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近水平软弱岩层隧道施工研究进展
近水平软弱岩层隧道施工研究进展
?
岩土工程与地下工程-.
近水平软弱岩层隧道施工研究进展
缪成银,彭雪峰,郑宏
(四川公路桥梁建设集团有限公司公路i分公司,四川成都610200)
【摘要】近水平软弱岩层隧道施工一直是隧道工程研究领域的一个热点问题.文章对近水平软弱岩
层隧道施工过程中围岩稳定性,光面爆破技术,施工方案及支护技术等方面进行了回顾和总结,并对目前的
研究现状进行了评析,指出了今后近水平软弱岩层隧道施工的研究方向.
【关键词】近水平岩层;软弱岩层;隧道;施工
【中图分类号】U455.4
近水平软弱岩层是隧道程作业经常遇到的一种地质
构造,如果施T方法或支护参数不当,在开挖过程中,隧道的
拱顶会}lJ现大面积平顶,落石,塌顶等现象.这不仅直接影
响隧道的光面爆破效果,还会影响毛洞的围岩稳定性,初期
支护的数量和永久支护的混凝土下程量,增加丁程投资.
另外在软弱水平_岩层中,岩体通常都较为破碎,节理发
育,粘着性差,完整程度不高,岩稳定性较差,施T中极易
形成严重超欠挖.超欠挖问题的发生不仅增加附加T作量,
还将严重影响洞室稳定,也关系到初期支护和二次衬砌的质
量….分析影响水平岩层中同岩的稳定性的因素,确定防止
围岩失稳垮塌的措施,对于水平岩层条件下隧道的顺利施工
具有积极意义.
截至目前,针对近水平软弱岩层隧道修建的研究还不是
很多.研究的手段主要包括理论分析,模型试验和数值计算
三种方法,研究重点则集中在隧道稳定性研究,光面爆破技
术研究,施1方案及支护技术等方面.
l近水平软弱岩层隧道稳定性研究
近水平岩层隧道施工过程中,同岩的稳定性对于隧道施
T期及营运期的安全至关重要.对于近水平岩层而言,隧道
开挖对其围岩产生卸载效应,同岩产生向隧道内的位移,F}1
于层间节理粘结力弱,不能承受或只能承受很小的拉应力,
导致层问节理逐渐张开并产生破裂,同岩各层之问处于离层
状态;随着时间推移,节理之间的层状岩层在重分布应力作
用下受到围岩压力的剪切作用而发生断裂,整个岩体沿原生
和新生破裂面产生滑移,错动,剪胀变形,向开挖空间挤进而
造成失稳.通常,隧道开挖后拱部和底板容易产生松动和松
弛,是超欠挖和局部失稳易发生部位;隧道失稳形态一般可
分为顶板弯折和底板鼓起两种情况.
刘鹏等人以东兴场隧道为工程依托,采用相似模型试验
方法对隧道开挖后围岩变形各阶段进行模拟,得出了该隧道
开挖后围岩的变形过程分为弯曲内鼓一拉裂一折断塌落3
个阶段.李德海用连续介质力学的方法,分析开采煤层上
覆近水平层状结构岩体受开采的影响,在其自身重力作用下
的移动机理,并定量地解释了岩层的移动现象,得出了岩层
中下沉盆地剖面方程式].何军等人以广元至巴中高速公
【文献标识码】A
路东兴场隧道穿越水平岩层为丁程依托,采用离散单元法对
隧道变形破坏的主要因素进行模拟,得出了岩层厚度,隧道
埋深等【大】素对围岩稳定性的影响规律.晏莉等人运用数
值模拟方法研究了围岩塑性区及中间岩柱的稳定性,分析了
不同间距条件和不同周岩互层类型对中间岩柱稳定性的影
响,并提出了改进的双孔隧道中间岩柱稳定安全系数计算方
法.杨峰等人针对水平层状岩体火麻冲连拱隧道,利用数
值模拟手段和现场实测,探讨了水平层状岩体条件下连拱隧
道罔岩与支护结构变形受力特点,指f"了连拱隧道结构设计
与施丁过程的薄弱环节.关惠平等人依托广巴高速公路
某近水平岩层隧道,基于监测结果,分析了近水平岩层隧道
围岩变形特点,变形原因,划分了围岩变形阶段.通过监测
数据的同归分析,提m利用位移加速度正负的判据来分析评
价同岩稳定性.周应麟等人分析了层状岩层嗣岩隧道受
力特点,并提出层状岩层围岩隧道破坏机理及其四种典型失
稳模型,结合湖南省常张高速公路关口垭隧道工程,利用有
限元程序对不同倾角岩层围岩进一步分析了支护结构受力
特点,总结出不同产状围岩的受力特征及相应二衬的最不利
受力处,对相似层状岩层隧道设计及施1二具有一定的参考价
值和指导意义.高磊等人运用离散元数值模拟研究了隧
道围岩变形破坏机制,认为受层面与节理面切割形成的块体
在重力作用下极易发生掉落,在拱顶和拱肩部位易造成超
挖,而边墙和拱底部位嗣岩较为稳定.寇智勇等人根据广
元至巴中高速公路某隧道Ⅳ,V级围岩段典型监测断面初期
变形数据的数理统计和分析,给出了该隧道近水平沉积岩层
隧道Ⅳ,V级同岩总收敛的均值及满足二次衬砌要求的时间
均值.汶文钊认为水平岩层的结构构造特征对隧道围岩
的稳定性有很大的影响,依托横山隧道对水平岩层的稳定性
进行了分析,提出了水平岩层隧道施工中应采取的措施….
南以上研究内容可知,目前针对近水平软弱岩层隧道稳
定性的研究数量较多,但是大多数都是采用数值模拟方法进
行简单的计算,其评价大多也只停留在半定量半定性的水
平.揭示近水平软弱岩层隧道失稳机理及围岩与支护结构
[定稿日期]2011—09—02
四川I建筑第31卷6期2011.1295
?
岩±工程与地下工程?
相互作用机理的研究尚少
2隧道光面爆破技术研究
日fji『山岭隧道施T方法仍以新奥法为主,光面爆破作为
新奥法的重要元素,其爆破效果对隧道同岩,支护结构受力
影响着.在结构完整,节理,裂隙不发育的围岩中进行光
面爆破,爆破质量容易控制.然而近水平岩层中往往存在大
量的裂隙,节理以及央层,水平方向节理发育,在这种情况下
进行光面爆破遇到了很大的闲难,超爆现象时有发生.因
此,优化爆破方案,提高光面爆破质量,改善爆破效果,对于
近水平软弱岩层隧道施T尤为重要.
周宴成以太(原)中(卫)银(川)铁路柳林隧道为T程背
景,在分析隧道施T地质情况的基础上,探讨了影响水平岩
层隧道光面爆破效果的因素,对隧道水平岩层钻爆施丁技术
进行了研究,提…了减小爆破震动的措施.方俊波等人
以小浪底东苗家滑坡体排水洞施丁为例,分析了在薄水平岩
层,破碎同岩中修建隧道所产生的超挖现象,提了包括楔
形掏槽,控制周边眼装药参数,空孔导向,减震爆破等在内的
一
套针对薄水平及破碎同岩的爆破控制技术,取得良好的效
果,有效减小了超欠挖的比例【J.杨峰等人从炸药破岩机
理以及应力波通过节理,夹层传播规律来分析产生超,欠挖
现象的原因,认为实际施丁中应根据具体地质情况及时调整
爆破参数,对隧道轮廓线的不同部位,采取不同的调整措施,
可以有效的减少超挖现象.杨宗华以客运专线小坡山隧
道作为依托丁程,针对不同软硬互层嗣岩,施工中采用了小
间距光爆技术,并在实际应用中不断地修正爆破参数,以减
小爆破对层状岩层扰动,减小施工超欠挖量,确保了开挖质
量和同岩稳定J.
目前,为了控制隧道的超欠挖问题,针对施工过程中的
光面爆破技术的研究较为充分,也取得了一定的经验积累.
但是由丁水平岩层的产状及其岩性等在不同的T程中存在
其各自的特殊性,因此,实际T程中在借鉴已有经验的同时,
还应注意结合_丁程实际,不断对光面爆破技术在近水平破碎
岩层中的应用予以完善.
3隧道施工方案及支护技术研究
施]二方案及支护方法的确定直接影响到施工对同岩的
扰动程度及加同效果.由于近水平软弱岩层的力学特性
示m强烈的各向异性,所以更应对其进行深入研究.
杨宗华认为近水平岩层隧道开挖边墙部嗣岩稳定性较
好,一次开挖高度可适当加大;为避免爆破振动造成顶部岩
板层问强度明显降低,应尽量减少开挖扰动次数;若掌子面
嗣岩稳定性允许,采用大断面开挖技术有利于机械化作业.
并结合小坡山隧道的具体情况,确定采用全断面开挖作业方
式.隧道轨面以上部分一次爆破成形,落底采用跳挖法横向
一
次挖成,并搭建栈桥以利出碴,仰拱,铺底与轨面以下矮边
墙一次浇筑,其余拱墙混凝土采用整体移动式模板台车,泵
送混凝土一次成形,纵向循环长度l0m….姚云晓根据亮
垭子隧道的地质特点,通过对亮垭子隧道施工方案的比选,
以及施T中遇到的具体问题的处理措施的论述,针对软弱水
平岩层段大跨隧道的施工技术提出了一些积极看法J.杨
坚认为隧道Ⅲ级水平岩层周岩,易发生变形破坏引起掉块,
坍塌的是隧道拱部,应根据拱部同岩不同的情况采取不同的
针对性支护措施,保障了隧道施工安全和运营安全.
杨宗华以小坡山隧道为例,从开挖方法,控制爆破以及
支护手段等方面,对其水平岩层Ⅲ级嗣岩区段施一I技术进行
了探讨.汶文钊以横山隧道为例,剖析了水平岩层对隧道
开挖和支护的影响作用,提水平岩层隧道施中应采取的
措施,并对施工艺,施TT序进行优化.张宗伟'对位
于水平状灰岩地层的郁山隧道出口段,用了锚网喷相结合的
支护技术,使得隧道水平同岩破碎而出现拱部大面积剥离
掉块的现象及时得到了有效控制,确保了隧道施T安全.
李长福针对软弱水平岩层的地质特性及对隧道施I的影响,
结合T程实例,对隧道在此地质条件下施T时应采取的一些
施1二技术措施和防范要求进行了阐述和分析.钟放平基
于水平层状同岩结构特征,提出层状同岩中隧道开挖支护优
化__[况,进行桐木湾隧道锚喷支护参数优化对比现场试验和
数值模拟分析,根据现场测试和数值模拟结果,分析了锚喷
支护参数优化前后的锚杆受力和同岩变形特征.冯文凯
等人结合广元~巴中高速公路穿越某水平岩层隧道,根据现
场跟踪调查和试验,在对嗣岩岩性,物理力学性质,地层结构
和变形破坏类型等进行分析的基础上,对原支护设计方案进
行了优化,并利用施r后拱顶下沉及周边收敛监测结果进一
步证明了支护优化设计的合理性"J.邓少军等人针对水平
互层岩体隧道的开挖特点,采用FIJAc进行数值模拟,优化
了锚杆支护参数,降低了支护成本.
目前,针对近水平岩层隧道施工方案及支护技术的研究
仍停留在施丁技术总结的层面1:
-.尤其是支护技术研究,主
要以经验为主,尚未从近水平软弱岩层的各向异性受力特fIF
及其破坏失稳机理提出具有针对性的衬砌支护形式.
4结语与展望
本文对水平及近水平软弱岩层隧道施T过程巾闹岩稳
定性,光面爆破技术,施r方案及支护技术等方面进行r总
结,并对目Ij{=『的研究现状进行_r评析.
从现有研究可以看出,对于近水平软弱岩层隧道施T技
术的研究尚不充分,整体上仍停留在经验类比的层面上二.今
后,针对近水平软弱岩层隧道施丁方面的研究可沿如下几个
方向进行.
(1)对近水平软弱岩层的各向异性长期受力特征及其破
坏失稳机理展开深入研究;
(2)开展近水平软弱岩层隧道施1__.变形控制基准研究;
(3)开展近水平软弱岩层围岩一支护结构相互作用机理
研究;
(4)基于近水平软弱岩层的各向异性受力特征及围岩一
支护结构相互作用机理,开展针对近水平软弱岩层下隧道的
支护体系研究.
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铞出不!
不!
.不乔币不.不乖乔.乔不不不
(上接第94页)应进行防护密闭或密闭处理.
战时及平时所有强电和弱电管线穿过人防围护结构,防
护密闭墙(顶板)时,均应做防护密闭处理,并应有具体做法.
个别工程施工图未作防护密闭处理设计.有的工程施工图
虽然作了防护密闭处理设计,但未按标准《人民防空地下室
施工图设计文件审查要点》RFJ06—2008第6.5.1条的要
求,设计或选用与需做防护密闭处理的线路相适应的详图;
平面图中有些穿过防护密闭墙的线路,未做防护密闭处理
标注.
电气管线的防护密闭处理方式可分为电缆管线和电线
管线两类不同的防护密闭处理方式.电缆较硬不易弯曲,直
径较粗,缆芯是密实的,一般采用穿墙短管方式做防护密闭
处理,应该一根电缆穿一根管.电线较软易弯曲,直径较细,
穿在管内的几根电线之间有缝隙,一般采用暗管加暗装密闭
盒的方式做防护密闭处理.
3.2照明
《规范》GB50038—2005第7.5.17条规定,战时主要出
入口防护密闭f1~'1-直至地面的通道照明电源,宜由防护单元
内人防电源柜(箱)供电,不宜只使用电力系统电源.
该条要求两点,一是战时主要出入口防护密闭门外直至
地面的通道照明应设计完备,二是该照明的电源宜由防护单
元内人防电源柜(箱)供电.
有的工程施工图该部分照明的设计深度不够.如一个
修建在地下二层的防空地下室,主要出入口由楼梯间通到地
面,人防照明设计图只绘制了地下二层的照明平面图,而从
地下一层直至地面的通道照明设计没有交代,不能完全满足
该条规范的要求,也就不能保证战时人员从这个出入口安全
进出.
3.3接地
(1)《规范》GB50038—2005第7.6.3条规定,防空地下
室室内应将下列导电部分做等电位连接:
①保护接地干线;
②电气装置人T接地极的接地干线或总接地端子;③室内的
公用金属管道,如通风管,给水管,排水管,电缆或电线的穿
线管;④建筑物结构中的金属构件,如防护密闭门,密闭门,
防爆波活门的金属门框等;⑤室内的电气设备金属外壳;⑥
电缆金属外护层.
防空地下室的总等电位联结增加了一些需连接的内容,
如防护密闭门,密闭门,防爆波活门的金属门框等.有的工
程施工图等电位设计仅仅选用标准图集《等电位联结安装》
02D501—2,该图集等电位连接内容没有防护密闭门,密闭
门,防爆波活门的金属门框等,因此不能完全满足该条规范
的要求.
(2)《规范》GB50038—2005第7.6.6条规定,利用结构
钢筋网做接地体时,纵横钢筋交叉点宜采用焊接.所有接地
装置必须连接成电气通路;所有接地装置的焊接必须牢固
可靠.
有的工程施工图对"纵横钢筋交叉点宜采用焊接"的要
求没有任何设计交代.
(3)根据标准《人民防空地下室施工图设计文件审查要
点》RFJ06—2008第6.2.3条的要求,施工图设计说明中,应
有防空地下室的类别,防护抗力级别,防化级别等内容.
四川建筑第31卷6期2011.1297
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