軟巖隧道變形支護(hù)研究

唐輝

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川成都 610072)

軟巖隧道變形支護(hù)研究

唐輝

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川成都 610072)

目前我國正處于經(jīng)濟(jì)發(fā)展時(shí)期,大量的基礎(chǔ)設(shè)施、城市建設(shè)工程都在高速現(xiàn)代化施工中,然而我國地質(zhì)情況多變,各區(qū)域省市地質(zhì)情況多有不同,給地下工程的建設(shè)施工增加了應(yīng)變的難度。當(dāng)前工程界在面對復(fù)雜地質(zhì)情況的施工問題也成為了焦點(diǎn)關(guān)注的問題,本文作者從實(shí)際工作出發(fā)對軟巖隧道變形支護(hù)進(jìn)行了全面闡述。

軟巖 隧道 變形 支護(hù) 研究

1 軟巖的分類

首先在地質(zhì)施工中應(yīng)對當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)類型進(jìn)行分別歸類，在軟巖分類中運(yùn)用地質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)分表征軟巖特性，收集信息進(jìn)行分析歸類，也便于在工程設(shè)計(jì)中提供最佳地質(zhì)施工方案。國際上對軟巖的分類方法和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)有很多種，以下是國內(nèi)比較常用的幾種：

(1)巖石強(qiáng)度分類。在巖體的分類中，可參照巖體的強(qiáng)度、實(shí)際滲透性，以及巖體的變形特性與巖體穩(wěn)定性進(jìn)行鑒別。

(2)成因類型分。分析軟巖的地質(zhì)形成原因，在從原因入手進(jìn)行分類，我們可以把軟巖分為兩類：原生軟巖和次生軟巖，其中次生軟巖亦可分成，“風(fēng)化軟巖”與“斷裂破碎軟巖”。

原生軟巖的定義為“沉積巖”。所謂“沉積巖”是指在地殼表面的常見巖石的一種，起特性是由松散的堆積物經(jīng)長時(shí)間變化小的溫度壓力環(huán)境下自然形成的沉積巖。且具有，粘?；|(zhì)含量高、膠結(jié)程度比較差，吸水膨脹溶解等特性。

(3)不同類別的軟巖，通常的特性區(qū)分在巖體強(qiáng)度、泥質(zhì)含量、與巖體結(jié)構(gòu)塑性變化差異大小等。我們通過普遍特性可將軟巖歸為四大類即：膨脹性軟巖、高應(yīng)力軟巖、節(jié)理化軟巖和復(fù)合型軟巖。

膨脹性軟巖的判斷在于，巖體中是否含有膨脹性黏土礦物、且在低應(yīng)力(如〈25MPa)時(shí)，容易發(fā)生明顯的變形情況，在試驗(yàn)中表現(xiàn)為巖體強(qiáng)度較低。高應(yīng)力軟巖的判斷可根據(jù)，在高應(yīng)力(Ra＞25MPa)水平作用下是否發(fā)生明顯的巖體變形而得出結(jié)論。節(jié)理化軟巖的判斷可根據(jù)，巖體泥質(zhì)成分含量是否為極少得出結(jié)論，復(fù)合軟巖的判斷則是考量具備以上三種軟巖的特性組合得出結(jié)論。

2 軟巖隧道支護(hù)設(shè)計(jì)方法

在軟巖隧道支護(hù)設(shè)計(jì)方法中應(yīng)充分考慮到隧道的變形性、穩(wěn)定性，根據(jù)實(shí)際情況作出合理設(shè)計(jì)。我們將最常見的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法分為四大類即為：經(jīng)驗(yàn)類比設(shè)計(jì)模型、荷載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型、連續(xù)介質(zhì)設(shè)計(jì)模型和收斂約束設(shè)計(jì)模型。

2.1 經(jīng)驗(yàn)類比設(shè)計(jì)模型

首先需要對施工工程的圍巖與土層進(jìn)行分析區(qū)分，再根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，對比同類工程施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)資料，通過工程分類比進(jìn)行設(shè)計(jì)。此種隧道設(shè)計(jì)模型是當(dāng)前運(yùn)用最為普遍。在對比分類中可通過兩種方法即為：“直接類比法”與“間接類比法”。直接類比法在具體運(yùn)用中以以巖體的強(qiáng)度、完整性、地下水影響程度、洞室埋深、可能受到的地應(yīng)力、施工的方法、施工的質(zhì)量等指標(biāo)，將設(shè)計(jì)工程與上述指標(biāo)基本相同的已建工程進(jìn)行對比，藉此確定本工程的地下結(jié)構(gòu)類型與設(shè)計(jì)方案：間接類比方法的運(yùn)用則以現(xiàn)行的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、考察圍巖類別以及巖體特性參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場情況確定工程的結(jié)構(gòu)類型和設(shè)計(jì)方案。此類模型的難度為，在地下工程唯一性的前提下，精確獲取地下工程巖體參數(shù)的難度較高。

2.2 荷載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型

地層荷載一般由兩部分構(gòu)成，即地層壓力和彈性抗力。地層壓力通常按照土壓力公式、經(jīng)驗(yàn)公式或圍巖分級(jí)確定；彈性抗力則通過文克爾局部變形理論、彈性地基、梁理論等計(jì)算。

荷載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型的思路是：地層對地下結(jié)構(gòu)的作用只是產(chǎn)生作用在結(jié)構(gòu)上的荷載，按照結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法計(jì)算地下結(jié)構(gòu)在地層荷載作用下產(chǎn)生的內(nèi)力和變形。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是確定作用在地下結(jié)構(gòu)上的地層荷載。這種方法特點(diǎn)是，借鑒地面結(jié)構(gòu)成熟的設(shè)計(jì)理論，思路比較明確，但是地層荷載確定比較困難，也限制了此模型的應(yīng)用范圍。

2.3 連續(xù)介質(zhì)設(shè)計(jì)模型

考慮到不同形狀的地下結(jié)構(gòu)，地層和材料的非線性。連續(xù)介質(zhì)設(shè)計(jì)模型將隧道襯砌結(jié)構(gòu)和地層視為一個(gè)整體，共同承載荷載，其主要作用是約束和限制地層的變形，兩者相互作用，使結(jié)構(gòu)體系達(dá)到新的平衡狀態(tài)，它可以對隧道的空間效應(yīng)和地層的不連續(xù)性有很好的兼顧。但是地質(zhì)巖體的不連續(xù)性和模型的連續(xù)性存在矛盾，使得這種模型在理論上還需要加以完善。

2.4 收斂約束設(shè)計(jì)模型

收斂約束設(shè)計(jì)模型的基本原理：按彈塑性理論等計(jì)算并繪制表示地層受力變形特征的隧洞周邊收斂曲線，同時(shí)按照結(jié)構(gòu)力學(xué)的原理計(jì)算并繪出表示地下結(jié)構(gòu)受力變形特征的支護(hù)約束曲線，得出兩條曲線的交點(diǎn)，根據(jù)交點(diǎn)處表示的支護(hù)阻力值進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

收斂約束設(shè)計(jì)模型又稱特征曲線設(shè)計(jì)模型或變形設(shè)計(jì)模型，是一種以理論為基礎(chǔ)，實(shí)測為依據(jù)、經(jīng)驗(yàn)為參考的較為完善的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型。這種模型比較注重理論與實(shí)際應(yīng)用的參照，比較適用軟巖地下洞室、大跨度地下洞室和特殊洞型地下洞室的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3 隧道圍巖變形支護(hù)理論

從最初的古典壓力理論到現(xiàn)在軟巖工程力學(xué)支護(hù)理論，人們對軟巖隧道支護(hù)理論的認(rèn)識(shí)是隨著工程實(shí)踐不斷深化的。經(jīng)過近百年的發(fā)展和完善，已經(jīng)產(chǎn)生數(shù)十種軟巖支護(hù)理論。但是，目前為止，還沒有一種較為成熟的理論，能適用于所有情況。

(1)古典壓力理論：隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的圍巖壓力是其上覆巖土層厚度和重安的乘積。(2)塌落拱理論：是為解決古典壓力理論僅能適應(yīng)較淺地層的情況而誕生的理論。具有代表性的塌落拱理論有普洛托季雅克諾夫(簡稱普氏)理論和太沙基理論，兩種理論的結(jié)論基本一致。(3)新奧法：是“新奧地利隧道施工法”的簡稱，主要包括隧道設(shè)計(jì)、隧道施工方法和現(xiàn)場監(jiān)控量測等多方面。

4 軟巖隧道大變形控制技術(shù)

在軟巖隧道工程中，為適應(yīng)地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)條件的變化，常將各種單一支護(hù)材料和結(jié)構(gòu)，甚至將常規(guī)穩(wěn)定措施與特殊穩(wěn)定措施，按照一定的施工工藝進(jìn)行組合，組合形式都必須是技術(shù)可行、受力合理、作用有效、費(fèi)用經(jīng)濟(jì)的。聯(lián)合支護(hù)的施工不僅應(yīng)滿足各部位施工的技術(shù)要求，還應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

(1)聯(lián)合支護(hù)彼此要直接地牢固相連，以充分發(fā)揮聯(lián)合支護(hù)效應(yīng)，宜聯(lián)不宜散。

(2)錨桿要有適量的露頭，鋼筋網(wǎng)及鋼拱架要盡可能多地與錨桿焊接。

(3)鋼筋網(wǎng)和鋼拱架一般要求被噴射混凝土所包裹、覆蓋密實(shí)，只有當(dāng)量測數(shù)據(jù)顯示圍巖已經(jīng)達(dá)成穩(wěn)定時(shí)，才可以不必用噴射混凝土完成覆蓋，但應(yīng)在試作二次襯砌時(shí)采用普通混凝土填筑密實(shí)。

(4)分次試作的聯(lián)合支護(hù)，如超前錨桿與系統(tǒng)錨桿及鋼拱架的聯(lián)結(jié)等，應(yīng)盡快將其相連。

(5)分次試作的聯(lián)合支護(hù)，要在量測指導(dǎo)下進(jìn)行，并可作適當(dāng)調(diào)整，以做到及時(shí)、有效、經(jīng)濟(jì)地控制圍巖變形，保證圍巖穩(wěn)定。

[1]關(guān)寶樹編著.隧道工程施工要點(diǎn)集[M].人民交通出版社,2003.