中外高地应力软岩隧道大变形工程技术措施对比分析——以兰渝铁路木寨岭隧道与瑞士圣哥达基线隧道为例

为解决高地应力软岩隧道在施工过程中遇到的难以控制的围岩大变形问题,依托国内兰渝铁路木寨岭隧道与瑞士圣哥达基线隧道,采用对比分析方法,从软岩大变形机制、高地应力软岩隧道围岩分级及变形控制技术3个方面对两隧道进行对比,得出如下结论: 1）高地应力软岩隧道围岩大变形是在岩性、地下水、地应力场、围岩地质构造等多种因素共同作用下,因开挖卸荷、应力二次分布引起围岩发生塑性剪切滑移所致; 2）在高地应力软岩分级方法上,兰渝铁路木寨岭隧道与圣哥达基线隧道均采用了BQ法,但兰渝铁路木寨岭隧道分级更全面,圣哥达基线隧道分级更具针对性; 3）在高地应力软岩情况下,圣哥达基线隧道采用的新意法的全断面施工方法在施工管理和成本控制上要优于兰渝铁路木寨岭隧道采用的台阶法。     

兰渝铁路两水隧道高地应力软岩大变形控制技术

兰渝铁路两水隧道地质条件极为复杂,洞身围岩为千枚岩及炭质千枚岩,属极软岩,受高地应力影响,施工时发生了挤压性大变形,变形和破坏极为严重。以现场测试和理论分析为手段,结合隧道变形特征,探索和研究了适合两水隧道的软岩变形控制技术,并得出以下结论:1)软岩隧道的变形特性及稳定性(塑性区)取决于地应力、围岩的力学特性、开挖断面等,且与围岩的支护条件密切相关;2)通过采用加大预留变形量、加大支护刚度、多重支护,优化施工方法、适时施作二次衬砌等手段有效地控制了大变形,较好地解决了两水隧道高地应力软岩施工问题。在此基础上,提出了软岩隧道大变形分级标准及其对应的支护参数。     

高地应力软岩隧道施工变形控制方法试验研究

为了研究高地应力软岩隧道施工变形控制方法,以兰渝铁路木寨岭隧道为例,通过对超前导洞法与三台阶法进行现场试验,分析了2种施工方法在高地应力软岩地层的变形控制效果,总结了三台阶法施工各阶段的围岩变形规律,主要结论为： 1）超前导洞法与三台阶法施工,隧道中台阶是变形控制的重点; 2）2种方法对高地应力软岩大变形总体控制效果相近,应结合其施工效率进行比选; 3）隧道开挖后应及早施作仰拱,这对控制隧道变形极为有利。     

高地应力软岩大变形隧道关键技术研究

随着我国交通建设的快速发展,山岭隧道建设中高地应力软岩不良地质情况屡屡发生。高地应力软岩隧道变形大、处理风险高、工期时间长,有效预防和控制隧道大变形成为目前隧道建设中亟需解决的问题。对高地应力软岩隧道特点进行总结,揭示高地应力条件下隧道大变形产生机理及影响因素,研究高地应力软岩地质条件下变形控制技术,并在实际工程中得到成功应用。研究结果对高应力软岩条件下隧道施工具有重要指导和借鉴意义。     

高地应力状态下软岩公路隧道的大变形机理与规律研究

高地应力区软岩隧道地质条件复杂,使软岩隧道变形控制难度加大。以某一工程实例为对象,运用MIDAS/GTS软件建立了软岩公路隧道模型,分析了不同侧压力系数下对高地应力软岩隧道开挖变形的影响作用。研究结果表明:随着侧压力系数的增大,隧道围岩水平位移由向隧道外挤压变形转化为向隧道内收敛变形,K值在0.5~0.75时,存在一个水平位移零点,最终水平变形量为0;对于隧道竖向位移变形,当侧压力系数小于1时,隧道最大竖向位移出现在拱顶处。当侧压力系数大于1时,上拱变形加强,但整体依然表现沉降变形,隧道最大竖向位移出现由拱腰转移到拱间处。K值在1附近时,隧道水平变形和拱顶变形所形成的最终变形量相等,可根据现场对水平位移和拱顶位移间的位移关系来判定隧道围岩侧压系数的大致取值范围。     

高应力软岩单线铁路隧道大变形控制技术研究

高地应力软岩条件下隧道开挖极易引发大变形问题,尤其单线铁路隧道由于其不利的断面形式,使变形控制更加困难。以在建的丽江—香格里拉铁路长坪隧道为工程依托,总结高地应力软岩单线铁路隧道大变形诱发因素及大变形特征,提出针对性控制措施,并开展现场试验,分析隧道变形及结构受力发展规律,验证变形控制技术的合理性。结果表明:高地应力、软弱破坏围岩、不利断面形式及不合理开挖方法等因素是造成单线铁路隧道产生大变形的主要原因;隧道变形持续时间长,变形量大,尤其边墙位置变形收敛明显,拱架及喷射混凝土破坏严重;采用优化断面形式、加长锚杆、提高支护刚度、减少开挖分部等措施,可以改善结构受力,充分发挥主动控制作用,有效控制围岩变形。     

TBM导洞扩挖法在高地应力软岩隧道施工中的应用效果分析

运用MIDASGTS有限元软件,分析了TBM导洞扩挖法在高地应力软岩环境中隧道开挖的应用价值。通过对某公路隧道分别采用TBM导洞扩挖法、预留核心土环形开挖法和两台阶法三种施工方法进行数值模拟,主要以拱顶沉降、拱腰水平收敛和拱底隆起等围岩变形指标进行对比分析,得出TBM导洞扩挖法高地应力软岩隧道施工时的围岩变形控制效果最好的结论。同时分析了在富水等复杂地质情况下,TBM导洞扩挖法在排水、探明前方地质情况等方面更具有优势。     

堡镇隧道围岩变形破坏特征及支护措施探讨

针对宜万铁路堡镇隧道存在的软岩地质高地应力问题,结合地质勘察资料和现场监测资料,对堡镇隧道围岩的变形破坏特征进行了深入探讨;并根据该隧道软岩大变形、高地应力的特点,提出了基于预支护技术的衬砌支护措施。工程实践表明：这种综合应用管棚、型钢拱架、锚杆等的预支护措施适合于软岩大变形地段的隧道施工。     

木寨岭隧道大变形控制技术

介绍兰渝铁路木寨岭隧道斜井施工期间高地应力软岩地段的大变形情况,并对变形情况结合地质条件、支护结构的合理性、工艺控制等因素以及监测数据进行分析,通过现场施工实际及理论分析提出有效、合理的支护措施;同时,指出下阶段高地应力软岩施工技术研究方向,为下步施工提供指导,也为类似工程提供借鉴。     

基于有限元分析的高地应力软岩隧道蠕变特性研究

高地应力软岩隧道变形量大,变形时间长,蠕变效应显著,给隧道的设计、施工和运营带来巨大的挑战,运用数值模拟的方法,深入研究了拟建川藏铁路康定至林芝段二郎山隧道蠕变特性。结果表明:隧道的埋深越大,围岩初期的变形速率越大,隧道围岩在开挖完成后2～3个月变形趋于稳定,在埋深为1 500 m和2 000 m时,开挖完成后180天,隧道围岩有加速蠕变的趋势。     

大断面软岩隧道变形控制技术研究

隧道开挖后受地应力影响极易发生变形,严重的将导致坍方等安全事故,若侵入结构还需要二次扩挖处理。为保障软弱围岩隧道的施工安全,避免二次扩挖,结合国内外隧道的典型案例和经验,从分析围岩的强度应力比出发,针对不同的软岩类型,对预留变形量、预加固措施、弱爆破的基本原则,综合信息方法、支护措施、施工要点等内容进行归纳研究。研究表明:1)预留变形量选择要充分考虑隧道的最大地应力和不同软岩物理特性的影响;2)上台阶采取有效预加固措施后,可以实施大断面开挖;3)不同地应力环境,必须根据信息成果,针对变形特征优化设计支护参数后,变形完全能够有效控制。     

山岭隧道软弱围岩工程地质特性及施工对策

如何在软弱围岩地质条件下安全快速地修建长大隧道是当前隧道工程界面临的重要课题之一,尤其是当隧道穿越高地应力软弱围岩时,常常形成大变形等地质灾害,严重影响施工安全和进度。通过对软弱围岩工程地质特性、软岩隧道变形机制及变形控制基本理念进行分析,并结合相关工程实例提出软岩隧道支护结构安全稳定性评判标准及施工应采取的相应对策。认为:1)软弱围岩隧道由于支护参数、施工方法选择不当,支护结构强度和刚度不足以抵抗较高的围岩压力时,往往会出现结构大变形和破坏;2)软岩地段初期支护承受施工期间全部荷载,二次衬砌需承受后期围岩流变产生的荷载,软岩隧道衬砌应通过增设钢筋、加大厚度等方式增加结构强度;3)超前支护与加固技术可提高围岩的自承能力并减小作用在支护结构上的荷载,且应当成为当前软弱围岩隧道施工技术研究的发展方向;4)在高地应力山岭隧道方面,应进一步开展施工阶段地应力测试,以利于针对性地选择施工方法和支护参数。     

堡镇隧道高地应力顺层偏压软岩大变形段的快速施工技术

堡镇隧道的主要工程地质特点是在高地应力、顺层偏压、软岩地质条件下隧道发生大变形。在对国内外高地应力软岩隧道施工技术研究现状基础上,分别对顺层偏压地层和高地应力顺层偏压地层隧道施工力学行为分析,制定了“超前支护、初支加强、合理变形、先放后抗、先柔后刚、刚柔并济、及时封闭、底部加强、改善结构、地质预报”的快速施工原则和总体方案。通过对开挖方法、通风方式、机械设备配套技术及管理技术等方面的综合攻关,实现了同类工程安全无事故条件下的快速施工。     

极高地应力区隧道地质特征及围岩变形机制研究

以某在建高速铁路隧道作为工程实例,结合地质情况,从初始应力、岩体结构和地下水分析了影响围岩的因素。运用理论分析和现场监控量测反馈结果等综合方法,从监控量测数据时态曲线特征、方向性、累计变化量、变形速率、时效性、现场围岩变形情况、隧道施工影响、变形段变形差异性等方面系统分析了极高地应力区隧道围岩变形特征及机制,并得出如下主要结论:1)极高地应力区围岩应力释放有一定的过程,不同的围岩应力释放的速度可能不同,爆破对围岩产生扰动,将一定程度加速围岩应力的释放。2)围岩地质条件不同,变形规律会表现出一定的差异性。3)围岩的变形机制,层状围岩的变形破坏一般形成几个区域:破坏区,崩塌,滑动滑移,张裂、弯曲及折断。4)本隧道围岩变形特征主要是由极高地应力和岩体结构综合决定的,隧道初期支护变形情况一定程度上是隧道围岩变形特征的有效反映。     

新乌鞘岭隧道软岩大变形悬臂掘进机施工控制技术研究

为解决新乌鞘岭隧道8号、9号、10号斜井工区正洞在千枚岩、板岩等软弱破碎岩体前期施工中出现的掌子面频繁溜塌、初期支护开裂、变形扭曲等问题,在对地质预报、监控量测和围岩松动圈等数据分析以及三台阶钻爆法施工支护存在的问题研究的基础上,采用现场试验的方法,研究玻璃纤维锚杆超前加固、超前大管棚支护、悬臂掘进机预留核心土两台阶机械法开挖工法、合理预留变形量以及增强初期支护的锁脚锚固、桁架结构加强初期支护纵向连接、径向注浆加固围岩等措施。经现场应用表明： 1）对于高地应力软弱围岩隧道,采用预留核心土两台阶大断面悬臂掘进机铣挖法施工技术是可行的,结合超前加固、支护结构补强等措施后,支护结构累计变形较前期减小一半以上,支护结构变形可控。2）采用悬臂掘进机开挖,隧道平均线性超挖量可控制在15 cm以内,相比钻爆法喷射混凝土平均超挖率由120%减小至60%,工序循环时间减少3 h左右,月施工进度由25~35 m提升至50~60 m。3）高地应力软岩大变形控制应在合理工法、合适设备、合理预留变形量和具有一定抵抗变形能力的支护结构之间找到平衡点。     

极高地应力软岩隧道双层支护技术

兰渝铁路两水隧道洞身主要通过炭质千枚岩软岩地层,隧道为极高地应力状态,最大水平主应力值为6.5~11.3 MPa。施工前期,隧道初期支护结构变形较大,部分钢拱架扭曲、断裂,支护结构失稳,初期支护结构侵入衬砌净空,拆换拱情况频繁发生,局部地段二次衬砌开裂。针对前期施工中出现的问题,分别开展双层初期支护和双层衬砌试验,对试验段初期支护变形、围岩压力、接触压力、钢架应力、钢筋应力、混凝土应力等进行现场试验研究,掌握试验段设计及施工参数条件下,隧道支护和衬砌结构受力和变形规律。主要研究结果如下:1)双层初期支护变形相对较小,喷混凝土应力、钢架应力、二次衬砌混凝土应力及二次衬砌钢筋应力均未超过材料的容许应力,工作状态良好;2)双层初期支护可减少绑扎钢筋的工序,不需要再另增衬砌台车,在工序组织上更加便利,工效性相对较高。     

高地应力软岩隧道圆形断面扩挖施工围岩及支护受力特征研究

针对高地应力软岩隧道开挖时围岩大变形问题,以某隧道圆形扩挖段为背景,采用三台阶法施工和3层初期支护+小导管注浆+二次衬砌的复合结构支护,并通过现场监测、数值模拟和理论计算研究开挖过程中的围岩变形及支护结构受力。结果表明:上、中台阶开挖时的隧道围岩变形速率较大,在仰拱封闭和第3层初期支护施作完成后,隧道变形趋于稳定;采用3层初期支护结构可有效改善隧道周边围岩应力,3层初期支护基本都是受压结构,拱腰和边墙处竖向应力最大,拱顶处水平应力最大;二次衬砌拱腰、拱顶、拱脚和边墙处安全系数均大于规范要求,保证隧道结构安全。