形问题 与施工控制新技术研究,梅志荣,主要内容,工程背景介绍 隧道大变形实例及发生原因 隧道大变形基本特征及发生机理 隧道大变形控制技术 工程实例,2,工程背景,成兰铁路，正线长度457.6km，全线桥隧工程占85.96，隧道33座共332.392km，其中10km以上隧道14座，最长隧道28.4km。 成兰铁路穿越龙门山岷山西秦岭高山峡谷等地貌，山高谷深，全线隧道埋深在1000m以上段落达85.976km，500m1000m段落更是多达151.334km。 而以上段落穿越的软质岩多，断层破碎带多，软质岩主要由炭质板岩、炭质千枚岩等组成，遇到高地应力条件下的软弱围岩大变形，经地质专业判断本线隧道通过地段共有 30.840km为易发生大变形的软岩段落。主要代表性工点有：,3,工程背景,成兰铁路典型软岩隧道大变形发生段落,4,工程背景,其中，平安隧道洞身以千枚岩等软质岩为主，含千枚岩地层占隧道穿越地层的90%以上。发生严重大变形段落4.63km，有发生大变形风险的段落达23.01km。,5,隧道大变形实例及发生原因,6,修建于18961906年、连接瑞士和意大利的辛普伦1#隧道是世界上最早出现严重挤压变形的隧道。此后，世界范围内先后出现了奥地利Tauern隧道和Arlberg隧道、瑞士Furka隧道、日本Enasan隧道、中国家竹菁隧道、中国乌鞘岭隧道、印度隧道Maneri隧道、伊朗Taloun隧道、土耳其Bolu隧道、委内瑞拉Yacambu隧道等一系列典型挤压性大变形隧道。,南昆铁路家竹箐隧道,隧道全长4.99 km，是控制南昆铁路铺轨工期的重点工程，共有390 m洞段发生了大变形，初期变形量达到1000毫米，导致施工受阻，原设计的普通砂浆锚杆被压弯，格栅构件被挤压成麻花形状，衬砌结构挤压破裂，支护系统受到严重破坏。 为控制变形，采用了自钻式锚杆系统，锚杆长度为6-13米不等，直径32毫米，间距0.5-1.25米。注浆方式为中空管，锚固排气环，加止浆塞方法。压力1.5-2.0Mpa。支护效果明显,7,乌鞘岭隧道F7断层大变形 最大埋深1100m,8,拱顶下沉最大为1053mm 收敛值最大为1034mm 变形速率为20-30mm/d,隧道围岩大变形实例,9,塌方 支护拆换,隧道围岩大变形实例,木寨岭公路隧道全长1710m，主要地质为炭质板岩夹泥岩，局部泥化软弱，呈灰黑色，围岩层理呈褶皱状扭曲变形严重，大部分地段围岩较破碎，洞身渗涌水频繁，部分地段呈股流。隧道在高地应力大变形地段，严重处拱顶累计下沉达155cm。 处理措施：开挖总体采用双侧壁法；初期支护钢架及临时支撑采用I22型工字钢、自进式锚杆，超前支护小导管，拱脚两侧增设小导管锁脚。导坑开挖时预留变形；修改原设计仰拱；二次衬砌采用双层钢筋网，与仰拱预留钢筋焊接；对需换拱段及开挖后变形较大的地段，除施作长的自进式锚杆外，再采用小导管进行双液注浆。,10,隧道围岩大变形发生原因,从地质条件分析，发生大变形的原因有三种： （1）膨胀岩作用的膨胀性变形。具有膨胀性的围岩在一定条件下体积膨胀，使隧道周边产生大变形。 （2）大埋深，高地应力隧道的挤压性变形。在高地应力的挤压作用下，埋深大、地壳经历激烈运动，地质构造复杂的泥岩、页岩、千枚岩、泥灰岩、片岩、煤层等都容易出现较大的挤压变形。 （3）小埋深、偏压、松散围岩等特殊条件下的松动性变形。极为软弱或者松散破碎围岩，加上埋深浅，由于支护刚度不足、支护不及时，或者局部水压及气压力的作用，也会产生大变形。,11,12,13,隧道围岩大变形基本特征及发生机理,（1）变形量大 日本惠那山隧道施工时在地质最差的地段，拱顶下沉达到930mm，边墙收敛达到1120mm；奥地利陶恩隧道采用台阶法施工，由于对在挤压性围岩隧道施工缺乏经验，采用的初期支护参数较小，导致拱顶发生1.2m的位移；家竹箐隧道在一般地段，拱顶下沉为50-80cm，侧壁内移50-60cm，底部隆起50-80cm；在变形最严重地段，拱顶下沉达到240cm，底部隆起达到80-100cm，侧壁内移达到160cm；木寨岭隧道隧道在高地应力大变形地段，严重处拱顶累计下沉达155cm。,隧道围岩大变形基本特征及发生机理,（2）变形速率高 陶恩隧道最大变形速率高达200 mm/d，一般也达50-100 mm/d。 （3）变形持续时间长 由于软弱围岩具有较高的流变性质和低强度，开挖后应力重分布的持续时间长。变形的收敛持续时间也较长。日本惠那山隧道时间大于300 d。 （4）支护破坏形式多样 喷层开裂、剥落先在受力较大的部位发生；锚杆锚固作用失效。型钢拱架或格栅发生扭曲，坍塌随即发生。衬砌做好后，大变形常使衬砌严重开裂，挤入净空。底部上鼓使道床严重破坏。 （5）围岩破坏范围大 高地应力使隧道周边围岩的塑性区增加，破坏范围增大。特别是支护不及时或结构刚度、强度不当时围岩破坏范围可达5 倍洞径。一般锚杆长度伸不到弹性区，这常是导致喷锚支护失效的根本原因。,14,15,围岩变形破坏的进程,隧道围岩大变形发生力学机理,蒙脱石型膨胀机理（分子吸水膨胀机理） 微裂隙膨胀机理 重力机制作用下的扩容膨胀 工程偏应力引起的变形力学机理 构造应力机理 断层型力学机理（断层与隧道夹角60-90度） 随机节理型变形力学机理,16,隧道围岩大变形施工控制技术,软岩隧道大变形的控制技术，主要有， 1、为减轻作用在支护结构形变压力而容许变形的方法 2、为了控制松弛而尽可能早地控制变形的方法， 即所谓的柔（韧）性支护设计和刚性支护设计，两者的理念是完全相反的。,17,隧道围岩大变形施工控制技术,容许变形-柔性支护设计（针对挤压性大变形） （1）先行导坑法。即先掘进比较长的导坑，通过导坑发生先行位移，推迟支护结构的设置时间，从而减轻作用在支护结构上的形变压力。 （2）多重支护方法。一次支护发生屈服，通过设置二次或者多次支护，使得地压和支护反力得到平衡，不进行支护替换的方法。,18,隧道围岩大变形施工控制技术,（3）可缩性支护方法。通过可缩性锚杆、可缩性钢架等让压支护体系，预留更大的变形空间，释放围岩压力，保持支护结构完整的围岩压力与支护抗力平衡。 （4）分阶段综合控制法。长短结合的系统锚杆和补强锚杆围岩加固，用锚杆分阶段控制围岩部分位移。同时钢架、分层喷射混凝土支护，分层施作二次衬砌。分阶段地逐步提高支护刚性来控制位移，使隧道趋于稳定。,19,20,先行导坑法,21,锚网索喷+工字钢支架，预留2000-300mm变形量 锚杆：25mm3000-6000mm螺纹钢，间排距800800mm 钢筋网：6.5mm钢筋焊接 锚索：15.24mm 8000mm，间排距30002400mm，钢轨托盘 喷射混凝土：厚度250mm 工字钢支架,间距1000mm，架间焊接16mm钢筋,多重支护方法,22,锚网索喷+工字钢支架，预留300-500mm变形量 锚杆：25mm3000mm-8000螺纹钢，间排距800800mm 钢筋网：6.5mm钢筋焊接 锚索：15.24mm 1200mm，间排距30002400mm，钢轨托盘 喷射混凝土：厚度250mm 工字钢支架：11号工字钢，间距1000mm，架间焊接16mm钢筋,多重支护方法,23,让压锚杆,24,可缩性钢架 U型钢（TH型钢）,唐山市超峰矿山支护设备有限公司,25,分阶段综合控制法,软岩隧道大变形控制技术,“柔性支护”设计与施工之难点： 1、变形控制基准，预留变形量？ 2、可缩性支护的合理参数如何确定？ 3、不同组合支护的作用效果如何监控？ “柔性” 设计中如何量化？施工中如何控制？,26,27,中铁二院（2003）大变形等级分类,中铁二局（2000）隧道挤压性大变形分级标准,（2002）公路隧道围岩大变形分级划分方案,国内工程（经验）类比方法,28,中铁一院(2008)施工阶段大变形分级标准的综合指标判定法,中铁一院(2008)设计阶段的大变形分级标准,29,预留变形量（王建宇） Hoek 2000,D=13.0m H=400m =20 kN/m3 ，支护2U29, 设定pi=0.4MPa a=351.35MPaa,预留变形量估设 支护2U29,乌鞘岭隧道 千枚岩地段 2550cm 岭脊地段,软岩隧道大变形控制技术,控制变形-刚性支护设计（小埋深、偏压、松散等特殊条件） (1)大刚度支护和衬砌结构。采用掌子面超前长大锚杆和周边系统长大锚杆、大型钢架和大厚度喷射混凝土支护，提供刚性更大的支护结构，来控制位移。也有尽快浇注仰拱，紧跟掌子面，甚至尽快模筑混凝土结构到达早期闭合，强行使隧道趋于稳定。 (2)大范围围岩加固法。采用超前注浆或旋喷支护，深孔大范围注浆加固补强隧道周边和掌子面前方的围岩，力求在减轻支护土压的同时，使掌子面附近早期闭合而控制位移的方法。,30,软岩隧道大变形控制技术,31,洞口或者洞口段往往覆盖层浅、偏压、围岩松散软弱、稳定性差、地应力状况复杂，设计和施工方法选择不当，容易发生大变形或者坍塌。,设计参数和施工方法选择不当,32,超前支护作用不理想,初期支护设计不合理施工不及时、不到位,施工方法和工艺出现问题,挤出变形,核心土,软岩隧道大变形控制技术,33,如何更好的解决此类恶劣地层条件隧道施工的技术难题，充分发挥隧道施工的工作效率，确保工程质量和安全，是当前急需解决的问题,松散围岩或土质隧道掌子面挤出大变形,隧道全断面预加固技术,34,隧道全断面预加固技术：采用注浆易切削锚杆(管、带）对隧道掌子面前方的“待挖核心体”进行预加固，以改善掌子面前方核心岩土体的物理力学性能，控制其变形，从而实现隧道全断面安全、顺利掘进。,先开挖后支护 双侧壁导坑法,易切削锚杆预加固全断面开挖,前方待挖岩土体,35,隧道易切削锚杆预加固：,1、锚杆预加固核心土 2、全（大）断面开挖 3、围岩变形量测 4、仰拱尽量跟进,36,隧道全断面预加固的施工,37,SANY -SJ-180型钻机,全断面成孔作业,38,安装易切削纤维锚杆,易切削纤维树脂锚杆（管）,39,中铁西南院研制生产,玻璃纤维锚杆(管）结构,40,管棚和预注浆,41,软岩隧道大变形控制技术,软岩隧道大变形控制技术,42,隧道仰拱快速施工及设备,43,44,谢谢！ 梅志荣 13708176028 meizhirongvip.163.com,