缝合带软岩隧道变形与支护受力现场试验研究.pdf
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1、书书书 :缝合带软岩隧道变形与支护受力现场试验研究收稿日期:基金项目:国家自然科学基金();中国水利水电第三工程局有限公司科研项目()作者简介:杨鑫(),男,高级工程师,从事隧道与地下工程施工技术方面研究杨鑫,王建军,周波,王建明(中国水利水电第三工程局有限公司,陕西 西安 )摘要:为研究板块缝合带复杂应力环境隧道变形规律及支护结构受力特征,合理提出有效变形控制措施。以中老铁路相嫩三号隧道工程为依托,对揭示围岩强度、松动圈范围及支护结构应力进行测试分析。研究结果表明:缝合带围岩节理裂隙发育,强度极低,隧道开挖卸荷引起高构造应力释放导致局部软弱围岩剪胀和碎胀变形,持续变形累积引发水平向挤压大变形
2、,变形特征表现出显著的非对称性和渐进过程,支护结构也由局部失效到整体破坏,采用局部锚杆补强、增大结构纵向刚度、提高侧墙曲率等方法能有效控制变形发展。关键词:铁路隧道;变形特征;现场试验;缝合带;结构应力中图分类号:文献标识码:文章编号:()引言随着“新丝绸之路经济带”和“世纪海上丝绸之路”合作倡议的提出,我国建造技术已经在新时期世界舞台崭露头角,而国内外基础设施互联互通也使得中国隧道建设更具挑战性 。板块缝合带间因受强烈的冲击挤压作用,主动盘和被动盘交错,多组断裂带、褶皱等复杂地质构造发育,造成隧区构造地应力场突显,岩体高度破碎,隧道施工极易引发大变形问题,严重制约施工安全和进度。国内外隧道建
3、设工程中已经多次引发不同程度的挤压大变形问题,如奥地利的 隧道和 隧道,日本的 隧道 ,兰新铁路的乌鞘岭隧道 ,兰渝铁路的木寨岭隧道 ,成兰铁路的茂县隧道和杨家坪隧道 等。由于软弱围岩强度低,自稳定性差,高地应力环境和开挖扰动的多重影响下,围岩变形发展时空效应显著,支护结构承受极大挤压应力后发生喷射混凝土开裂,钢架弯曲扭折,仰拱错台开裂。而受初始应力方向、岩体层理结构走向发展和裂缝特征影响,隧道变形常常表现出明显的非对称性,结构受力特征复杂不明 。而目前对于软岩隧道大变形控制则主要通过多重支护增强支护刚度,组合锚杆向深层围岩锚固,超前导洞应力释放及预支护等 。此外,通过改变断面形式,增大侧墙曲
4、率,能够优化支护受力状态 。但对于隧道大变形往往由局部薄弱环节最先失效,从而导致结构整体失稳。因此根据隧道支护结构应力发展规律,明确支护薄弱环节,通过局部支护增强,形成针对性隧道大变形控制措施。以此理念能够实现形成软岩大变形隧道合理性和经济性的控制技术。本研究以磨万铁路的相嫩三号隧道工程为主要依托,通过开展岩石点荷载强度试验和松动圈测试,揭示琅勃拉邦缝合带的炭质板岩力学特征和隧道松动圈分布规律,重点分析岩石力学特征变化对隧道变形的影响规律。结合典型隧道大变形段进行初支结构受力测试,揭示施工过程的隧道结构应力分布规律,分析说明缝合带隧道结构薄弱环节,形成缝合带大变形隧道的控制理念及技术,为今后类
5、似工程提供经验借鉴。工程概况 隧道概况新建磨万线铁路工程北起中老边境口岸磨丁,采用中国铁路技术标准,是“一带一路”战略中泛亚铁路中线和中老铁路的重要组成部分。工程标段分部起讫里程 ,全长 ,占全线总长 ,位于老挝琅勃拉邦省境内,与琅勃拉邦缝合带南源斜向相交,共计隧道 座,分布如图 所示。研究以重点控制性工程相嫩三号隧道为依托开展,隧道全长 ,最大埋深约 ,设计断面采用单线布置,台阶法分部开挖,支护结构为复合式衬砌,初期支护采用喷锚网结构,支护钢拱架为 型钢,间距 ,系统锚杆拱部和边墙分别采用组合中空锚杆和砂浆锚杆,长度均为 。隧区地质概况隧道位于班献伦断裂(南边界断裂)下盘,属于琅勃拉邦缝合带
6、南缘区域,洞身段及附近次级构造发育,包括相嫩断层,相嫩 号向斜等。隧区揭示围岩以薄层炭质板岩为主,如图 所示。受区域构造影响,隧道揭示围岩破碎,节理发育,岩质软硬不均,浅埋段稳定性差,地下水主要由第四系覆盖层孔隙水、基岩裂隙水和岩溶水组成。套孔应力解除法实测地应力以水平主应力为主,水平向大主应力 ,侧压力系数 。第 卷 第 期年 月 山西建筑?围岩点荷载强度分析选取隧道代表性里程掌子面开挖剥落的非规则岩样进行点荷载强度试验,试件尺寸控制在 ,两点加载间距与加载平均宽度的比值控制在 。试验过程依照 工程岩体试验方法标准中的相关规程进行。未修正岩石点荷载强度 根据式()计算获得,未修正岩石点荷载强
7、度按式()计算获得等价岩芯直径 的岩石点荷载强度 ()。()()()()其中,为破坏荷载,;为等价岩芯直径,。隧道炭质板岩点荷载强度测试结果如图 所示。?隧区揭示炭质板岩类型可分为软泥质结构、夹杂白色石英晶体结构、层状结构三类。前两类受岩性影响,层理结构紊乱,不具明显的产状特征,第三类层状结构分为薄层状和中厚层状,强度随岩块层厚变化明显。从试验数据散点图可以看出,试验岩块强度受矿物成分和结构形式影响,强度软硬不均,离散性较高,平均点荷载强度约 ,基本属软岩。对于软质块状结构围岩,隧道变形量普遍较高,对于互层状结构炭质板岩,变形则受岩层倾向影响明显。隧道变形特征分析 隧道累积变形量分析依据 铁路
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