第45卷第1期 人 民 长 江 VO1.45.NO,1 2 0 1 4年1月 Y angtze River Jan., 2014 文章编号:1001—4179I2014)0l一0049—04 复杂高地应力区软岩隧道大变形控制技术研究 潘 飞,程圣国,陈 婷 (三峡大学土木与建筑学院,湖北宜昌443002) 摘要:以鄂西宜巴高速公路峡口隧道为_Y-程实例,针对隧道施工中遇到的高地应力软岩大变形问题,对其高地 应力软岩特点和大变形特征进行分析研究。提出优化开挖方法、调整预留变形量、利用联合初期支护和可伸 缩性u型钢架及信息化施X-等综合大变形控制措施和施工技术,有效地控制了隧道围岩大变形。通过支护 结构受力监测,以及拱顶、水平收敛累计沉降量与沉降速率监测,验证了所采取的大变形控制技术的合理性, 对鄂西复杂高地应力软岩隧道大变形控制技术作了有益的探索。 关 键 词:高地应力;大变形;变形控制;施工工法;软岩隧道 中图法分类号:U455 文献标志码:A 近年来随着高等级公路建设的跨越式发展,穿越 理设计,采用复合式衬砌,初期支护采用挂网喷混凝土 复杂高地应力地区且工程地质环境恶劣的软弱围岩的 和钢拱架,二次衬砌为模筑混凝土或钢筋混凝土。 长大隧道越来越多,由于隧道围岩软弱、地应力较高、 根据地质勘察资料,隧洞进口段围岩分级为Ⅵ类 变形大且持续时间较长,为高速公路长大隧道的设计 围岩。掌子面揭露围岩情况显示,洞段岩体节理、裂隙 和施工带来了重大的挑战¨ 。可以这样说,在高地应 遍布,岩体非常破碎,岩层呈薄层、交互状,开挖后自稳 力区修建隧道工程,最大的难题就是大变形的控制问 能力差,易垮塌;围岩在水平地应力挤压作用下产生弯 题 一 。 曲变形,形成褶曲。 地下工程自身的特殊性导致没有任何一个理论或 根据埋深240 m的隧道现场断面测试结果,洞身 治理措施能够应对地质复杂多变的实际情况 。宜 最大水平应力为13.06 MPa,横断面最大初始应力为 巴高速峡口隧道位于地形、地质条件复杂的鄂西地区, 12.37 MPa,对应岩体(炭质页岩、砂质页岩、砂质泥 隧道区的水平地应力以构造应力为主,地应力场以水 岩、粉质泥岩)的单轴抗压强度为2.5~8.7 MPa,最大 平应力为主导,地应力量值为极高应力,隧道施工过程 水平主应力与隧道轴线交角较大,对隧道围岩的稳定 中出现的大变形情况较为常见。 性不利。隧道区地应力等级为高、极高地应力(主要 本文结合峡口隧道进口段高地应力软岩大变形工 结果见表1),属高应力区,隧道极易产生大的位移和 程实例,分析研究围岩大变形特征和发展规律,探究施 变形。 工过程中合理的变形控制技术措施,以期为该类隧道 隧道开挖后,进口段围岩变形强烈,监测数据显示 工程问题的设计与施工提供理论依据。 局部最大拱顶下沉量累计达到了64 cm,两侧拱腰收 1 工程围岩特点及变形特征 敛变形达20 cm,部分断面已发生侵限现象。初衬裂 缝首先自拱脚部位产生,初期为羽状剪裂纹,随后向拱 峡口隧道位于鄂西兴山县峡口镇境内,隧道采用 顶发展,最后形成贯穿裂缝,裂缝宽度达1~2 cm,钢 分幅式,其左幅长6 456.0 m,右幅长6 487.0 m;隧道 架现扭曲变形成“S”状或麻花状,对隧洞安全十分不 最大埋深约1 478 m,属深埋特长隧道。隧道设计Ⅵ类 利。最后导致峡口隧道右线掌子面被迫暂停施工,对 围岩采用正台阶环形法施工,衬砌结构依据新奥法原 YK105+076~YK105+137段初期支护进行拆换钢架 收稿日期:2013一l0—09 作者简介:潘 飞,男,硕士研究生,主要从事岩土工程、隧道工程学方面的科研工作。E—mail:ctgupanfei@163.conl 第1期 潘 飞,等:复杂高地应力区软岩隧道大变形控制技术研究 51 管前端10 cm加工成尖锥状,以减少入孔的阻力。小 导管前端2.9 m范围内管壁四周钻6 mm注浆孔,梅 花型布置,尾部焊上 6的箍筋。施工时小导管与中 线平行衬砌,以10。~15。仰角打入拱部围岩,钢管环 向间距40 am。 2.7信息化施工 加强现场监控量测、动态控制软弱围岩大变形是 高地应力软岩隧道施工中的重要环节。峡15隧道高地 应力段施工过程中,通过综合超前地质预报,及时掌握 掌子面前方地质情况,为制定相应的变形控制措施提 供依据。对隧道拱顶下沉、周边收敛进行连续监控量 测;对围岩压力、钢架应力、二次衬砌接触压力和混凝 2.4锚、喷、网联合初期支护 锚喷支护是高地应力软岩变形段施工成败的关 键。峡口隧道高地应力段初期支护采用锚、喷、网联合 支护结构,按照初喷混凝土一立U型钢架一打锚杆一 土应力等项目进行系统的监控量测;并对监控数据进 行统计分析,准确实时反馈围岩变形、应力等信息,及 挂网一复喷混凝土至设计厚度的顺序紧跟开挖面进行 施工。初期支护参数调整为:喷射混凝土厚26 em; 8 钢筋网(间距25 am x 25 cm)全断面布置;钢架采用 U29型钢,间距1.2 m;型钢问采用 22纵向连接筋连 接成整体;锚杆采用 22砂浆锚杆,长4 m,纵环向间 距120 cm×100 am,梅花型布置。 2.5可伸缩U型钢架支护 在高地应力作用下的软弱围岩需考虑“蠕变压 力’ 作用,此状态下软弱围岩自稳能力差,易发生挤压 大变形。常规钢架的支护不能有效抑制其变形发展。 可伸缩u型钢架是为抑制高地应力段隧道变形而采 用的加强支护措施。骨架由拱顶弧形梁、两个拱腰弧 形梁、两个立柱弧形梁和底部弧形梁,通过多个卡箍进 行摩擦连接,整个u型钢钢架拼装形成一个三心拱的 全断面支护结构,各连接处均设置有锚入岩层内的锁 脚锚杆。 骨架的可缩性是用卡箍的松紧程度来调节和控制 的,骨架在围岩的作用下,构件开始变形,当围岩地应 力达到某一程度后,摩擦搭接部分开始产生微小的相 对滑移,骨架下移,从而缓和了围岩对骨架的压力,变 形发展直至可缩性耗尽为止,此时钢架成了钢性支架 承载。 2.6适时二次衬砌 二次衬砌施作时机对于控制高地应力软岩隧道变 形具有显著的作用,二次衬砌施作越早,对控制变形越 有利,但其受力也越大,易导致二次衬砌开裂破坏¨ 。 高地应力软岩隧道变形大、速度快、收敛速率慢,在远 未达到规范要求的收敛变形速率时,初期支护早已经 失稳破坏,确定合适的二次衬砌施作时机至关重要,既 需围岩释放部分自由变形,防止围岩压力过大破坏二 次衬砌,又需控制过大变形导致支护失稳破坏。根据 峡口隧道变形监测规律分析,隧道软岩地段变形速率 小于5 mm/d时,应立即施作40 cm厚的钢筋混凝土 二次衬砌,距离掌子面40—50 m,让衬砌承受部分形 变压力,可有效控制大变形发展。 时调整变形控制技术措施。在保证大变形得到有效控 制的同时,避免或降低高地应力对施工造成的不利影 响,并制定下一步施工计划,达到信息化施工、动态控 制的目的 。 3变形控制效果 3.1 支护结构受力监测 为掌握峡口隧道大变形段采用上述变形控制技术 后,隧洞开挖围岩压力分布特点,以及初衬、二衬施作 后受力特点及其随时间的变化规律,分析隧洞在现有 变形控制设计下的围岩、支护结构的稳定性,采用TJ 一29型振弦式土压力计、EJ一61型振弦式混凝土应变 计、EJ一66型振弦式表面应变计等对支护结构的受力 进行监测。其中YK105+52监测断面的接触压应力、 二衬环向、径向应力量测结果见图4~6。 十右拱脚+右拱腰—▲一拱顶十左拱腰+左拱脚 图4接触压应力监测曲线 +右拱脚+右拱腰—・ 拱顶十左拱腰+左拱脚 图5二衬环向应力监测曲线 52 人 民 长 江 ∞墨\只毯 】 1 0 0 5 O 5 O 图6二衬径向应力监测曲线 该断面为二衬施作段,分别在拱顶、两侧拱腰和拱 脚位置布设土压力盒和钢拱架表面应变计,共安装土 压力盒5个、钢拱架表面应变计10个。 分析图4断面接触压力监测曲线,可以判断出二 衬施工后,围岩接触压力增加不大,已趋向平稳,最大 应力在拱顶位置,达170 kPa左右。从图5~6二衬混 凝土应力监测结果可知,施工后二衬受力不断增加,监 测后期不再增加,最终受力基本稳定。二衬环向受力 较为均匀,最大值在拱顶位置为2.05 MPa。二衬径向 受力规律与环向监测结果基本一致,但其量值略小,均 不大于1.6 MPa。 3.2 拱顶、水平收敛累计沉降量与沉降速率 为了判断开挖后围岩的稳定性,施工中应用精密 水准仪和铟瓦尺对部分监测断面进行观测。其中 YK105+228监测断面的拱顶、水平收敛(周边位移) 累计沉降量与沉降速率量测结果见图7~8。 图7 拱顶累计沉降量与沉降速率 上述图中显示监测断面拱顶累计沉降量达 一57.90 mm、断面累计周边收敛42.80 mm。拱顶沉 降变形较大,支护初期沉降速率较大,围岩变形发展较 快;断面开挖卸荷后周边收敛速率较大,周边位移快速 增长。表明由于该段隧洞围岩岩性较差,初始地应力 水平高,隧洞开挖后围岩产生挤压大变形,围岩自稳能 力差。当采取大变形控制技术相关措施后,拱顶位移 沉降率明显得到控制,最终下沉量未见增长,后期周边 位移增长缓慢,围岩趋于稳定。 图8周边收敛量与收敛速率 4结论 (1)对于高地应力软岩隧道而言,隧道极易产生 大的变形。隧道开挖过程中,由高地应力的释放而产 生的荷载、洞周围岩变形量等都与施工措施紧密相关。 若变形控制技术措施选择不当极易发生软岩大变形, 甚至可能造成重大安全事故。因此,在高地应力软岩 地质条件下选择合适的变形控制技术是非常重要的。 (2)施工中监测结果显示,隧道采用大变形控制 技术施工后,支护结构受力趋向平稳,拱顶、水平收敛 累计沉降量与沉降速率量测结果最终都趋于收敛,拱 顶位移沉降率得到很好控制,最终下沉量未见增长,后 期周边位移增长缓慢,围岩趋于稳定。 参考文献: [1] 李鸿博,戴永浩,宋继宏,等 峡1:7高地应力软岩隧道施工监测及 支护对策研究[J].岩土力学,2011,(s2):496—501. 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For studying the transient flow process in roof—inclined tailwater tunnels.the calculation based on L—F slot method was pro. posed,i.e, ̄sing a same equation group to express free flow and pressure flow,establishing the difference equations with Lax— Fried Riches discrete scheme.Then the equations can be solved by the given boundary and initial conditions.Taking a large— scaled hydropower station as the example,the flow fluctuation stability in the transient process was analyzed by means of L—F slot method and the calculation results were compared with measured data.The results show that the method can be used for tran. sient process calculation of roof—inclined tailwater tunnel,revealing the dynamic characteristics of the tailwater system correctly. Key words: roof—inclined tailwater tunnel;free—surface and pressurized flow;L—F slot method;transitional process (上接第3l页 Study on eVapOtranspiratiOn of Poyang Lake wetland by remote sensing technology ZHANG Xiuping,XU Xiaohua,LEI Sheng,ZHANG Zhong,LI Yilin (Jiangxi Provincial Institute of Water Sciences,NanChang 330029,China) Abstract: At present, eVapotranspiration of Poyang Lake wetland is measured mainly by the evaporation station around the ,lake.Influenced by the nonuniformity of land surface types,s0il moisture etc.the observation value can not represent the com— prehensive evapotranspiratj0n of the lake wetland. Based on satellite remote images and measured hydrological— meteorological data,this paper estimates the evapotranspiration of Poyang Lake wetland as well as the surrounding area by SEBAL model and an— alyzes the distribution and annual variation condition of the evapotranspirati0n.The analysis results basically conform t0 the meas— ured data collected at Tangyin Station with correlative coefficient of 0.8. It is confirmed that evap0transpiration estimation of wet. 1and by remote technology is feasible. Key words: eVapotranspiration estimation;remote imagine;SEBAL model;MODIS;Poyang Lake wetland 】…】…,…】~ I上接第52页) Large deformation control for soft rock tunnel under complicated ground stress condition PAN Fei,CHENG Shengguo,CHEN Ting (College of Civil Engineering and Architecture,China Three Gorges University,Yichang 443002,China) Abstract:The characteristics of high ground stress and large deformation of soft rock in tunnel construction are analyzed ai. .ming at Xiakou Tunnel,a highway tunnel of Yichang—Badong Highway in western Hubei ProvinceThe large deformation was ,controlled effectively by comprehensively adopting the solutions such as optimizing excavation methodadjusting reserved deform— ,ation,applying initial support and telescopic U steel frame and using informatizational construction measureswhich were veriied feffective and reasonable through stress monitoring for tunnel lining and measurement of accumulative settlement and settlement rate in vertical and transverse directions. Key words:high ground stress;large deformation;deformation control;construction method;tunnel with soft rock