深埋隧道软弱围岩支护体系受力特征试验研究

2013-08-15王毕

山西建筑 2013年7期

王毕

(中铁十一局集团第四工程有限公司，湖北武汉 430074)

1 概述

随着我国工程建设的不断发展，公路铁路建设也得到了很大的发展，在这些工程中出现了很多需要穿越深埋高地应力软岩区域长隧道工程且不断增多，但是由于在深埋和地质活动上的影响，隧道在穿过高地应力区域时，被一些深埋工程地质和软弱围岩力学问题所困扰。因为深埋隧道工程主要是在一些深部岩土体中进行施工作业，隧道周围的一些岩土体就是所谓的围岩，它的力学变形性质一般是因为地质环境的不同导致不同差异的产生，当我们在施工时是很难确定及控制其地质介质的。并且很多情况中围岩在开挖之后所表现的力学效应是非线性变化的。如果这个时候采取传统的力学方法去对围岩进行稳定就很困难了。隧道工程的特点就是地质条件很复杂，对其影响因素多，施工作业难度很大。若是在深埋软弱岩体内进行隧道开挖，其施工难度会更大，在隧道施工中很容易发生局部变形和因挤压过大导致的变形，支护工作很难进行，从而隧道工程造价也增大了，进度缓慢，工期长。若是发生了坍塌事故则会给工程带来很大影响。所以对深埋隧道软弱围岩支护体系受力特征的分析可以保证隧道施工中足够的安全性，对其理论进行进一步的完善，对地下工程有着非常重大的意义。

2 深埋隧道软弱围岩变形特征和影响因素

在隧道施工中，有关软弱围岩变形受到破坏的特点主要有以下6点:1)由于软弱围岩自身具有强度低、稳定性比较差、抵抗变形的能力比较弱。其变形量之所以会那么大，主要是因为，直墙拱隧道收敛方向一般是水平的，但是在曲墙拱隧道当中，收敛方向却是垂直的。2)在施工初期的时候，其变形速度很快，但是收敛率却非常缓慢，并且在发生变形之后，其会持续比较长的时间。3)跟地应力相对比，隧道软弱围岩强度跟其的比值比较小，而由于围岩受破坏时具有较大的破坏范围，如果支护不及时，可能会进一步扩大其破坏的范围。4)隧道围岩发生变形具有一定的变形规律，呈三阶段变形。其在时间上也有很明显的反映。在变形初期一般是剧烈变形，压力来的很快，变形速率增大，变形量增大，因为其本身的特性使其自稳能力差，但是在之后的缓慢变形和稳定变形阶段中，反映出来变形量比较小，变形速率减慢，但是持续时间比较长。5)隧道软弱围岩一般呈现出环向受压，在隧道施工开挖时不仅顶板容易脱落，底板也容易发生底鼓现象，若是支护控制不力，底板底鼓现象会变得很严重。6)当在施工过程中，埋深增大时，地质条件的不同对应的软化临界深度也不同，若是超过了临界深度，再进行支护其难度将会更大，在不同作用力下会产生不同方向的变形。

对深埋隧道软弱围岩以及支护影响因素主要有以下4点:1)围岩本身性质原因，因为围岩具有强度、结构、胶结程度和胶结物的整个性能，膨胀性矿物质含量的影响，这些都是属于隧道软弱围岩变形的某些内在因素。2)围岩外应力作用下造成围岩变形，其中围岩应力主要有构造残余应力以及垂直应力，同时，还包括施工过程中所产生的扰动应力以及环境因素等产生的其他应力。如果相邻隧道在施工时产生压力，也会成为其中一种应力。当这些不同的应力叠合在一起，会对隧道带来更大的不良影响。3)有时候会受到工程用水或者隧道地下水的作用，会对膨胀岩产生很大的影响，由于水分因素的影响，会造成粘土成分的改变，从而降低了岩石的整体强度。4)时间也是其中一个影响因素，因为软弱围岩具有流变性质，因此，隧道发生变形跟时间实际上是有很大关联的。

3 深埋隧道软弱围岩变形力学机制

通过室内岩石试验证实中，一般岩石变形以及破坏有这样两种机制:剪切和拉张机制，在岩石受到单轴受压时，因为压应力引发了拉应力或者是剪应力。岩石实际变形破坏过程是因为内部的微裂纹在拉应力或者是剪应力作用下发生的，微裂纹的不断扩展、归并，最终形成了宏观的裂缝。在隧道软弱围岩中主要划分有三类变形，即物化膨胀类、应力扩容类和结构变形，物化膨胀主要是和软弱围岩中分子结构化学特征有关系，结构类变形主要是和其岩体结构面特性有关，应力扩容类主要与隧道施工中应力变化状态有关。在隧道开挖之前，围岩受到了三个方向的受压，并且处于一个很平稳状态。但是在开挖之后原来围岩所处的环境遭到破坏，无论什么理论的分析下，隧道围岩切向都会随着应力增大，其径向应力减小，处于一个两个方向受力的状态下，与此同时主应力比原来围岩上承载的应力要大，但是由于应力的改变，导致围岩也发生相应变形，因此，围岩变形实际上是围岩中各种应力在不断变化的过程。另外，如果从另一个角度看，则是由于围岩压力在开挖后下降，使得围岩结构中出现了岩体模量及强度明显下降，且出现滑移现象，随着应力以及变形的不断变化，这种现象越来越严重，且该种变化一般都是会不利于隧道稳定性的，从而使得隧道中出现严重的破坏现象。在开挖之后，由于释放应力，使得围岩出现了调整和回弹的现象，同时也出现了围岩扩容的情况，这样就导致岩体水文地质条件发生了改变，在施工过程中，导致裂缝渗流，岩体也降低了，其物理力学参数也得到了改变，围岩的膨胀变形加强。

4 软弱围岩以及初期支护的相互作用

在围岩和支护结构相互作用中应该满足以下两个特点:1)要满足支护力和支护压力的平衡。2)其支护结构和被支护围岩中接触面应该满足变形相等的条件。在深埋软弱围岩隧道施工中，围岩内部摩擦角和粘聚力对围岩中塑性区以及变形有很大影响，当其摩擦角和粘聚力变小的时候会导致对围岩塑性区上变形加大。在深埋隧道软弱围岩支护结构中产生的抗力对其塑性区半径不会有很大影响，支护结构主要是起辅助性作用，主要是围岩的自承能力。围岩越软弱，其支护力对围岩变形的减小效果越好，要围岩能够充分释放其变形能，可以采取柔性支护结构来对围岩和初期支护结构造成一些限制性变形，以达到减小支护结构受力的作用。当支护刚度越大时，其混凝土圆环就越厚，但是围岩还是会在支护约束下发生一些小的变形，随着隧道中开挖量的增大，仅仅采用刚度小的支护，这种情况会使得其围岩变形程度增大，但是还是可以保证其隧道的稳定，并且是一种经济安全的方法。在隧道开挖时，围岩弹性会产生相应的弹性变形，且这种变形非常快，在释放的时候所产生的支护压力也非常大，因此，如果在岩洞刚开挖的时候就进行支护，那么这么大的抗力支护是无法承受的，并且在目前，凭借最新的技术，也不能做到刚开始挖洞就采取支护，也无法有效降低支护压力。所以在施工过程中，在围岩允许的塑形变形之后需要进行适当的支护，才能够在比较小的支护刚度和强度下保证围岩的稳定性。