论隧道偏压段的稳定控制

1、    论隧道偏压段的稳定控制      摘 要：对目标隧道偏压段出现的病害特点和原因作了具体分析，针对其出现病害的特点和原因对偏压段的控制和支护方案作了优化研究，提出支护方案，同时对在施工过程中由于地质条件的变化可能会出现的问题提出了应急预案和施工建议，此方案在后面的施工过程中对偏压段的治理起到了很好的效果。关键词：隧道偏压段；稳定；病害；方案1 目标隧道病害原因分析1.1 目标隧道开挖揭示地质情况（1）页岩、粉砂质页岩：深灰色、灰色，层理发育，薄一中厚层状，泥质结构。页岩微节理发育，隧道开挖弃渣暴露后

2、，较短时间内发生碎裂，裂隙面一般平直、光滑。属IV级围岩。（2）隧道通过区域构造简单，褶曲不发育，地层单斜，岩层走向与路线走向交角为5°20°，主要节理有：110°160°57°72°， 90°90°，节理间距12m，多呈密闭或微张，延伸性一般。（3）地表横坡大，地表径流条件较好，下伏基岩以页岩为主，透水性较差，故大气降雨主要以地表径流的形式向外排泄。地下水不发育，从隧道开挖情况来看，除在隧道进出口浅埋段基岩裂隙水相对较大外，仅局部见基岩裂隙水且水量较小。隧道设计为双向六车道的分离式隧道，左、右洞之间净距20m。1

3、.2 目标隧道开挖后病害特点（1）隧道开挖时成形好，围岩完整性较好，施工炮眼痕迹一般残留70以上；（2）隧道支护变形量较大，沿隧道右侧拱部范围内出现纵向开裂；（3）施工面不封闭时，几小时后围岩会沿微节理面及层理面产生松弛破裂，在拱顶、洞壁及掌子面会出现响声，且有围岩剥落掉块，开挖轮廓逐渐呈不规则状等现象，之后暴露面呈显出破碎/较破碎状态；（4）围岩应力释放缓慢，时间长，且具有突然大量释放的特点。使得锚喷支护变形开始不明显，继而突然开裂，变形发展较快；（5）地应力在左、右洞之间，隧道进口段与出口段的表现不尽相同，具有不对称性、非均匀性，使左右洞、进出口段处理措施效果差异明显；（6）经松动圈测试结

4、果表明，在隧道A侧起拱线部位松动范围相对较大。1.3 目标隧道病害致因分析（1）隧道开挖后隧道周边形成的二次应力场使岩体发生局部破坏：隧道埋深较大时自重应力也较大，隧道开挖后在洞壁四周出现切向应力集中。隧道通过的岩性以致密块状的砂质页岩为主，其强度介于硬质岩与软质岩之间，因此其破坏现象表现为岩体的局部破坏，具有一定的松动性岩爆特征。岩体的局部破坏造成了锚喷支护的开裂、变形，洞壁和拱顶掉块，以及小规模的坍塌。当岩体的局部破坏进一步积累，松动范围扩大，必将造成大面积的坍方冒顶。（2）顺层地层偏压：由于岩层走向与倾角不利，加之层理发育，形成顺层偏压。隧道开挖后在A侧起拱线部位形成应力集中，造成岩体局

5、部破坏，A侧边墙部位切层掉块，B侧边墙部位顺层坍滑，拱顶沿层面跨塌。从地应力测试成果也可以说明这一点，岩体中的最大主应力方向与岩层的倾向基本一致。围岩接触压力测试亦显示隧道两侧存在压力差，有偏压存在。（3）岩体微裂隙发育：单纯从掌子面的岩体情况看，岩体完整性较好，但从坍下的岩块看，岩块较为规则，说明岩体内部的微裂隙较为发育，这就为岩体的破坏创造了必要的边界条件，使上述两种作用的效果更加明显，病害的程度也更加严重。（4）隧道通过地层形成时代较早，受历次地质构造影响，初始应力具有多期性，加之随隧道埋深的逐渐变大，隧道的初始应力三维状态会相应发生改变。（5）由于地应力的多变性，增加幅度过快，使得实验

6、段制定的支护措施很快就不能适应地应力的增长，施工表现为实验段措施在开始段有效可行，但后续段却发生病害；不得不一次次地增加锚喷支护的刚度。（6）根据监测资料，锚杆轴力且B侧受压，A侧受拉，说明隧道B侧受到挤压，锚杆在围岩松动圈以外的锚固长度不足，不能有效地抑制围岩变形。根据围岩松动范围测试结果也可以得以映证。（7）锚杆轴力普遍偏小，最小轴力处的围岩接触压力、钢架应力偏大，说明锚杆发挥的作用较小，使得围岩压力基本由钢架承担，在钢架达到极限强度时，引起喷混凝土开裂、钢架变形。2 目标隧道偏压段的稳定支护方案设计2.1 锚杆的设置（1）按测试的地应力实测资料，采用2D-Sigma数值分析软件进行数值模

7、拟分析。（2）根据监测数据，在实验段设置的4个围岩接触压力测试断面，根据监测断面数据分析，大致可以看出一般拱腰位置的围岩压力较其它位置大。（3）根据监控量测结果和现场实际情况，由于施工台车的结构限制，无法按设计方向设置长锚杆，部分锚杆特别是拱顶附近以倾斜的角度打入地层，监测的锚杆轴力出现压应力或受力很小，故设计无法根据监测资料准确了解锚杆的受力情况，仅能按监测资料定性分析，并结合计算机数值分析了解锚杆的受力规律。2.2 钢架形式确定由实验段格栅钢架支护效果可以看出，格栅可以较好的与初喷面密贴，整体受力均匀，但在隧道埋深达600m时，由于地应力较大，格栅的正截面刚度不足，使得格栅外侧钢筋外鼓变形

8、。笔者设计选择了正截面刚度较大的20号工字钢，以解决正截面的承载力问题，但由于工字钢纵向刚度不足，在地应力进一步增大的情况下，正截面还未达到承载极限时，以纵向失稳，使得工字钢扭曲变形。2.3 钢架间距确定采用20号工字钢钢架纵向间距0.8m有一定的适应性，但纵向刚度不足，正截面的承载力略有不足，故选择18型钢，提高正截面刚度0.8倍，提高纵向刚度为3.3倍，纵向间距0.50.8m，环向成环，从实验段的效果看，隧道的初支变形得到了很好的抑制，后续段施工可根据量测资料，对钢架的间距进行优化。2.4 预留变形量的确定根据监测资料统计，目标实验段中最大水平收敛为64.57mm，最大拱顶下沉值为48.7

9、mm，根据监测数据的分析，后续施工段预留变形量取值10cm是合理可行的。2.5 喷射混凝土混凝土采用湿喷工艺施工，提高喷射混凝土质量；混凝土强度等级不低于C20，掺入钢纤维，钢纤维拉拉强度不低于308MPa，掺量为混合料质量的3%6%。钢筋网宜采用8钢筋制作，钢筋网随受喷面起伏铺设，并与钢架、锚杆连接牢固。混凝土原材料质量主要控制：砂采用洁净的中砂或粗砂，细度模数宜大于2.5；碎石粒径不大于15mm；水泥强度等级不小于42.5；速凝剂使用前做速效果试验，初凝时间不超过5min，终凝时间不超过10min。2.6 二次衬砌 二次衬砌的施作时间应控制在围岩和锚杆支护变形基本稳定后进行，应满足以下要求

10、：各测试项目的位移速率收敛，围岩基本稳定；已产生的各项位移预计总位移量80%90%；周边位移速率小于0.10.2mm/d，或拱项下沉速率小于0.070.15mm/d。围岩变形大或流变性明显时，应采取加强喷锚支护并及时施作仰拱和二次衬砌。2.7 监测方案（1）为了及时了解施工过程中围岩及支护结构的受力状态，确保施工的安全，为实验段设计和调整支护参数提供参考依据，并与理论计算结果相比较，完善计算理论，为以后类似工程积累数据，结合前阶段监测成果，后续段采用以下监测方案。（2）为查明隧道松动圈动态变化情况，应选取典型断面设置多点位移计，测试从开挖开始至二衬完成时为止的围岩松动圈变化情况，用以核实地质雷

11、达的测试数据，相互映证。（3）为查明隧道锚杆轴力的动态变化情况，应选与多点位移计同一断面，于拱顶、拱腰、边墙中部及下部设置压力盒，测试从初支设置开始至二衬完成时为止的围岩压力变化情况。2.8 应急预案（1）加大监测频率，监测数据及分析结果马上反馈给施工队，动态指导施工，一旦发现变形速率持续大于1.0mm/d，或总变形量大于预留变形量的2/3时，与设计单位共同研究实施加强措施；（2）掌子面停止开挖，喷混凝土临时封闭；（3）对变形过大部位，施作8米长预应力长锚杆，预加约7075KN预应力。锚杆尾部与钢架联接，纵向间距与钢架相同，环向间距1米，以抑制初支过大变形；（4）对过大变形部位，实施初支背后及

12、围岩内部小导管注浆，小导管每根长3纵向间距与钢架相同，环向间距1米，加固松弛的围岩。3 隧道偏压段稳定控制的方案建议第一，根据量测资料，下台阶开挖对围岩的二次扰动，会引起上台阶已施作的锚喷支护急剧变形，一般可达23mm/d，个别可达8mm/d，为控制下台阶开挖的影响，下台阶分左右两侧交错开挖，侧开挖长度控制在0.50.8m以内，开挖后及时施作锚喷支护，减少对上台阶的扰动，同时下台阶的钢架基础不得悬空，对于基础超挖部分用与喷锚混凝土同等级的混凝土填充。第二，控制爆破振动速度，按量测资料，左、右洞开挖爆破影响显著，左洞开挖引起右洞变形迅速增大，口变形速率可达9.11mm/d。为减少开挖对隧道围岩的

13、扰动，抑制松动圈的扩大，提高围岩的自承能力，应减少炮眼间距，减少一次装药量，并减少循环进尺，应控制爆破振动速度。第三，采用光面爆破，多布置周边眼，减少超挖量，使初喷混凝土与钢架尽量密贴，使钢架均匀受力减少钢架的应力集中。第四，对于左右洞施工的先后顺序，不论先施工左洞还是右洞，最终两洞的围岩变形或是围岩应力相差不大。调整左右洞施工顺序，左洞超前右洞不小于50m，以减少两洞间爆破振动的影响，改善右洞受力。第五，针对隧道围岩特点，隧道开挖后，如锚喷支护不及时施作，围岩将会很快变形松动，使得围岩松动圈快速变大，围岩压力急剧增加，围岩自承能力显著降低，此时再上锚喷支护，支护强度需很大才能抵抗围岩的变形。为此，锚喷支护应在开挖后及时施作并封闭，防止围岩过大变形而降低围岩的强度及自承能力。第六，改善施工工艺，施工台车应以保证长锚杆的施作重新制作。提高锚杆施作质量，锚杆设置方向应尽量径向，尾端加设垫板；钢架应尽量与初喷面密贴，空隙处应用混泥土楔紧，钢架背后不应有空洞。喷砼采用湿喷工艺。第七，对于洞口段埋深较浅，隧道洞