张鹏忠:高地应力软岩隧道塌方成因和治理措施分析 DOI:10.13379/j.issn.1003—8825.2015.03.37 ・167・ 高地应力软岩隧道塌方成因和治理措施分析 张鹏忠 (中铁十八局集团有限公司第四工程有限公司,天津300480) 摘要:基于某新建高地应力软岩铁路隧道工程,运用MIDAS GTS与ANSYS有限元软件,对 二台阶三部开挖法的应力与变形特点进行了分析。结果表明:初支与二衬施作的时间间隔、循环进 尺的长度、上下台阶的距离的合理选择是保证高地应力软岩隧道安全施工的重要因素。高地应力软 岩隧道的二衬不仅作为对初支的加强和安全储备,且承受软岩的流变压力,流变压力在二衬施做的 初期增长迅速,后期变缓趋于平稳。二台阶三部开挖工法施工中,应注意右下台阶的开挖稳定、合 理的循环进尺及台阶距离能够保证高地应力软岩隧道的施工安全。 关键词-软岩隧道;二台阶三部法;高地应力;措施;数值模拟 中图分类号:U458.3 文献标志码:A 文章编号-1003—8825(2015)03—0167—05 0 引言 进行了总结和分析,认为围岩自身属性及地下水对 塌方的影响最大,并按塌方发生部位对塌方灾害进 行了系统分类。 我国幅员辽阔,地形地质条件复杂。随着西部 大开发战略的实施,西部山区隧道的施工建设大幅 度增加。西部地区的黄土地貌、软弱围岩、高地应 力等不良地质条件,使隧道的安全施工增加了一定 本文依托某高地应力软岩隧道工程,运用数值 模拟分析方法,对塌方原因进行了分析,提出了相 关的处理措施,并对二台阶三部开挖法的应力与变 形特点进行了探讨,以期为预防高地应力软岩隧道 的难度。此类围岩洞身施工中,面临最大的问题就 是塌方。软岩隧道塌方的原因,主要与地下水、围 岩地质、施工情况等因素有关系 。但针对不同的 软岩隧道,其塌方原因又各有差异。 前人结合实际工程对塌方的处理方法作了大量 的探讨,提出了“小塌清,大塌穿,治塌先治水” 的原则。针对塌方量大小,塌方的类型等,提出了 管棚处理法、注浆法、典型开挖法、二次衬砌法及 的塌方事故,安全施工提供参考。 1工程概况 1.1隧道塌方情况 某隧道跨度为12.5 m,塌方段埋深250—350 m,根据《公路隧道设计规范》(JTG D70--2004) 对高初始应力地区围岩的判断标准:当围岩单轴饱 和抗压强度R 与最大水平主应力 的比值小于4 时(R。/Or <4)属于极高地应力围岩;R…/o" =4 ~回填法等处理方案。何晓东等 对软岩隧道围岩稳 定性与塌方的处治措施进行了分析。刘朝辉等 结 合龙潭湾隧道YK19+413~+430段塌方实例,对大 断面软岩隧道的链式塌方采取了以紧急加固为主的 7时属于高地应力围岩 。本隧道高地应力段 处理方案。冯俊琪 对包西铁路某隧道发生塌方的 为:ZK605+860~ZK606+160段,R /Or =5.6 ~浅埋沟壑地段进行了数值模拟分析,着重从地貌变 化的角度阐述了隧道塌方的成因,认为深切地带为 塌方危险地带。孙志峰 以铁营隧道塌方处理为例, 介绍了大管棚注浆结合小导管注浆进行软岩隧道塌 方段施工的方法。王迎超 对山岭隧道的塌方机制 收稿日期:2014—12—10 9.4,局部存在高地应力;ZK605+160一ZK606 +390段,R /Or =3.5~7.0,局部存在极高地应 力;ZK606+390~ZK607+120段,R一/Or=2.2 3.3,存在极高地应力。塌方段为DK607+108~ +116,洞身附近最大水平主应力在16 MPa以上。 ~在初期支护29天后,二衬还未施作情况下出现塌 作者简介:张鹏忠(1982一),男,河北涿州人。工程师,主要从 事岩土工程、地下工程等领域的科研工作。E—mail: 94794023@qq.com。 方。塌方位于结构面组合处,塌腔开口长度8 m, 深度约8 m,塌腔左右侧壁由贯通节理面构成。塌 腔示意,见图1。 Subgrade Engineering 路基工程 2015年第3期(总第180期) 图1塌腔示意(单位:Il1) 1.2 工程地质及水文条件 隧址属于构造侵蚀中低山及溶蚀峰丛中低山地 貌,地层岩性主要为青灰到黑色中厚层一薄层状炭 质板岩及中厚层状板岩,岩体节理发育、角度不整 合明显。隧址处的地下水主要为第四系孔隙性潜水、 基岩裂隙水、碳酸盐岩溶裂隙水。由于不整合面胶 结性差,局部的基岩裂隙水对隧道围岩稳定性有一 定的影响。 在塌方段和变形段,隧道穿过地层为中强风化 黑色薄层炭质板岩,炭化有机质含量很高。炭质板 岩为极软岩,手可掰碎。岩层倾向约230。,倾角约 4O。,层理明显,主要发育一组走向与隧道轴向基本 一致的剪节理。隧道围岩整体稳定性差。塌方段工 程地质剖面,见图2。从地面往下,各岩层分别为板 岩、炭质板岩。 /c / / // ,/ /,/,/,/,/,/,/,/,/,/,/,/,/,/,/,/,/ 图2塌方段地质剖面 2隧道塌方成因分析 2.1工程地质与设计因素 由图2可知,塌方段和变形段隧道穿过地层为 板岩夹中厚层炭质板岩,由于炭质板岩较为软弱, 且塌方段节理发育,存在基岩裂隙水。原设计为Ⅲ 级围岩,初期支护采用15 cm厚早强喷射混凝土, 且布设4)22 mm、长3 in的水泥砂浆锚杆,问距为 100 cm X 100 cm;二衬采用50 cm的C30钢筋混凝 土衬砌。施工中发现实际地质条件与设计不符,故 将支护参数进行调整,增加了I 18型钢拱架(间距 1 in)。在增加单层拱架的情况下仍然发生了塌方, 说明增加单层的I 18型钢拱架的修改设计仍不能对 围岩提供有效的支护。 2.2埋深及高地应力因素 隧道除有塌方破坏外,左右拱肩及拱腰向内侧 挤出变形严重。原因是隧道的围岩属于软岩,且隧 道处于极高地应力状态下,水平主应力在10 MPa以 上,应力的释放过程伴随着大量变形的产生,最后 导致塌方。 2.3初支与二次衬砌施作的时间间隔因素 塌方是在初支施作29天后,二衬、仰拱施作前 发生的。在深埋软岩隧道施工过程中,为保持洞室 稳定和隧道净空限界,二次衬砌应在施工条件允许 的情况下迎头紧跟,限制软弱围岩挤入而增大变形。 这样,二次支护结构的作用不仅是对围岩和初期支 护起到保护和补强作用,而且还可承受来自围岩的 流变压力 。 2.4循环进尺的长度与上下台阶距离的因素 施工采用二台阶三部开挖法。施工中,上台阶 每循环进尺为3榀拱架,与靠近掌子面一侧下台阶 问距控制在40 1TI以内。下台阶每循环进尺为4榀拱 架,左、右下台阶间距不大于20 m。按照《关于进 一步明确软弱围岩及不良地质铁路隧道设计施工有 关技术规定的通知》(铁建设[2010]120号)文件 规定,软弱围岩隧道Ⅳ,V,Ⅵ级地段采用台阶法 施工时,上台阶每循环开挖支护进尺V、Ⅵ级围岩 不应大于1榀钢架间距,边墙每循环开挖支护进尺 不得大于2榀。因此,过大的循环进尺,过长的上 下台阶距离、初支不能及时封闭成环都是导致隧道 发生塌方的原因。 3隧道塌方治理措施 本隧道的塌方高度为8 m,塌方量较大,地下 水涌出不明显。因此,应首先加固未塌方段,防止 塌方加大。根据文献[1],塌方超过8 m时,选择空 洞法处理软岩塌方是较为经济合理的。 塌方后,对施工方案进行了变更,变更后的治 理措施为:初支采用双层钢拱架I20a,间距75 cm, 喷射混凝土厚度为26 cm;二衬采用50 cm厚模筑混 凝土。初期支护为主要承载结构,模筑混凝土的二 次衬砌作为安全储备。为寻求合理的循环进尺长度 及台阶距离,论证变更措施的安全可行性,对变更 方案进行了数值模拟分析。 3.1模型的建立及参数选取 本文数值模型的建立运用MIDAS GTS有限元分 析软件,围岩采用实体单元,材料按摩尔一库伦本 构模型处理;喷射混凝土及钢拱架采用梁单元,材 料按弹性模型;通过调整水平侧压力系数的方法模 张鹏忠:高地应力软岩隧道塌方成因和治理措施分析 ・169・ 3.2模型边界条件及荷载 计算模型中,隧道的跨度、衬砌与拱架的几何 尺寸均与实际工况一致,上覆土厚度取35.0 m,由 于隧道实际埋深为250.0~350.0 m,故在竖直方向 施加3.6 MPa的均布荷载。左右边界及下边界距隧 道的距离取洞径的5倍,为62.5 m。边界条件为: 下边界施加 ,Y,z的3个方向位移约束,四周围岩 外边界为垂直围岩法向约束,上边界为荷载自由边 界。模型网格划分,见图3。 z 图3模型网格划分示意 3.3结果分析 数值模型计算结果提取点,见图4。分别取拱 顶,左拱腰,右拱腰,仰拱底4个点,从位移、轴 力弯矩、安全系数、塑性区等方面分别展开讨论。 棋顶 左拱腰 右拱腰 仰拱底 图4数据提取点 3.3.1位移 施工方案变更后选择的合理台阶距离,分别为 7.50 m(10榀)、11.25 m(15榀)、15.00 m(20榀)、 20.25 m(27榀)、30.00 m(40榀)、39.75 m(53榀)共 6种长度,上台阶每循环开挖支护进尺为1榀,下台 阶为2榀,左右台阶错开长度为6.75 m。 上下台阶距离对隧道拱顶变形的影响,见图5。 上下台阶距离d/m (a)拱顶最大位移与上下台阶距离关系曲线 } 匠 天数 0 罐 d=7.50m 十d=15.o0m d_20.25m —*一d=30.o0m d=40.o0ITI (b)拱顶位移随时f司的变化曲线 图5上下台阶距离对拱顶变形的影响 由图5可知:随着上下台阶间距离的增大,隧 道拱顶的竖向位移也逐渐增加,最后趋于平稳。但 当上下台阶的距离小于15.00 m时,上下台阶的距 离d对拱顶竖向位移影响较小,当d=7.50,11.25, 15.00 m时的位移最大值为分别4.50,4.60,4.70 cm。当台阶距离超过2O.00 m后位移值迅速增大, 上下台阶距离为4O.00 m时,拱顶最大位移达到 12.60 cm。由此可知,合理的上下台阶距离对保证 隧道施工安全,防止塌方有着非常重要的作用。 上下台阶距离对拱腰变形的影响,见图6。由 图6可知:左拱腰的水平位移小于右拱腰的水平位 移,且随着上下台阶距离的增大而增大。分析其原 因,首先是由于左侧的先期开挖对右侧的围岩的扰 动作用,其次是由于左侧围岩的开挖使得右侧围岩 临空面增大,围岩应力得到释放,因此位移随之增 大。左侧围岩开挖后的及时支护使得变形得到有效 控制,因此右拱腰位移大于左拱腰位移 。为探究 下台阶左右台阶错开距离对隧道拱腰变形的影响, 分别建立了左右台阶错开距离分别为4.50 m(6榀)、 6.75 m(9榀)、11.25 m(15榀)、15.75m(21榀)共 5种长度,上台阶每循环开挖支护进尺为1榀,下台 张鹏忠:高地应力软岩隧道塌方成因和治理措施分析 成后,塑性区最大值出现在右下台阶。此时,应注 意右下台阶溜坍发生的可能性… 。 4结论 参考文献(References): [1]何晓东.软岩隧道围岩稳定性与塌方处治措施分析[D].西安:长安大 学,2009. [2]刘朝辉,徐慧,黄国俊,等.大断面软岩隧道链式塌方成因探究及整治 通过对某高地应力软岩隧道塌方成因和治理分 析,可得结论如下: 措施[J].铁道建筑,2012(12):51—53. [3]冯俊琪.深切地形软弱围岩隧道塌方原因研究[D].西安:长安大 学,2012. (1)初支与二次衬砌施作的时间间隔、支护结 构能否及时封闭成环与高地应力软岩隧道的塌方紧 密相关。对于深埋软岩隧道,二次衬砌“迎头紧 跟”是控制软岩挤人大变形的重要手段。因此,在 [4]孙志峰.大管棚注浆预支护通过软岩隧道塌方段[J].河北交通科技, 2006,3(3):52—55. Sun Z F.Passing through tunnel collapse area with large scale piperoof pre— suppo ̄technology[J].Hebei Jiaotong Science and Technology,2006,3 (3):52—55. 选择二台阶法施工时,台阶的长度和循环进尺的长 度决定了支护结构能否及时封闭成环。通过本文的 分析计算,上下台阶距离d<15.00 m,左右台阶错 开距离为f=11.25 m时隧道的变形最小。 (2)高地应力软岩隧道的二次衬砌不仅只是作 [5]王迎超.山岭隧道塌方机制及防灾方法[D].杭州:浙江大学,2010. [6]JTG D70--2004公路隧道设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004. [7]赵旭峰,王春苗,孔祥利.深部软岩隧道施工性态时空效应分析[J]. 岩石力学与工程学报,2007,26(2):404—409. Zhao X F,Wang C M,Kong X L.Analysis of time—space effects of construction behavior of deep soft rock tunnel[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2007,26(2):404—409. 为安全储备,是初支的加强,且承受软岩的流变压 力。流变压力在二衬施作的初期增长迅速,后期增 长变缓趋于平稳。 (3)二台阶三部开挖法施工中,左拱腰的水平变 形小于右拱腰的水平变形,且左下台阶开挖完成后的塑 性区最大值出现在右下台阶未开挖处。因此,在高地应 [8]席俊杰,李德武.纸坊隧道三台阶与两台阶开挖数值模拟对比分析 [J].隧道建设,2010,30(2):147—150. Xi J J.Li D W.Comparative analysis on numerical simulations of three— bench excavation method and two—bench excavation method:c ̄tse study on Zhi ̄ng Tunnel[J].Tunnel Construction,2010,30(2):147—150. [9]陈景涛,朱进明,苏国韶.高地应力下地下洞室群开挖过程的数值模拟 力软岩隧道施工时,应注意右下台阶发生溜坍的可能。 (4)对高地应力软岩隧道塌方发生后,应及时 根据围岩的变化变更合理的支护措施。本例中选择 以双层钢拱架I20a作初支,以50 cm厚模筑混凝土 为二衬支护,并结合二台阶三部开挖法选取合理循 环进尺及台阶距离等措施,在高地应力软岩隧道的 施工中是安全可行的。 [J].华中科技大学学报:城市科学版,2009,26(4):5—9. Chen J T.Zhu J M.Su G S.Numerical simulation for excavation of underground caveifls under high geostress conditions[J].Journal of Huazhong University of Science and Technology:Urban Science Edition, 2009,26(4):5—9. [10]姚庆龙.高地应力公路隧道施工围岩稳定性研究[D].长沙:长沙理 工大学,2012. [11]范广勤,张千里.高地应力下地下工程围岩稳定的趋向和判据[C]∥ 第17届全国结构工程学术会议论文集,2008:242—247. On Collapse Causes of Soft Rock Tunnel with High Geostress and the Control Measures ZHANG Pengzhong (China Railway 18th Bureau Group No.4 Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300480,China) Abstract:In relation to a new railway tunnel project in soft rock with high geostress,this paper analyzed the stress and deformation characteristics in two—bench three—step excavation with Midas GTS and ANSYS software. The results show that,proper selection of the time interval of initial supporting and secondary lining,the length of advance per round and the distance between the upper and lower bench,is important to guarantee the safe construction of soft rock tunnel with high geostress.The secondary lining herein,as the further reinforcement to the initial supporting and the safety margin,suffers from the soft rock’s rheological pressure which will increase rapidly at the beginning of the construction of secondary lining,then slow down and tend to be steady later.In the two.bench three.step excavation.the attention should be paid to stable excavation of the lower right bench,with the aid of proper advance per round and bench distance,may guarantee the safety in constuctiron of soft rock tunne1 with hi【gh geostress. Key words:soft rock tunnel;two—bench three—step excavation method;high geostress;measures;numerical simulation