山嶺隧道軟弱圍巖工程地質(zhì)特性和其施工對策淺談

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1、山嶺隧道軟弱圍巖工程地質(zhì)特性和其施工對策淺談　　摘要：如何在軟弱圍巖地質(zhì)條件下又好又快地修建長大隧道工程是當(dāng)前隧道工程界面臨的重要課題之一。尤其是當(dāng)隧道穿越高地應(yīng)力軟弱圍巖時，常常形成大變形等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重影響施工安全和進(jìn)度。本文通過對軟弱圍巖工程地質(zhì)特性、軟巖隧道變形機(jī)理及變形控制基本理念分析，并結(jié)合相關(guān)工程實例提出軟巖隧道施工對策。文章得出的結(jié)論可為同類地質(zhì)條件下隧道工程設(shè)計和施工提供參考。關(guān)鍵詞：軟弱圍巖隧道高地應(yīng)力地質(zhì)特性對策中圖分類號：U45文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A0前言隨著我國鐵路及公路建設(shè)事業(yè)的大發(fā)展，長大山嶺隧道不斷出現(xiàn)。近年來隧道工程穿越軟巖地層的工程實

2、例也越來越多。如何在軟弱圍巖地質(zhì)條件下又好又快地修建長大隧道工程是當(dāng)前隧道工程界面臨的重要課題之一。尤其是當(dāng)隧道穿越高地應(yīng)力軟弱圍巖時，常常形成大變形等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重影響施工安全和進(jìn)度。文獻(xiàn)[1]、[2]針對深埋高地應(yīng)力條件下軟巖隧道結(jié)構(gòu)變形控制進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[3]、[4]12針對高地應(yīng)力條件下隧道工程輔助坑道施工期間支護(hù)變形開裂的整治措施進(jìn)行了研究。預(yù)防和治理隧道大變形已成為一項世界級難題。1、軟弱圍巖工程地質(zhì)特性圍巖是指受隧道開挖影響而發(fā)生應(yīng)力狀態(tài)改變的周圍巖土體。根據(jù)巖土體的強(qiáng)度可將圍巖分為堅硬圍巖和軟弱圍巖兩大類。按照圍巖級別劃分，軟弱圍巖多劃分為Ⅳ～

3、Ⅵ級圍巖。軟弱圍巖一般有以下突出特點：（1）巖石強(qiáng)度低。根據(jù)我國《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》、《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，一般將單軸飽和抗壓強(qiáng)度低于30MPa的巖石稱為軟質(zhì)巖或軟巖。軟質(zhì)巖主要包括未成巖的巖石、已風(fēng)化的巖石以及含有軟弱礦物的巖石。典型巖石有泥巖、砂巖、千枚巖、炭質(zhì)板巖及絹云母片巖等。（2）巖體破碎。受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重的堅硬巖石也可稱為軟弱圍巖。若硬質(zhì)巖石受到強(qiáng)烈的構(gòu)造運動影響，導(dǎo)致節(jié)理、裂隙、斷層等結(jié)構(gòu)面發(fā)育，造成圍巖強(qiáng)度降低、自穩(wěn)性變差。（3）圍巖賦存環(huán)境差。隧道圍巖一旦賦存于富水、高地應(yīng)力等不良地質(zhì)環(huán)境中將極易引起涌水、塌方等地質(zhì)災(zāi)害。賦存于這些

4、不良地質(zhì)環(huán)境下的圍巖也可稱為軟弱圍巖。2、軟巖隧道變形機(jī)理12由于隧道開挖不可避免要對圍巖產(chǎn)生擾動，隧道開挖打破了原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，會出現(xiàn)應(yīng)力重新分布和動態(tài)調(diào)整。由于軟巖強(qiáng)度低、對工程擾動及其敏感，在受拉和受壓條件下將產(chǎn)生塑性區(qū)，使圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形。軟弱圍巖隧道開挖后突出表現(xiàn)在圍巖松弛壓力大，初期支護(hù)承受壓力大。按照結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本原理，我們不妨把隧道初期支護(hù)看作是由錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射砼、鋼架等支護(hù)手段組成的復(fù)合體。該復(fù)合體是具有一定強(qiáng)度和剛度的承載結(jié)構(gòu)。軟巖隧道的開挖過程同時也是擾動圍巖對初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的逐級逐次加載過程。當(dāng)作用在初期支護(hù)上的圍巖擾動荷載未

5、超出結(jié)構(gòu)本身的極限承載力的時候，結(jié)構(gòu)將處于穩(wěn)定狀態(tài)，同時支護(hù)結(jié)構(gòu)會因為荷載的不斷增加發(fā)生變形。一旦圍巖擾動產(chǎn)生的荷載超出初期支護(hù)結(jié)構(gòu)極限承載力，支護(hù)結(jié)構(gòu)將會失穩(wěn)破壞，突出表現(xiàn)在鋼架扭曲、噴層開裂掉塊，結(jié)構(gòu)變形出現(xiàn)突變等。由以上分析可以看出，軟弱圍巖大變形是指在隧道開挖形成凌空面以后圍巖受自重應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)力的影響發(fā)生朝向隧道凈空的變形。這是復(fù)雜應(yīng)力條件下軟弱圍巖本身固有的特性，屬于客觀因素。隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)大變形是指由于支護(hù)參數(shù)、施工方法選擇不當(dāng)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度不足以抵抗較高的圍巖壓力而出現(xiàn)大變形和結(jié)構(gòu)破壞，屬于主觀因素。3、地應(yīng)力對軟巖隧道工程的影響3.1地應(yīng)力基本

6、概念12地應(yīng)力是存在于地殼中的未受工程擾動的天然應(yīng)力，也稱巖體初始應(yīng)力、絕對應(yīng)力或原巖應(yīng)力。地質(zhì)力學(xué)認(rèn)為﹐地殼內(nèi)的應(yīng)力活動是使地殼克服阻力﹑不斷運動發(fā)展的原因﹔地殼各處發(fā)生的一切形變﹐如褶皺﹑斷裂(見節(jié)理﹑斷層)等都是地應(yīng)力作用的結(jié)果。通常地殼內(nèi)各點的應(yīng)力狀態(tài)不盡相同﹐并且應(yīng)力隨(地表以下)深度的增加而線性地增加。由于所處的構(gòu)造部位和地理位置不同﹐各處的應(yīng)力增加的梯度也不相同。重力和構(gòu)造應(yīng)力是地應(yīng)力的主要組成因素。經(jīng)研究初始應(yīng)力的分布有以下主要規(guī)律：（1）巖體的初始應(yīng)力絕大部分是以水平應(yīng)力為主的三向不等壓的空間應(yīng)力場，三個主應(yīng)力的大小和方向是隨著時間和空間變化的

7、，是一個非穩(wěn)定的應(yīng)力場。（2）實測的垂直應(yīng)力基本上等于上覆巖體重量。即：σv＝γH＝0.027Hσv為垂直原巖應(yīng)力（MPa）；H為計算點到地表的垂直距離（m）。（3）水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力。3.2高地應(yīng)力定義不同國家對高地應(yīng)力的定義是很懸殊的。工程實踐中往往將大于20～30MPa的硬質(zhì)巖體內(nèi)的初始應(yīng)力稱為高地應(yīng)力。一般認(rèn)為，所謂高地應(yīng)力是指初始應(yīng)力特別是它們的水平初始應(yīng)力分量大大超過其上覆蓋層的巖體的質(zhì)量。12《工程巖體分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB50218-1994）中規(guī)定：（1）Rb/σh，max＝4～7時為高地應(yīng)力，巖芯有餅化現(xiàn)象，開挖過程中洞壁巖體位移顯著，持續(xù)時

8、間長，成洞性差。（2）R