隧道工程围岩大变形及预测预报研究

以薄层 状 碳 质 千 枚 岩
中国四川 ( 2000～2003 )
为主 ,岩石硬度小 ,膨 胀率 13% , 易 风 化 , 地 应力 17～20 M Pa
中国青藏线 泥质 片 岩 , 最 大 埋 深
( 1977 )
500 m 左右
工程情况及大变形特征 隧道中有 8段 1 680 m 的路段发生底鼓 ,严重地段轨顶抬高 0. 136 m; 1980年轨顶抬高达到 0. 206 m,水沟盖板跷起 0. 129 m; 隧底出现 330余条横向裂缝 ,最大缝宽 4～8 mm
第 42卷第 5期 2005年 10月
现代隧道技术
Vol. 42 No.
Modern Tunnelling Technology
Oct. 2005
5
文章编号 : 1009 - 6582 (2005) 05 - 0046 - 06
隧道工程围岩大变形及预测预报研究
膨胀作用并不显著 。 (4) 地下水的存在对软岩的软化作用在围岩大
变形中发挥很重要的作用 。 (5) 围岩变形破坏的模式主要为塑性流动 、弯
曲变形 。 2. 2. 2 岩体结构控制类
这种围岩变形类型发生在岩体受构造改造和浅 表生改造型的岩体中 ,围岩岩块具有较坚硬岩的特 性 ,但岩体强度受其结构特征的影响 ,岩体变形受围 岩应力环境的明显控制 ,当隧道开挖前处在高围压 状态时尚具有较高的强度和稳定性 ;当围压降低 、围 岩应力差增大时 ,结构面张开或滑移 ,围岩整体强度 和模量降低 ,表现出显著的结构流变的特点 。按照 岩体结构形成机制类型 ,可以划分为构造改造型和 浅表生改造型 。按改造程度 ,可进一步划分为块裂 状结构 、碎块状结构和碎屑状结构型 。这类围岩具 有以下特点 :
李永林 1 冯学钢 2 姜 云 2 何 川 1
(1 西南交通大学地下工程系 ,成都 610031; 2 四川省交通厅公路水运质量监督站 ,成都 610041)
摘 要 文章在对国内外隧道工程及地下工程已发生的大量围岩大变形实例收集 、分析的基础上 ,讨论了隧 道围岩大变形的类型 ,提出了围岩大变形的预测预报体系 ,并已在鹧鸪山隧道工程中应用 。
关键词 公路隧道 围岩大变形 预测预报 中图分类号 : U456. 3 + 3 文献标识码 : A
1 引 言
当交通隧道 、水工隧洞等地下工程穿越高地应 力区及遇到软弱围岩体时 ,常形成软岩大变形等相 关地质灾害 。自 20 世纪初首例交通隧道软弱围岩 大变形发生以来 ,国内外隧道工程发生的围岩大变 形灾害事例屡见不鲜 ,它成为困扰地下工程界的一 个重大问题 。19 世纪中叶 ,隧道底鼓 、仰拱破坏等 现象就已经出现并引起人们的关注 ,但首例严重的 交通隧道软弱围岩大变形应该是 1906年竣工的长 19. 8 km 的辛普伦隧道 。此后 ,日本的惠那山公路 隧道 、奥地利的陶恩隧道和阿尔贝格隧道等都是典 型的隧道围岩大变形灾害工程事例 。我国青藏线的 关角隧道 、宝中线的大寨岭隧道 、南昆线上穿越煤系 地层的家竹箐铁路隧道 ,以及铁山隧道等工程均出 现了不同形式和程度的围岩大变形情况 ,给工程建 设造成极大的困难 。
围岩为浅变质岩 ,如千 开挖和初期支护 5～6个月后 ,混凝土开裂 、钢拱架发生严重变
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海代尔 引水隧洞
印度 (1979)
枚岩 、页岩及各类片岩 等
形 。3年以后 (1982年 11～12月 ) ,当要进行永久衬砌施工时 , 该洞段的大部分钢拱架再次发生严重变形 ,隧底隆起 80 cm ,扭
曲的钢架和回填混凝土侵入限界 ,不得不被完全拆除扩挖
(1) 围岩的物质条件为强度低的软岩类 ,在结 构上岩体具原生结构 ,软岩中具有膨胀性的岩石 。
(2) 围岩环境条件为不同程度地存在高地应力 问题 ,地应力达 16～23 M Pa,由于围岩强度低 ,形成 了很高的应力强度比 。
(3) 围岩的变形破坏主要为挤出作用 ,软岩的
修改稿返回日期 : 2005 - 05 - 09 作者简介 :李永林 ,男 ,博士研究生 ,高级工程师.
中国四川 ( 2002 )
地表移动 、变形成破碎 带
采用常规的支护 ,围岩变形持续不断 。在 2003年 5月 ～7月两 个月的时间拱顶相对下沉 73 mm ,后该段部分段落发生塌方 , 塌方一直影响至地表 ,导致地表形成塌陷坑
中国四川 (1998年 )
粉砂质泥岩 、泥质粉砂 岩夹煤层 ,含少量细 中粒砂岩 ,为软质岩夹 少量硬质岩地层组成
惠那山 11 公路隧道
木寨岭 12 公路隧道
日本 ( 1978 ～ 1985)
中国甘肃 ( 2002 )
断层带 ,单轴抗压强度 1. 7～4. 0 M Pa,埋深约 400 m。地应力 10～11
为双洞隧道 ,在日本中央公路的两宫线上 。 I号隧道于 1975年 8月建成 ,全长 8 300m ,是双向行驶的公路隧道 。1978 年建 Ⅱ 号隧道 ,该隧道全长 8 635 m ,于 1985年建成
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隧道工程围岩大变形及预测预报研究
表 1 国内外部分发生大变形隧道的基本情况 Table 1 Large deforma tion s encoun tered in som e tunnels both a t hom e and abroad
序号 名称 崔家沟
1 铁路隧道
堡子梁 2 铁路隧道
M Pa
碳质板岩夹泥岩 ,局部 泥化软弱断层破碎带 , 埋深约 120 m
严重地段拱顶下沉量累计达 1 550 mm ,在部分地段初期支护进 行了二次换拱 ,特殊地段换拱达 4次
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现代隧道技术
13 扯羊隧道 14 铁山隧道
表 1 国内外部分发生大变形隧道的基本情况 (续 ) Table 1 Large deforma tion s encoun tered in som e tunnels both a t hom e and abroad
(3) 围岩变形破坏演化机制表现为渐进和累进 性发展的特点 ,其变形破坏模式表现为塑性楔体挤 出 、结构流变等 。 2. 2. 3 人工采掘扰动控制类
这类围岩的变形破坏机制为剪切和滑动破坏 , 发生于相对厚层的沉积岩中 ,包括沿层面的滑动和 完整岩石的剪切两种破坏形式 。这种形式的破坏多
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发生在受人工扰动影响的采空区 ,岩体的移动导致 隧道围岩的大变形 ,如四川省达州市巴彭公路铁山 隧道采空区变形和孝柳铁路麻子山隧道煤窑采空段 的变形就是这类大变形类型中的典型实例 。由于受 人工扰动影响 ,即采煤活动形成煤层采空区变形 ,导 致隧道工程通过采空区时其衬砌结构变形 、破裂 。 这种结构类型可按采空区岩层走向与隧道的关系划 分为倾斜型和水平型两种形态 。这类围岩具有以下 特点 :
(1) 受构造改造作用的围岩大变形发生在受构造 改造作用的岩体中 ,即断裂带的碎裂化、破碎化岩体。 围岩岩体的特性是岩块的强度较高 ,但结构面发育 ,为 断层带碎裂化岩体 ,或者在硬岩中不规则地发育有多 组、多种性质的软弱结构面或软弱带 ,岩体破碎。
(2) 受构造改造作用的围岩大变形 ,其围岩一 般处于较高的应力状态 ,围岩因高围压而紧密闭合 ; 而在开挖卸荷后 ,结构面易于张开滑移 ,因此 ,岩体 强度远低于岩石强度 。
隧道全长 904 m,在掘进过程中坍塌频繁 ,排架下沉达 1. 2 m,边 墙向中间挤进 0. 3～0. 4 m,拱部剥皮掉块 ,裂缝宽达 50～150 mm
隧道全长 13 980 m ,最大埋深 740 m ,设计时已吸取了陶恩隧 道的经验教训 ,采用加强的支护系统 。虽然如此 ,局部地质不 良地段仍产生了 20～35 cm 的支护位移 ,变形初速度达到 4～ 6 cm / d,最大达 11. 5 cm / d 开挖以后 ,初期支护以前 ,围岩一般能够 (或者经过局部塌方 后 )成拱 、自稳 ,变形一般发生初期支护完成后 。围岩变形量较 大 ,持续的时间长 。往往表现为初期支护破裂 (混凝土 ) 、扭曲 (钢拱架 ) ,侵入隧道限界 ,最大已达到 300 mm ,甚至将初期支 护彻底破坏 ,产生大规模塌方 施工期间 ,隧底上鼓约 1 m ,两侧边墙内挤很大 ;通车后不久 ,隧 底上鼓 30 cm ,行车中断
隧道围岩大变形是一类危害程度大 、整治费用 高的地质灾害 ,据统计 ,国内外已发生大变形的隧道 工程有 20余座 ,大变形灾害不仅延误工期 ,而且造 成工程费用的急剧增加 ,如南昆线家竹箐铁路隧道 长 390 m 的大变形洞段 ,工期延误达四个半月之久 , 据计算整治消耗自进式锚杆 10万余米 ,如果将所有 整治费用加在一起 ,损失十分惊人 。目前已完成土 建工程的鹧鸪山公路隧道也因施工过程发生围岩大 变形不得不加强初期支护 ,增加工程的投入 。
阿尔贝格 3 公路隧道
鹧鸪山 4 公路隧道
关角 5 铁路隧道
地点
地质简况
中国梅七线 围岩 为 泥 质 页 岩 和 砂 (1976) 质泥岩
中国宝中线 ( 1992 )
有 500 m 一 段 大 部 分 为绿 色 泥 岩 , 软 弱 破 碎 ,膨胀率为 46%
奥地利 ( 1974 ～ 1979)
千枚岩 、片麻岩 、含糜棱 岩的片岩绿泥石等 ,抗 压强度 1. 2～2. 9 MPa, 原始地应力 13 MPa
长 6 400 m ,埋深 600～1 000 m。施工中在千枚岩和绿泥石地段 发生了大变形 ,产生了 50 cm (一般 )及 120 cm (最大 )的位移 , 最大位移速度达 20 cm / d,是世界上第一座知名的大变形隧道
中国南昆线 泥质砂岩 、页岩及煤系 1995年 4月 ～12月底 ,大变形的范围扩展到长达 390 m的洞段 ,
软弱围岩类 ,包括软弱的泥质页岩和砂质泥岩 、 泥灰岩以及具有膨胀性的软岩等 ,这一类型的围岩 往往保持岩体的原生结构 ,在高应力状态下围岩岩 体产生流动或塑性变形 ,在地下水的参与下岩体软 化流动 ,当岩体中含有膨胀性矿物时也会发生膨胀 变形 。根据软岩中结构面的发育特征 ,划分为均质 类型 、层状类型 、互层状类型 、具膨胀性的软弱岩类 。 这种软岩类的变形破坏机制为剪切破坏 ,围岩的变 形破坏模式表现为剪切变形以及弯曲变形产生的塑 性流动 。这类围岩具有以下特点 :
中深变质岩系 ,包括混 合岩 、片麻岩 、片岩 、大 理岩 。侵 入 岩 有 超 基 性岩 、花岗岩及各种岩 脉
巷道收敛可达数 10 cm甚至 1. 0 m 以上 ,底鼓可达数 10 cm 甚 至更大 ,变形破坏持续时间达数月至数年 。巷道破坏 、钢架严 重扭曲甚至折断 、喷层开裂和剥离 (落 ) 、锚杆失效 、预制混凝土 砌块的挤出或塌落 、现浇混凝土衬砌破裂和剥离 、混凝土底板 折断翘起等现象随处可见
辛普伦 瑞士 - 意大利 围岩 为 石 灰 质 云 母 片 施工期间 ,多处发生围岩大变形 ;隧道在竣工若干年后 ,强大的
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隧道
(1906) 岩
山体压力再次引起横通道边墙 、拱部和隧底破裂 、隆起
陶恩 8 公路隧道
奥地利 ( 1970 ～ 1975)
绿泥 石 、千 枚 岩 , 原 始 地应力 16～27 M Pa
2 隧道围岩大变形类型
2. 1 隧道围岩大变形实例
自 20世纪初首例严重的交通隧道软弱围岩大 变形发生以来 ,国内外隧道工程及地下工程已发生 了多起围岩大变形灾害 (表 1) 。
2. 2 隧道围岩大变形的主要类型
根据大量围岩大变形实例的分析与研究 ,按不 同的受控条件 ,大变形主要有受围岩岩性控制 、受围 岩结构构造控制和受人工采掘扰动影响三个大的类 型 [1]。 2. 2. 1 围岩岩性控制类
1998年 5月 ～9月 ,隧道西段 K140 + 550. 5～ + 608处衬砌混凝 土破裂 ,衬砌中的钢筋被弯曲 、剪断 ; 隧道两侧排水沟墙体开 裂 ,出现从边墙底部延伸至拱顶的斜向裂缝 ;拱顶出现长 18 m、 最宽处约 20 mm 的纵向裂缝 ,裂缝表面呈压扭性劈裂状 ;拱腰 处出现一条 10 m 长 、宽约 2 mm 纵向水平裂缝
家竹青 9 铁路隧道
( 1992 ～
地层 ,原始地应力 8. 5 拱顶发生 240 cm的下沉 ,边墙内移 160 cm,底鼓 80～100 cm;钢
～16 M Pa
拱架严重变形 ,喷层裂开剥落 ,并与钢架脱离 ;上半断面高度缩
199Leabharlann Baidu)
小到不足 1 m
金川矿 10 巷道
中国甘肃 ( 1972 ～ 2001)