软岩隧道围岩变形力学特征及其控制技术研究

１５４　西部探矿工程　２０１４年第２期　・隧道与建设工程・　软岩隧道围岩变形力学特征及其控制技术研究　张帅军　，胡明研　，陈峰宾　（１．中铁隧道集团科研所，河南洛阳４７１００９；２．中隧设计院，天津３００１３３；　３．北京交通大学隧道及地下工程教育部试验研究中心，北京１０００４４）　摘弘　如∞　∞　∞　∞要：随着铁路、公路隧道的不断发展，穿越高地应力的隧道也不断出现，研究探讨高地应力条件　下软岩隧道的变形力学特征及其控制技术有重要的现实意义。以乌鞘岭隧道深层地段围岩产生大　变形的特点，结合乌鞘岭隧道岭脊地段千枚岩地层的设计施工，在现场选择一试验段，对初支内力、　初支和围岩接触压力和边墙收敛进行现场试验，通过实验数据分析总结了高地应力条件下软岩隧道　围岩的变形力学特征，并提出其相应的控制技术，为以后类４￣＿ｖ－－程的设计施工，提供参考。　关键词：高地应力；围岩变形力学特征；现场实验；控制技术　中图分类号：Ｕ４５１．２文献标识码：Ａ文章编号：１００４—５７１６（２０１４）０２—０１５４—０５　随着我国铁路、公路建设的高速发展，近些年，穿越　高地应力的软岩隧道也不断出现。然而，目前国内外学　者还不能完全对高地应力条件下软岩隧道大变形特征　做出合理的解释。因此，高地应力条件下软岩隧道大变　形的若干问题引起了国内外学者的广泛关注。除国外　取得了从早期的太沙基理论到主动支护的新奥法　］，中　国学者也取得了一系列研究成果。１９８１年于学馥等提　出了“轴变论”理论　２　；陆家梁、冯豫等提出了的联合支护　理论　；孙钧、郑雨天等提出了锚喷弧板支护理论嘲；董方　庭提出了松动圈理论阻　；方祖烈提出了主次承载区支护　理论　；何满潮运用工程地质学和现代大变形力学相结　合的方法提出了软弱围岩工程力学支护理　，在这　些软岩难题攻关中，取得了良好的技术经济效益。　１工程概况　乌鞘岭隧道９　斗井所属的Ｆ　断层带宽约８００ｍ，断层　上盘为志留系千枚岩夹板岩，下盘为三叠系砂岩夹页岩、　泥岩等，原岩成分混杂，有千枚岩、板岩、砂岩、页岩、泥岩　等。围岩受挤压现象明显，次生结构面发育，断层带岩体　软弱、破碎、潮湿，胶结程度较差，呈散体状结构，属Ｖ一　Ⅵ级围岩和高地应力区。Ｆ　、Ｆ　断层之间千枚岩夹板岩　地段长约３０００ｍ，岩质软弱，受构造影响严重，节理裂隙　发育，岩体破碎，且有囊状、窝状地下水，属Ｖ一Ⅵ级围岩　和高地应力区。乌鞘岭地质断面图如图１所示。　２高地应力下软岩隧道围岩力学特征　ＤＫｌ　７５＋０００　ＤＫ１　７３＋０００　图１乌鞘岭隧道地质纵断面图　２．１　围岩大变形力学特性分析　正洞千枚岩地层ＹＤＫ１７５＋１９０处布置一个监测断面，进　行初支及围岩压力监测，测点布置如图２、图３所示。　为了分析乌鞘岭隧道岭脊段千枚岩挤压大变形的　机理，掌握围岩变形力学特征，确定在较复杂地应力条　件下初支的安全性与稳定性，在乌鞘岭隧道９　斜井工区　收稿日期：２０１３—０５—１７修回日期：２０１３—０５－２１　监测断面外、内侧各钢筋应力计受力变化时态曲　线如图４、５所示。　第一作者简介：张帅军（１９７７一），男（汉族），河南临颖人，高级工程师，现从事隧道及地下工程科研工作。　１５６　西部探矿工程　２０１４年第２期　－３７．４８０　－３６．１７３　图６　ＹＤＫ１７５＋１９０初支断面钢拱架　外侧应力分布图（单位：ＭＰａ）　图７　ＹＤＫ１７５＋１９０初支断面钢拱架　内侧应力分布图（单位：ＭＰａ）　初支与围岩间接触压力变化时程如图８所示。　初支与围岩间接触压力在断面上分布如图９所示。　断面和仰拱围岩接触压力受施工工序的影响比较明　显，当上半断面开挖时，围岩压力上升幅度较大；随着　下半断面和抑拱施工，上半断面和仰拱处的围岩压力　不是成倍数关系变化，这可能是初支成环支护后围岩　压力重新分布和调整的结果。　—初支所受围岩压力分析：　根据监测数据，压力最大处基本上位于上半断面　和仰拱处，下半断面和两侧边墙围岩压力较小。上半　◆－Ｔｌ（１２８　）　—ａ—Ｔ２（１４８　）　Ｔ３（１２２＃）　—１　—＊－Ｔ４（１　８６　—蒜一Ｔ５（１４７　）　卜　（１５７　）　——十一Ｔ７（１２４　）　———一Ｔｄ　１３８　、　时间　图８　ＹＤＫＩ７５＋１９０初支与围岩接触压力变化时程曲线　在下半断面通过主监测断面之前，同岩对上半断　面初支结构的接触压力上升幅度是较大的，表明千枚　岩在开挖初期具有变形速率大的特征，在开挖初期及　时施做较强的支护。　３高地应力下隧道围岩变形特征分析　为了分析乌鞘岭隧道千枚岩大变形的机理和变形　特征，在乌鞘岭隧道ＹＤＫ１７５＋４０５～ＹＤＫ１７５＋４３５处　布置７个监测断面。边墙收敛量测结果：各测线历时曲　线如图ｌ０所示。　锚索施做后，边墙收敛速度有较大幅度下降，可控　ｏ．８８１　制在２０ｍｍ／ｄ左右，收敛速度是未施做时的１／３，锚索　使得隧道侧边墙收敛速度在开挖仰拱时无明显的上　图９　ＹＤＫ１７５＋Ｉ９０初与二衬间压力分布图（单位：ＭＰａ）　２０１４年第２期　西部探矿工程　１５７　升。千枚岩夹板岩地段的围岩大变形属于深埋高地应　时间的推移而逐渐减小的现象。　力条件下的松弛一挤压型变形，如　深埋、松弛和挤入产生４高地应力下软岩隧道大变形控制技术　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　０　Ｏ　Ｏ　Ｏ　０　０　Ｏ　了变形，因而出现变形量大，且变形速率初期大，随着加　如　加　４．１千枚岩大变形地段原设计破坏特征　ｇ　趔　搔　卜　＿一　ｍ　卜　＿＿　ｎ　卜　一　寸　。。　０　寸　∞　０　下　甲　Ｔ　Ｔ　Ｔ　Ｔ　Ｔ　叩　甲　甲　甲　甲　Ｔ　下　下　下　Ｔ　ｇ　譬　ｇ　譬　ｇ　ｇ　ｇ　譬　舍　ｇ　舍　ｇ　ｇ　罟　罟罟罟答罟善翟罟罟　暑　时间　图１　０第一实验段侧边墙各收敛测线变形历时曲线　原设计以１２０工字钢及柔性网构钢拱架为主要骨　道拱脚处临时架设的水横向钢管支撑亦全部压弯。　架的初支结构，但支护效果均不佳，一般在仰拱施工完　４．２岭脊段千枚岩地层中支护系统的选择　毕后，位于拱部或拱腰处拱架即发生扭曲，个别地段甚至　结合９　斜井工区施工，通过对乌鞘岭岭脊段千枚　发生折断；拱架不仅发生垂直方向的扭曲，亦发生水平方　岩大变形机理进行分析和现场试验，千枚岩大变形地　向的扭曲；拱部的喷射混凝土产生龟裂并大块剥落；在隧　段调整后的支护参数如表１所示。　表１千枚岩含量较大地段支护参数　钢支撑　全断面Ｈ１７５型钢，间距６７ｃｍ　超前支护　上断面部￣４２ｍｍ超前小导管预注浆，排管间距＠＝２５ｃｍ，长度４００ｃｍ　喷混凝土　Ｃ２０钢纤维喷射混凝土，厚度２５ｃｍ　系统锚杆　ｊｚ『３２ｍｍ管式注浆锚杆，间距８０ｃｍｘＳ０ｃｍ拱部长度４００ｃｍ，边墙长度６００ｃｍ　锁脚锚杆　３２ｍｍ管式注浆锚杆，上断面８根长度４００ｃｍ，下断面４根长度６００ｃｍ　预应力锚索　１５．２ｍ　钢绞线，４根／榀，环向间距Ｏ．８ｍ，６ｍ长　与原设计使用１２０工字钢相比，使用Ｈ１７５型钢，初支　速率大的特征，需要在开挖初期及时提供较强的支护；　结构受力要更均匀一些，边墙收敛变形更加平缓，有利于　（３）在隧道施工过程中，初支与围岩的接触压力呈　减少隧道喷射混凝土裂纹的产生。通过现场施工，采用以　上升或下降趋势。当隧道开挖时，其所测得和围岩压　上支护参数后，９　斜井工区在后续施工中进展顺利，加快　力下降，当初支闭合成环后，初支与围岩的接触压力又　了施工进度，同时确保了隧道初支结构的安全与稳定。　开始上升，然后基本趋于稳定；　５主要结论　（４）高地应力条件下，千枚岩夹板岩地段隧道围岩　（１）上半断面和抑拱处的初支和围岩接触压力是　大变形属于深埋下的松弛一挤压型变形，变形量大，且　下半断面和两侧边墙初支和围岩接触压力的８倍，这可　变形速率初期大，随着时间的推移而逐渐减小的现象；　能是初支上半断面破坏程度大于下半断面的主要原因；　（５）在围岩大变形段，锚索对边墙的锚固作用，使　（２）上半断面和仰拱围岩接触压力受施工工序的影　得边墙收敛速度有较大幅度下降。特别是因锚索的作　响比较明显，在隧道施工过程中，围岩对初支与围岩的接　用，使得隧道侧边墙收敛速度在开挖仰拱时无明显的　触压力上升幅度较大，表明千枚岩在开挖初期具有变形　Ｅ升。　１５８　西部探矿工程　２０１４年第２期　参考文献：　（１．Ｓｃｉｅｎｔｉｉｆｃ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｇｒｏｕｐ，Ｌｕｏｙａｎｇ　Ｈｅｎａｎ　４７１００９，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｔｕｎｎｅｌ　【１］李福勇．新奥法在软岩大跨隧道施工中应用技术探讨【Ｊ１．山　西建筑，２００９，３５（７）：３４３—３４４．　Ｓｕｒｖｅｙ＆Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００１３３，Ｃｈｉｎａ；３．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａ—　［２】　于学馥，乔端．轴变论和围岩稳定轴比三规律『Ｊ１．有色金属，　１９８１（８）．　ｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｆ　ｏＴｕｎｎｅｌ　ａｎｄ　Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　ｌ０００４４，Ｃｈｉｎａ）　［３】晏玉书．我国煤矿软岩巷道围岩控制技术现状及发展趋势　【Ｍ】．中国矿业大学出版社，１９９６．　【４］宋宏伟，郭志宏，等．围岩松动圈巷道支护理论的基本观点　［Ｊ】．建井技术，１９９１（４５）．　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｌｏｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｒａｉｌｗａｙ　ｔｕｎｎｅｌ　ａｎｄ　ｒｏａｄ　ｔｕｎｎｅｌ，ｔｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｍｏｒｅ　ｔｕｎｎｅｌｓ　ｃｒｏｓｓｉｎｇ　ｉｎ　ｈｉｇｈ　ｇｒｏｕｎｄ　ｓｔｒｅｓｓ　ｓｔｒａｔａ．　Ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｓｏｆｔ　ｒｏｃｋ　ｔｕｎｎｅｌ　【５］何满潮．软岩变形机制分类与支护对策［Ｊ］．广西煤炭，１９９２（２）．　［６］方祖烈．拉压域特征及主次承载区的维护理论（世纪之交软　岩工程技术现状与展望）【Ｍ】．煤炭工业出版社，１９９９：４８—５１．　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｕｎｄｅｒ　ｈｉｇｈ　ｇｒｏｕｎｄ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｄｏ　ｓｈｏｗ　ｉｔｓ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｓ．Ｆｏｃｕｓｉｎｇ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍｍｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓ—　ｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｗｕｓｈａｏｌｉｎｇ　ｔｕｎｎｅｌ，ｔｈｅ　ａｕｔｈｏｒｓ　ｃｈｏｏｓｅ　ａｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｅｃ—　ｔｉｏｎ　ｔｏ　ｄｏ　ｉｎ—ｓｉｔｕ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　ｐｒｉｍａｒｙ　ｓｕｐ—　ｐｏｒｔ，ｓｔｒｅｓｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｐｒｉｍａｒｙ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ａｎｄ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ａｎｄ　ｓｉｄｅ　ｗａｌｌ　ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ，ｃｏｍｂｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｗｕｓｈａｏｌｉｎｇ　ｔｕｎｎｅｌ　ｉｎ　ｐｈｙｌｌｉｔｅ　ｓｔｒａｔｕｍ．Ｔｈｅｎ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉ－　ｍｅｎｔａｌ　ｄａｔａ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ　ａｕｔｈｏｒｓ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃ－　ｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｓｏｆｔ　ｒｏｃｋ　ｔｕｎｎｅｌ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｕｎｄｅｒ　ｈｉｇｈ　ｇｒｏｕｎｄ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｒｅｌｅｖａｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｆｏｒ　ｉｔ．Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　Ｃａｎ　【７］何满潮．软岩巷道工程概论［Ｍ】．徐州：中国矿业大学出版社，　１９９３．　【８】董方庭．巷道围岩松动圈支护理论　煤炭学报，１９９７（１）：７－１０．　【９］李庶林，桑玉发．应力控制技术及其应用综述『Ｊ】＿岩土力学　［Ｊ］，１９９７（３）．　【１０］何满潮．软岩工程技术现状与展望（世纪之交软岩工程技　术现状与展望）［Ｍ】．煤炭工业出版社，１９９９：卜９．　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　Ｒｏｃｋ　Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｓｏｆｔ　Ｒｏｃｋ　Ｔｕｎｎｅｌ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｐｒｏｊｅｃｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ　ｇｒｏｕｎｄ　ｓｔｒｅｓｓ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｓｕｒ・　ｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ；ｉｎ—ｓｉｔｕ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ；ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＺＨＡＮＧ　Ｓｈｕａｉ－ｊｕｎ　，ＨＵ　Ｍｉｎｇ—ｙａｎ　，ＣＨＥＮ　Ｆｅｎｇ・ｂｉｎ　（上接第１５３页）　生命财产安全的关心，是国家对地质环境恢复治理政　根据上级主管部门的要求，省、市、县三级国土资　源主管部门均建立了地质灾害气象预警系统，本次工　作充分利用三级国土资源主管部门已有的预警系统，　不再建立单独地质灾害气象预警系统。　应急避险路线执行２００１年１０月河南省地质环境　策的生动体现，社会效益显著。通过治理，固定了治理　段的松散固体物质，防止了水土流失，改善了流域的生　态环境，减轻了该泥石流灾害的威胁，使当地的工作、　学习环境得到极大改善，促使治理区内的地质环境和　居住环境趋于良好，环境效益显著。　参考文献：　监测院、河南省国土资源研究院提交的《河南省卢氏县　地质灾害调查与区划》、《河南省卢氏县地质灾害防灾　预案（建议稿）》中的应急避险路线同。　９结语　［１】河南省城乡规划设计研究院，卢氏县建设环境保护局．卢氏　县城市总体规划说明书（２００２—２０２０）［Ｅ］．２００３．　［２］卢氏县水利电力勘测设计室．东明镇东坪村安置点防洪堤　工程设计书［Ｅ１．２００８．　泥石流地质灾害治理是国家地质环境保护的重要　内容，是社会可持续发展的需要。该工程的实施，可减　轻泥石流地质灾害对居民身心健康危害，保护人民生　命及财产安全，提高居民生存环境质量，有利于实现安　定团结，安居乐业的政治局面，有利于构建和谐社会，　能充分体现党和政府“以人为本”的治国理念，对人民　［３】卢氏县地质矿产局，河南省国土资源科学研究院．卢氏县地　质灾害防治规划【Ｒ１．２００７．　ｆ４】　中国地质调查局．ＤＺ／Ｔ　０２２０—２００６泥石流灾害防治工程勘　察规范『Ｓ１．２００６．　［５】卢氏县人民政府．卢氏县２００９年地质灾害防治方案和卢氏　县突发性地质灾害应急预案ＩＥ］．２００９．