高地应力软弱围岩挤压型变形

1、高地应力软弱围岩挤压型变形中铁西南院 王建宇 2015-1-7跨度为10 m 断层带 径向位移100cm（印度）拆换 扩挖跨度16 m 木栅隧道乌鞘岭隧道最大埋深1100m地段水平收敛最大值 cm部位F4影响带32.4墙腰千枚岩93.2拱腰板岩47.4拱腰F7右线71.6拱腰F7左线120.9拱腰围岩“大变形”的不同类型类型机理条件变形特征围岩压力松散型松散、离层支护刚度不足支护施作不及时支护和围岩不紧贴变形突发性位移速率递增松散压力膨胀型体积膨胀膨胀性矿物地下水变形无明显的优势部位和方向底鼓形变压力（swelling pressure）挤压型 剪切滑移高地应力软弱围岩变形有明显的优势部位和方

2、向一般边墙收敛较大形变压力（Genuine pressure）松散型变形跳跃型安全 警戒 坍塌向上反弯挤压性围岩定义ISRM Barla 1995剪切滑移 量级 时效围岩挤压性的判定 挤压性围岩分级Nc挤压性等级2.0无挤压性挤压性指标 NcJethwa et al. 1984等级fewminorsevereVery severeExtreme severe Nc0.370.220.370.160.220.110.160.11 t (%)10.0Hoek 2000 2因素分级 岩块强度 ci 完整性 vp 岩体强度cm 不能套用隧规围岩分级！ cm的估算mi Hoek-Brown 常数 内摩擦

3、角 岩芯三轴试验或定性描述 Brown 1997GSI 地质强度指数 岩体-岩块差异 Hoek 1998Hoek and MarinosJethwa et al.Singh et al.各种完整岩石常数mi取值块状节理岩体地质强度指数岩体类别（见表2.2.3）取值A 和 B采用砂岩数值C将砂岩数值降低 20% 同粉砂岩全值平均D将砂岩数值降低 40% 同粉砂岩全值平均E将砂岩数值降低 40% 同粉砂岩全值平均F将砂岩数值降低 60% 同粉砂岩全值平均G采用粉砂岩或页岩数值H采用粉砂岩或页岩数值混和岩体 sci和 mi 用加权平均（例如对复理岩）工程措施 加强支护 强支硬顶 型钢钢架（大型号 小

4、间距 纵撑） 超前支护 小导管 管棚 二衬紧跟 消除大变形？ 支护拆换 断面扩挖强支硬顶 不能“消除大变形”0pi=0 =0 pi=0 pipi=f ()0虚拟算例 圆形断面 D=13m H=650m =20kN/m3 m=1.04MPa, =1.0 Nc=m /H=0.08令 e=10cm按Hoek 解， pi/p0=0.24 pi=3.12MPaH175 A=51.43cm2 按每延米2榀，型钢应力 1971.6MPa实际屈服强度235MPa荒唐的结论：每延米17榀?！Hoek 解目标（安全 质量） 消除变形？ 控制变形 （变形速率衰竭） 支护不拆换 断面不扩挖 衬砌不留后患关键措施1.可

5、让型支护2.预留变形量3.二衬合理施作时机General report on conventional tunnelling method ITA report 002 April 20091.可让型支护可缩性钢架U型钢国产U型钢Inntal 隧道12756m可让性支护原理pypy-滑动抗力D=10 H=400m argillaceous rock py=0.6MPa(滑移抗力）控制流变时效W.Wittke算例连续介质假定? 溃散，坍塌可让性弱支护可让性自由释放先柔后刚U型钢钢架关键参数Ny Ny 接头滑动抗力 随机发生的松散压力荷载 ps=(0.51.0)D 滑移量 根据预测的变形量设置 k

6、1U型钢可缩性钢架参数计算E=1.5GPa =0.4 c =0.18MPa =27H=400m =20 kN/m3=0.667 250km/h客专双线断面支护情况滑让位移(cm)最终位移(cm)最大显现位移(cm)钢架最大应力(MPa)钢架总收缩量（cm）拱顶边墙拱顶边墙无支护6065.82U2924.638.425.538.829.1290182接头计算 接头轴向力 N=pl0.5D10.5=591kN松散压力荷载2U29 max=290MPae=29.1cm滑移收缩总量=182cm；接头承载力600kN，据此设定卡缆紧固力可缩性构件LSC蜂窝式其实，可让式支护理念并不新鲜！from Hei

7、se & Herbst 1913！可缩型接头1932 Toussaint-Heintzmann.G.Anagnostou andL.Gantieni. Design and analysis of yielding support in squeezing ground(C)./Proc 11th ISRM congress. Lisbon :July9-13,2007.恒阻大变形支护性能国内外对比0204060801201401600255075100125150175200225250275300325350375400425位移(mm)拉力(kN)450475500普通锚杆加拿大MCB3

8、3型Conebolt新型恒阻 大变形锚杆澳大利亚Roofex锚杆郭志飚 2011喷射混凝土滑移套砂浆滑移前滑移后自由段 耐久性问题？纤维喷混凝土钢纤维合成纤维纤维混凝土结构技术规程CECS 38:2004阻裂性能 防止收缩 密实度 耐久性裂后韧性 吸收变形脆性材料韧性材料 软弱围岩支护 挤压型大变形 岩爆防范工例 按可让性原则处治Gotthard Base Tunnel Sedrun工区1.1km 强烈挤压性 径向 掌子面圆形断面预留变形量 70cm2TH44（U型钢）可缩性钢架12m的径向锚杆掌子面锚杆18m，每6m打设一次；钢架接头滑移到位（距掌子面75m），用喷混凝土覆盖滑让段内视情况补

9、充支护监测径向位移 最大75cm 平均2030cm,日本 北陆新干线 饭山隧道 泥岩支护组分锚杆钢架纤维喷混凝土模注混凝土注支护1H20025cm支护2H12512.5cm仰拱1H20025cm距开挖面2.0m仰拱225cm 早强，掺纤维距开挖面3.5D二衬30cm多层支护（先柔后刚）仰拱先行（衬砌结构后闭合）仰拱先行北陆新干线 饭山隧道 挤压型变形段泥岩 H=200m第一层仰拱25cm 纤维喷射混凝土+H200型钢 距开挖面仅2.0m 每施工环节长4.0m 第二层仰拱25cm早强模注纤维混凝土距掌子面3.5D（D为隧道直径）塑性区位置（自重应力） E=1.5GPa，c=0.18MPa，=27

10、=20 kN/m3，=0.4，=0.667，H=300m，半径5mp00.67p0塑性区位置素描图模型试验N.Barton铁科院西南所D.U.Deere变形的优势方向：水平方向边墙曲率2. 最终变形量预估 预留变形量计算分析Hoek（2000） 轴对称FEM解析解 Duncan Fama (1993),Carranza-Torres and Fairhurst (1999)pi=0pi=?等级 Nc0.50.250.250.158乌鞘岭特长铁路隧道修建技术P146 西南交大出版社 2006资料源自Venezula ， India ，中国台湾共16座隧道统计分析等级fewminorsevereV

11、ery severeExtreme severe Nc0.370.370.220.220.160.160.110.11 (%)10.0乌鞘岭隧道Hoek （2000） 数据采集 手段 监控量测技术 监测数据的判释和反馈 反分析技术 力学行为 材料和环境参数 经验方法 数据处理 准则和阈值 着力在监测数据判释上有所突破 实用化的判释系统监测自动化？ 采集-传输-预警 实时，在线，可视 传感器工作环境 监测对象的不确定性位移量测判释目标1.围岩稳定性评估 坍塌预警2.最终变形量预测 净空变化 3.变形速率衰减 变形时效 二衬形变压力 耐久性显现位移最终值预测 回归曲线双向外延 um=A 逸失位移的

12、补足 曲线向左外延 分步开挖 全断面形成处埋设测点Nck0.080.94 0.1290.67 0.2070.67 0.3670.60 水平位移k值的选取拱顶沉降k=0.9 刘志强回归函数的选择Panet-2式Panet-1式1.连续介质数值解对应2.水平渐近线 位移最终值 A=um3.外延性 逸失位移双曲线回归函数函数 Panet-1 Panet-2 双曲线表达式最终位移um A A 1/B uup变形衰减 时间 tsH=196m，炭质板岩 极破碎Is(50)=0.95MPami=4，GSI=12,工例大沟庄斜井6+60回归函数数据当前实测位移回归系数最终位移预测AB SD up*P-210d508.72696.350.108434.999018d538.56611.910.138232.598558d572.06588.220.152430.610103.二次衬砌施作 合理时机二次衬砌合理施作时机变形速率及其衰减挤压性地层二次衬砌施作时机（仰拱先行） 增设锚杆： 位移速率10mm/d 10d总位移d10150mm埋深 最大800m岩性 云母片岩 长石结晶片麻岩千枚岩化及糜棱岩化云母片麻岩变形量级 平均收敛 300mm 最大 540mmArlberg 隧道 13.97