软岩隧道基底病害及工程措施

高地应力软岩隧道基底病害及工程措施*********（中铁二院工程集团有限责任公司，成都610031）摘要:本文依托川藏线上高岩温隧道相关资料，首先调研了现有高地应力的分级，其次针对高地应力围岩条件下软岩隧道基底病害——底臌，总结其变形的机理和原因，归纳了底臌的控制措施，为类似的隧道工程提供参考。关键词：隧道底鼓；变形机理；控制措施中图分类号：文献标识码：Highstresssoftrocktunnelbottomdamageandengineeringmeasures*********(ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCo.Ltd,Chengdu,Sichuan610031,China)Abstract：ThispaperreliesondataofhightemperatureofrocktunnelontheSichuanTibetline.Firstly,theclassificationofhighgroundstressisinvestigated.Thenthehighgeostresstunnelbottomsoftrocksurroundingrockundertheconditionofthedisease--thebottomheave.Summarizingthemechanismandreasonofthedeformationofthefloorheavecontrolmeasuresaresummarized,Thispaperprovidesreferenceforsimilartunnelprojects.Keywords:Drumatthebottomofthetunnel;Deformationmechanism;Thecomprehensivemeasures1.高地应力软岩概述近年来，随着我国交通事业的不断发展，穿越高地应力区软岩隧道越来越多，给我国隧道设计和施工带来了新的挑战。川藏线主要穿越了青藏高原的四条板块缝合带，板块缝合带的不良地质构造会对下穿的隧道造成很大的影响，会产生高温高压地下水（地热）、软岩变形和岩爆风险（高地应力）、活动断裂、斜坡崩滑、泥石流等灾害。其中新都桥~林芝段南线国道318线高尔寺山，工卡拉山，剪子湾山等埋深仅几百米的越岭隧道均出现不同程度的大变形。通过工程类比，由新都桥至理塘越岭深埋隧道多为砂板岩等软质岩，因此存在大变形的风险较北线高。北线共计存在软岩大变形风险隧道7座，南线存在软岩大变形风险的隧道为10座。因此控制高地应力软岩隧道基底的变形成为隧道建设中亟待解决的问题。1.1高地应力分级对于地应力的分级，国内外没有统一的标准，目前主要采用3种方法进行分级[1]。(1)数值法:工程实践中往往将大于20～30MPa的地应力称为高地应力。(2)应力比法:采用水平应力和垂直应力的比值(n)进行分级。n=1～1.5时为一般应力，n=1.5～2时为较高地应力，n2时为高地应力。该方法强调了水平应力的作用。(3)强度应力比法:采用岩石单轴抗压强度和最大水平主应力的比值（maxbR）,沪进行地应力分级，该方法反映了岩体的承压能力。世界部分国家按该方法进行地应力分级结果见表1-1。表1-1世界部分国家地应力分级标准国家、地区及单位强度应力比极高地应力高地应力中等地应力低地应力法国隧协22～44日本应用地质协会22～44前苏联顿巴斯矿区2.22.2～44中国《TB10003-2005铁路隧道设计规范》44～7根据《铁路隧道设计规范》，初始应力评估见表1-2。表1-2初始地应力场评估基准初始地应力状态主要现象评估基准(max/cR)极高应力硬质岩开挖过程中时有岩爆发生，有岩块弹出，洞壁岩体发生剥离“新生裂缝多”成洞性差4软质岩岩芯常有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体有剥离位移，极为显著，甚至发生大位移持续时间长，不易成洞高应力硬质岩开挖过程中，可能出现岩爆，洞壁岩体有剥离和掉块现象，新生裂缝较多，成洞性较差47:软质岩岩芯时有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体位移显著，持续时间较长，成洞性差岩石单轴饱和抗压强度Rc与定性划分的岩石坚硬程度对应关系，见表6-3。表6-3Rc与定性划分的岩石坚硬程度的对应关系Rc/MPa55～1515～3030～6060坚硬程度极软岩软岩较软岩较坚硬岩坚硬岩2.高地应软岩隧道底臌机理和原因2.1底臌的机理在软岩隧道基底变形中，底鼓往往占据了很大一部分，隧道的底鼓容易引起线路的不平顺，危害行车安全。根据围岩岩性将隧道底鼓分为四类：①膨胀性软岩底鼓；②高应力软岩底鼓；③节理化软岩底鼓；④复合型软岩底鼓。每类软岩隧道底鼓的机理和特征见表2-1[2]。表2-1软岩隧道底鼓变形机理及特征软岩类型变形机理变形特征膨胀性软岩遇水发生物理，化学反应塑性挤入、底鼓高应力软岩岩石在高应力作用下变形岩爆、片帮、塑性挤入节理化软岩强度低、完整性差、结构而发育全断而塑性挤入、扩容、掉块复合型软岩高应力-强膨胀复合软岩高应力下加剧围岩膨胀片帮、底鼓、塑性挤入高应力-节理化复合软岩节理、结构而在应力作用下滑移、变形滑移、扩容、崩解高应力-节理化-强膨胀复合软岩综合作用拥有多种变形特征2.2底臌的原因（1）隧道围岩强度低隧址区地质条件复杂，且具有一定的地质构造应力作用。泥质粉砂岩、泥岩等围岩条件下，节理裂隙发育，强度较低。隧道开挖后，原始地应力释放掉一部分，围岩发生卸荷和应力重分布。围岩切向应力增加，塑性圈半径扩大，变形破坏，由隧道浅部向深部扩展，再加上底部积水，使底部围岩产生不可逆的物理、化学变化，使岩体软化加剧:一方面使水在岩体中渗透更加方便;另一方面使围岩裂隙增大和扩张，变形量加大，产生一定量的底鼓。桃树娅隧道发生底鼓破坏的主要内在因素是围岩岩性较差[3]。（2）软岩遇水软化和膨胀膨胀性软岩(蒙脱石、伊利石等)遇水后会出现泥化、膨胀、崩解和破碎等现象隧道底板岩体强度会随着地下水的侵蚀进一步降低。隧道底板岩体强度下降后在水平应力作用下将进一步破坏，此时水更容易渗透至隧道底板更深部的岩层，加剧底板深部岩层的水理作用，使得底板更大范围内的岩体强度降低，破坏范围进一步扩大。水是引发底鼓的主要环境因素[3]。（3）软岩的流变软岩具有典型的流变性。在隧道底部围岩压力作用下，隧道底板岩体将向隧道内空发生整体流动，当该岩体的流变性能超过其抗拉强度极限值时，隧道底板将出现竖向裂隙，最终发生底鼓。岩体流变引起的底鼓与时间密切相关，并随着时间的增长而增大[3]。3.高地应力软岩隧道底臌控制措施3.1底臌工程实例表3-1软岩隧道底臌汇总序号名称地点地质简况工程情况及大变形特征1关角铁路隧道[4]中国青藏线(1977)泥质片岩，最大埋深500m左右施工期间，隧底上鼓约1m，通车后不久，隧底便上鼓30cm，2海代尔引水隧洞[5]印度(1979)千枚岩、页岩及各类片岩等。通车三年以后(1982年11-12月)，隧底隆起80cm，3扫石公路隧道中国薄层泥灰岩通车后，隧底隆起，边墙再次开裂4辛普伦隧道[6]瑞士-意大利(1906)围岩为石灰质云母-片岩隧道在竣工若干年后，强大的山体压力再次引起横通道边墙、拱部和隧底破裂、隆起5家竹青铁路隧道[7]中国南昆线(1992-1997泥质砂岩、页岩及煤层煤系地层，原始地应力在变形最严重的洞段，底臌80~100cm；)8.5～16MPa3.2底臌控制措施3.2.1传统控制措施根据控制原理的不同，传统的底鼓控制方法可分为加固法与卸压法两大类。加固法主要通过提高底板围岩强度以控制底鼓;卸压法主要是通过切缝等卸压措施，将巷道及底板的应力向深部转移，降低底板岩层应力，从而达到控制底鼓的目的。底臌控制方法简介见图3-1，具体的设计方案见表3-2[8]。底板锚杆底板注浆加固法封闭式支架混凝土反拱底臌控制方法切缝卸压法打孔卸压法卸压法松动爆破卸压法掘巷卸压法联合支护法图3-1底臌控制方法简介表3-2底臌防治的不同方案设计[9]方案底臌防治措施主要技术参数1底板锚杆9根长5×22mm间距为0.6～0.8mm的高强度锚杆，2底板注浆向底板下3m范围内的岩层注入水泥浆液3底板开槽卸压卸压槽长度4m,槽宽0.5m4底板设置反拱反拱形状为圆弧形，反拱设计厚度为250mm.拱高800mm，曲率半径为5357mm5药壶爆破卸压底板下3～5m范围进行超前钻孔爆破6爆破卸压与注浆加固联合方案5与方案2联合7超挖锚注回填技术对底板下深度1.6m范围内的岩体进行超挖，在巷道底部打长度1.5m锚管，同时进行注浆，最后用C40混凝土对超挖部分进行回填3.2.2加固巷道帮角控制底鼓巷道围岩是一个相互关联的有机整体，一个部位的变形常常引发另一部位的变形。提高一个部位的强度(加固法)可能对控制该部位的变形有利，但可能引起其它部位的变形加大:降低一个部位的强度(卸压法)可能有利于控制该部位的变形，但也可能对控制其它部位的变形不利。因此，在选择底鼓控制方法时不能顾此失彼，而要全面考虑，保证在控制底鼓的同时使巷道其它部位不失稳[10]。数值模拟和相似材料实验表明:巷道底角处通常是应力集中程度高的部位，也是塑性区发展最快、范围最大的部位;当巷道两帮围岩强度不高时，两帮也是塑性区较大的部位。围岩塑性区产生以后，其范围大小对巷道围岩变形量与底鼓量影响很大。巷道底角和两帮围岩塑性区大，由此产生的围岩塑性变形大、粘塑性流变和扩容膨胀变形也就愈大，这将对巷道底鼓产生严重的影响。因此，为了控制巷道变形与底鼓，开巷后应尽早加固巷道软弱围岩的帮和底角，作用是:(1)减弱巷道角部应力集中程度，并在两帮和底角尽快强化围岩的强度，控制塑性区的发展，以便防止和减少因底板围岩塑性变形、粘塑性流动和破裂围岩体积膨胀而造成的底鼓。(2)提高巷道两帮与底角围岩的自承能力。减小两帮的塑性变形及由于两帮破裂围岩压缩下沉造成的底板向巷道空间的滑移量、体积膨胀量，从而减少巷道底鼓。加固帮、角包括底角注浆、底角锚杆及加大帮锚杆布置密度、提高锚杆强度、加大锚杆长度等措施。由于该方法基本上不必对巷道底板直接施工，且工程量不大，因此，尽管该方法提出的时间不长，还是得到了大力推广。从现场实践情况看，该方法控制底鼓的效果较好。4.结论本文通过调研的手段，现得出如下结论。（1）隧道开挖后围岩应力变化造成隧道底板岩层卸载产生弹塑性变形向巷道内鼓起;隧道拱脚在垂直应力作用下挤压底板，使底板受水平应力作用向隧道内鼓起;同时软岩的流变性导致底鼓量随时间延长而增。（2）软岩的强度较低，会导致隧道开挖后，原始地应力释放掉一部分，围岩发生卸荷和应力重分布。膨胀性软岩(蒙脱石、伊利石等)遇水后会出现膨胀。则是出现底臌的重要原因。岩体流变引起的底鼓随着时间的增长而增大。（3）通过加固帮角可以避免传统方法的一些缺陷，配合注浆加固和卸压的方法可以起到比较理想的效果。参考文献[1]张梅,何志军,张民庆,肖广智,任诚敏.高地应力软岩隧道变形控制设计与施工技术[J].现代隧道技术,2012,06:13-22+69.[2]师亚龙,陈礼伟,裴涛涛,李春林.软岩隧道底鼓机理及底鼓量计算方法[J].铁道建筑,2014,05:54-56.[3]王洪立,王玉白,胡冠英.巷道底臌的原因及防治措施[J].煤矿安全,2005,08:43-45.[4]苏舟,曾继练.娘拥水电站地热成因及解决办法[J].技术与市场,2012,08:138.[4]万飞.关角特长铁路隧道不良地质致灾机理及控制技术研究[D].北京交通大学,2014.[6]杨长顺.高地温隧道通风降温计算方法及应用[A].中国土木工程学会、上海土木工程学会、上海城建隧道股份有限公司.地下交通工程与工程安全——第五届中国国际隧道工程研讨会文集[C].中国土木工程学会、上海土木工程学会、上海城建隧道股份有限公司:,2011:11.[5]姜云.公路隧道围岩大变形的预测预报与对策研究[D].成都理工大学,2004.[6]张洋.隧道工程软弱围岩大变形控制体系研究[D].西南交通大学,2006.[7]齐康平