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刍议同寨隧道大断面高地应力软岩抗变形施工技术
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王金刚
摘要:以蘭渝铁路同寨隧道为例,针对高地应力,软岩、大断面隧道施工,分别从围岩形态,工法特点分析围岩变形规律。并从围岩地质状态、围岩物理特性、及围岩损伤程度、围岩应力释放过程,分析高地应力软岩变形机理。提出对高地应力采取边让边抗,前期以让为主,中后期以抗为主的抗变形理念。合理预留变形量值、采取刚柔并济的初支结构,基本上有效控制高地应力软岩大变形。
关键词:同寨隧道;软岩;大断面;高地应力;抗变形技术
1引言
随着我国铁路大发展时代的到来,穿越复杂地质山岭客运专线双线大断面隧道(单洞双线大断面铁路隧道)数量增多。如新建兰州至重庆段铁路,线路跨越甘肃、陕西、四川及重庆全长873km,其中同寨隧道位于甘肃省宕昌县境内,开挖揭示围岩为碳质板岩。该隧道经专家勘察论证为高地应力、高风险隧道。施工易产生大变形,导致支护系统破坏,初支结构侵入二衬净空,发生拆换拱现象,隧道施工安全质量管理压力巨大。本文通过分析大变形产生机理,采用控变、抗变相结合施工技术,有效解决了同寨隧道高地应力大变形是施工难题,保证了施工安全和工程质量,对同类隧道施工有借鉴意义。
2工程概况
同寨隧道位于甘肃省宕昌县境内,进口位于理川河左岸,出口位于油坊沟右臂,隧道全长8827m。地质以三叠系下统板岩及碳质板岩为主,岩体遇水易软化,具有微膨胀性。隧道最大埋深为653m,为单洞双线大断面客货共线隧道。施工采用三台阶预留核心土法开挖,初期支护参数为全环设置工20b型钢钢架,间距80cm/榀,衬砌采用钢筋混凝土复合式衬砌结构。监控量测周边收敛最大值为999mm,拱顶下沉最大累计值为540mm。初支开裂钢拱架扭曲拆换拱现象时有发生。安全质量管理压力巨大。
3隧道变形特征
3.1变形量大速率高收敛周期长
隧道开挖支护后围岩变形速率大,变形持续周期长且很难稳定。以同寨隧道DK250+689断面为例开挖支护后拱顶下沉发展速率最大达值30mm/d;最终累计沉降值达900mm呈现出变形发展速率快,累计值高且具有突变等特性。
3.2变形具有空间异性
初支结构随着三台阶法开挖阶段,其每个阶段围岩受力具有空间异性;初支变特点形点也随三台阶法开挖各个阶段表现不同,以下为围岩开挖支护后变形实态曲线。
总体来讲上台阶开挖后之后,初支变形以拱顶下沉为主,但该阶段初支钢拱架拱顶受力并不大。中台阶、下台阶开挖支护之后,钢拱架闭合成环,钢拱架应力状态发生变化。此阶段围岩变形以水平收敛为主,该阶段为围岩与初支结构相互作用阶段,围岩应力释放,初支结构变形开始整体发展,直至初支结构与围岩变形状态相平衡,初支结构变形速率稳定。
3.3存在偏压现象
隧道开挖后受围岩地质构造、围岩走向、隧道左右侧埋深存在较大差异等因素影响,隧道开挖后存在左右侧变形不均匀和不对称现象。为了更清楚掌控隧道偏压对初支系统的影响,集团公司科研组针对同寨隧道进口进行拱架内力结果测试测试结果如下表。
从左右两侧受力看初期支护左侧大于右侧但由于量测数据较短,从内力上不能进一步验证,结合隧道左侧变形大于右侧的情况可以说明右侧受力小于左侧。
3.4围岩蠕变现象突出
围岩蠕变【1】过程可分为初始蠕变,等速蠕变和加速蠕变三个阶段。在初始蠕变阶段蠕变速率随时间迅速递减,岩体的变形速率较小。在初始蠕变末期岩体的蠕变速率趋于稳定并逐步过渡到等速蠕变阶段,在等速蠕变初期岩体内部裂缝开始扩展且蠕变速率增加直至岩体失稳破坏。围岩变形规律归纳为“前期渐变后期突变形”。如果能确定一个合理的支护时间,对围岩采取二次补强则可以避免围岩破坏或失稳;现场可根据量测数据变形速率的变化趋势来确定二次补强时机。
3.5存在应力集中现象
隧道三台阶法开挖支护,支护参数采用H175型钢拱架间距80cm,系统支护采用拱墙网喷混凝土,打设4m长钢架锁脚锚杆。上台阶开挖支护后拱架脚板受锁脚锚杆约束使得拱脚位置存在应力集中现象,并且应力集中点产生的应力超过拱架承受能力。导致拱架从拱脚部位置扭曲破坏,进而与中台阶拱架未能有效连接影响整环初支钢架的受力性能。
4变形原因分析
4.1地质构造
本工点范围内受青藏歹字型构造影响严重,该构造从晚古生代后期开始发育,三叠系末期构造运动形成基本格架燕山运动及喜马拉雅运动时期活动达到了最高峰,而且至今活动十分强烈。受该地质构造影响工点范围内发育有5处褶皱3处断层地质构造十分复杂多变,围岩受其影响严重产状扭曲紊乱,且成变余质结构,变质程度较低,隧道开挖后围岩自稳能力差,变形发展较快。
4.2围岩物理特征
变形段开挖揭示围岩为碳质板岩【2】该围岩属于典型的软岩。受节理裂隙的影响,随着微裂隙的扩张易产生整体滑移现象。水对碳质板岩的抗压强度影响很大;当裂隙水进入岩体内部时,减
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