軟硬互層隧道圍巖穩(wěn)定性及施工方法
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摘要:軟硬互層巖體為地下硐室建設(shè)的一個(gè)難點(diǎn)，由于具有不均勻、非連續(xù)和不規(guī)則分布的節(jié)理裂隙存在，使得其強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定性均不同于單一圍巖體，增加了施工和支護(hù)困難，因此有必要對(duì)軟硬互層圍巖的變形穩(wěn)定特性進(jìn)行特定的研究?；诖?，結(jié)合現(xiàn)有大量而廣泛的軟硬互層圍巖研究理論和實(shí)踐，從圍巖分析、變形穩(wěn)定和施工技術(shù)方面全面概括了軟硬互層圍巖現(xiàn)有研究現(xiàn)狀。
關(guān)鍵詞:軟硬互層;圍巖分級(jí);圍巖穩(wěn)定性;施工技術(shù)
隧道工程是交通建設(shè)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。隧道建設(shè)中，因設(shè)計(jì)或支護(hù)不及時(shí)等引起圍巖變形破壞造成的圍巖坍塌等問題，影響工程進(jìn)度和威脅施工人員生命和財(cái)產(chǎn)安全。軟硬互層巖體是由自然和地質(zhì)營力在漫長地質(zhì)歷史時(shí)期共同塑造而成的一種獨(dú)特的沉積、或變質(zhì)地層組合，屬于常見復(fù)雜圍巖體之一，給地下工程建設(shè)帶來巨大的挑戰(zhàn)。軟硬互層巖體具有明顯的正交各項(xiàng)異性或橫觀各項(xiàng)同性，平行層面方向的巖土體性質(zhì)相同，而垂直層面方向的巖土體性質(zhì)呈軟硬交替，因此其強(qiáng)度和變形等力學(xué)性質(zhì)具有明顯的各項(xiàng)異性，但現(xiàn)有的設(shè)計(jì)和施工中，常將其按理想單一巖體進(jìn)行分析，造成支護(hù)失效、圍巖變形過大等問題。鑒于此，本文將全面闡述軟硬互層圍巖關(guān)于圍巖分級(jí)、變形和穩(wěn)定性分析、支護(hù)施工優(yōu)化等方面研究進(jìn)展，以期為軟硬互層圍巖設(shè)計(jì)及施工提供參考。
1軟硬互層圍巖分級(jí)
圍巖分級(jí)是地下硐室科學(xué)設(shè)計(jì)和順利施工的基礎(chǔ)，現(xiàn)有分級(jí)方法主要參照公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范，即:首先根據(jù)巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整性兩個(gè)定性因素結(jié)合定量的巖石基本質(zhì)量指標(biāo)BQ，進(jìn)行初步分級(jí)，然后考慮地下水、主要軟弱結(jié)構(gòu)面、初始應(yīng)力狀態(tài)的影響程度，修正巖體基本質(zhì)量指標(biāo)，得到修正的基本質(zhì)量指標(biāo)修正值BQ，再結(jié)合定性特征進(jìn)行綜合評(píng)判，確定圍巖的詳細(xì)分級(jí)。然而，軟硬互層圍巖并不是單一軟巖或硬巖，按照上述方式進(jìn)行分級(jí)很難得到準(zhǔn)確合理的圍巖等級(jí)，往往造成施工過程中變更施工設(shè)計(jì)，改變施工方法和支護(hù)參數(shù)，影響工程進(jìn)度和施工安全。造成軟硬互層圍巖分級(jí)困難的原因主要有兩個(gè):其一是現(xiàn)有勘察工作難以滿足軟硬互層圍巖分級(jí)要求，即如果按照現(xiàn)有的勘察規(guī)范要求，對(duì)于具有多變性和復(fù)雜性的軟硬互層巖體就顯得針對(duì)性不夠，難以獲取關(guān)鍵的數(shù)據(jù)和資料;第二是目前針對(duì)軟硬互層圍巖的強(qiáng)度和變形等特性研究不夠深入，缺乏清晰而全面的認(rèn)識(shí)和理解?；诖耍槍?duì)軟硬互層圍巖三臺(tái)階七步法施工有限差分法數(shù)值模擬結(jié)果指出，軟硬互層圍巖分級(jí)受軟巖厚度決定，具有兩個(gè)臨界值，當(dāng)軟巖厚度小于2m按照硬巖劃分;當(dāng)軟巖厚度大于10m按照軟巖劃分。在分析和討論水文地質(zhì)、巖性和地質(zhì)構(gòu)造的基礎(chǔ)上，提出軟硬互層圍巖初步分級(jí)思路和方案，即找出圍巖分級(jí)控制因素，然后從定量和定性方面綜合分析評(píng)判:定量方面，軟巖的性質(zhì)控制軟硬互層圍巖工程特性，考慮巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度、自由膨脹系數(shù)和軟化系數(shù)3個(gè)指標(biāo)，而忽略巖體完整性系數(shù)、巖體體積節(jié)理數(shù)和巖石風(fēng)化系數(shù)等;定性方面，首要考慮軟巖的巖性特征，其次為軟硬巖組合比例和軟巖厚度，最后考慮軟硬互層巖體宏觀構(gòu)造，如巖層傾角等。
2軟硬互層圍巖穩(wěn)定性分析
不同于單一巖體連續(xù)的力學(xué)性質(zhì)，軟硬互層圍巖由于節(jié)理和層理等結(jié)構(gòu)面的存在而致使受力和變形表現(xiàn)為不連續(xù)。1989年鮮學(xué)福和譚學(xué)術(shù)出版著作《層狀巖體破壞模式》中就針對(duì)軟硬互層巖體進(jìn)行了系統(tǒng)研究，指出巖石強(qiáng)度、節(jié)理性質(zhì)、巖層傾角和隧道軸線與巖層走向的相交角度等因素對(duì)軟硬互層圍巖的受力狀態(tài)、變形特征和穩(wěn)定性具有重要影響?；谑覂?nèi)單軸壓縮試驗(yàn)和現(xiàn)場圍巖變形監(jiān)測層狀圍巖表現(xiàn)的各項(xiàng)異性特征，得到基于各項(xiàng)異性彈性本構(gòu)方程的橫觀各項(xiàng)同性彈塑性本構(gòu)關(guān)系，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該模型的正確性。李曉紅課題組成員結(jié)合共和隧道軟硬互層圍巖數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測得到層狀圍巖具有偏壓特征，層理結(jié)構(gòu)面控制圍巖的變形破壞。變形破壞發(fā)生于巖體層理垂直方向而非最大主應(yīng)力方向，且呈不均勻的楔形掉落快，層狀巖體的力學(xué)特性控制著圍巖的變形破壞。針對(duì)傾斜軟硬互層圍巖開挖中表現(xiàn)出非對(duì)稱變形破壞進(jìn)行數(shù)值模擬研究指出，非對(duì)稱變形破壞產(chǎn)生的主要原因?yàn)榉菍?duì)稱巖體的層間剪切滑移變形和高應(yīng)力擴(kuò)容變形，破壞的關(guān)鍵部位為與隧道斷面呈鈍角的巖層傾斜方向。利用離散元方法研究巖塊強(qiáng)度、節(jié)理強(qiáng)度、節(jié)理埋深和間距、節(jié)理傾角等因素對(duì)軟硬互層巖體隧道變形破壞模式結(jié)果表明，節(jié)理強(qiáng)度對(duì)于隧道圍巖穩(wěn)定性的作用大于巖塊強(qiáng)度;隧道破壞的方向受節(jié)理傾角的影響。結(jié)合離散元和室內(nèi)模型試驗(yàn)研究節(jié)理傾角對(duì)軟硬互層圍巖塌落拱影響得到，塌落面積、塌落寬度和塌落高度都與其呈非線性函數(shù)關(guān)系。
3軟硬互層圍巖施工與支護(hù)優(yōu)化
軟硬互層具有層理效應(yīng)，圍巖變形破壞不同于單一巖土體，其支護(hù)和施工應(yīng)采取特殊的手段。依托江習(xí)高速四面山隧道，考慮層理效應(yīng)的橫觀各項(xiàng)異性，采用ANSYS數(shù)值模擬水平軟硬互層圍巖動(dòng)態(tài)施工過程，考察單側(cè)壁導(dǎo)坑法、全斷面法和上下臺(tái)階法施工方法圍巖變形情況，得出上下臺(tái)階法符合安全和經(jīng)濟(jì)要求，適用于軟硬互層圍巖開挖。同時(shí)，通過取消與巖層角度分別為－5°、0°、10°、15°、20°、25°、30°、35°和40°的錨桿考察錨桿支護(hù)效應(yīng)得到結(jié)果為應(yīng)取消與巖層角度小于35°的錨桿。針對(duì)隧道掘進(jìn)機(jī)在軟硬互層圍巖中遇到的軟巖遇水軟化崩解、泥裹刀、難出渣及頻繁塌方等技術(shù)問題，提出分區(qū)段動(dòng)態(tài)調(diào)整施工方法以適應(yīng)軟硬互層復(fù)雜圍巖條件，具體措施包括隧道掘進(jìn)機(jī)不停機(jī)、連續(xù)低速和低貫入度掘進(jìn)、增設(shè)管棚和減小拱架間距、及時(shí)封閉、開挖導(dǎo)洞和減少掌子面噴水等聯(lián)合措施。結(jié)合理論分析、現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究急傾斜軟硬互層圍巖變形穩(wěn)定控制問題，針對(duì)急傾斜軟硬互層圍巖偏壓作用明顯，非對(duì)稱性，底臌嚴(yán)重且易冒頂，頂板下滑的變形破壞特征，提出在原有錨———網(wǎng)———索支護(hù)耦合結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，針對(duì)圍巖產(chǎn)生變異破壞的關(guān)鍵部位利用底角錨桿和錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)的方法，經(jīng)驗(yàn)證能夠很好的控制圍巖變形。
4結(jié)語
綜上所述，軟硬互層圍巖工程性質(zhì)非常復(fù)雜，其施工及支護(hù)不能簡單采用單一巖體方法。隧道開挖中，只有采取加強(qiáng)多方面監(jiān)控量測手段及數(shù)據(jù)分析，盡可能準(zhǔn)確識(shí)別掌子面前方軟硬圍巖的位置及規(guī)模，有條件情況下進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法進(jìn)行深入分析，結(jié)合前期經(jīng)驗(yàn)，才能及時(shí)準(zhǔn)確調(diào)制施工及支護(hù)策略，保證施工安全有效。
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作者：胡凱 黃衛(wèi)國 李和元 單位：江西省公路工程檢測中心