地形与地质构造偏压隧道结构受力分析

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中　外　公　路

第29卷　第5期

2009年10月

　文章编号:1671-2579(2009) 05-0204-04

地形与地质构造偏压隧道结构受力分析

高世军1, 张学民2

(1. 贵州省交通规划勘察设计研究院, 贵州贵阳　550001; 2. 中南大学)

摘　要:通过对贵州三凯高速公路松皆雅隧道工程地质情况的现场调查, 对隧道支护结构压溃机理进行了理论分析, 并提出了相应加固处治方案。结果表明, 地形偏压和地质构造偏压的复合作用是引起地表岩体开裂和支护结构压溃破坏的主要原因, 在地形偏压不显现的情况下, 顺倾地质构造偏压对隧道支护结构受力和变形起着控制作用。针对不同偏压情况, 提出了地表锚索、抗滑桩加固和洞内支护加强相结合的综合治理方案, 应用实践证明了处治方案的合理性, 可供类似隧道工程参考。

关键词:隧道工程; 地形偏压; 地质构造偏压; 压溃机理; 地层加固

1　引言

所谓偏压隧道, 力呈明显的不均匀性, 隧道。根据引起偏压来源的不同, 可将偏压隧道分为:地形引起的偏压、地质构造引起的偏压、施工原因引起的偏压, 其中地形偏压隧道最为常见。

对于地形偏压和地质构造偏压, 一旦隧道空间位置确定, 由于地形或地质构造原因产生的地形偏压或地质构造偏压也就确定了, 要想改变偏压的影响具有相当的难度, 必须采取相应的技术措施加以解决。而由不同的施工方法和施工顺序所产生的施工偏压是可以控制的。在隧道地形和地质构造偏压已经确定的情况下, 尽可能采用合理的施工方法和施工顺序, 可以在一定程度上减小地形和地质构造偏压对结构和岩体应力和变形的影响。目前, 国内对偏压隧道的研究主要局限于地形偏压隧道。而对于地质构造引起的偏压, 亦开始引起国内外学者的高度重视。但对于隧道同时存在地形偏压和地质构造偏压的工况研究较少。

本文针对松皆雅Ⅱ号隧道施工中出现的衬砌压溃和山体开裂等问题, 在分析该隧道工程地质条件基础上, 通过讨论地形偏压和地质构造偏压对隧道受力和变形特征的影响, 分析了隧道支护结构压溃和山体开裂的原因和机理, 并提出了相应加固处理方案。

收稿日期:2009-03-25

基金项目:国家自然科学基金资助项目(编号:50808178) 作者简介:高世军, 男, 硕士, 高级工程师.

松皆雅Ⅱ号隧道位于贵州省三凯高速公路段, 隧

址穿过两个山梁及一个沟谷洼地, 为双线单洞隧道, 左洞长535m , 右洞长430m , 隧道中轴线相距40m 。隧道洞口段里程ZK122+310～ZK122+405, 为浅埋、严重偏压段, 长达100m 。

本隧道横穿一发育向斜, 受向斜构造影响, 隧道区岩层产状变化大。隧道进口向斜N E 翼岩层产状:N20°～25°E/NW ∠30°～45°, 隧道出口向斜SW 翼岩层产状:N10°～20°E/SE ∠40°～45°。出露地层为前震旦系上板溪群的老地层, 受后期多次构造作用破坏, 岩体节理裂隙十分发育, 其工程地质特性主要受裂隙影响和控制。工程区出露地层由新到老主要有:①第四系覆盖层, 主要为黑色腐殖土、黄色粘土夹碎块石及碎石土, 在隧道区广泛分布, 厚0～2. 60m ; ②基岩, 主要为前震旦系上板溪群清水江组第二段的黄色、浅灰色及灰色薄至中厚层硅质胶结变余石英夹砂岩, 节理裂隙十分发育, 岩体不均一风化及差异性风化特点明显, 一般垂直风化深度为10. 0～15. 80m , 最深可达21. 60m 。

3　隧道支护结构压溃机理分析

3. 1　隧道结构与山体破坏情况

通过对隧道洞口段ZK122+310～ZK122+405

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范围进行现场复测, 实测地形横断面和地形平面图如图1、2所示。隧道洞口段地形偏压较为严重, 地表倾角约45°, 隧道外侧最小埋置深度8m 左右, 其中局部最小埋深仅3～5m

。

法, 建立力学模型, 分别定性分析了地形偏压和地质构造偏压对隧道结构受力和变形特征的影响。3. 2　地形偏压对隧道结构受力和变形的影响

为了比较地形偏压和地质偏压的不同作用机理, 对于地形偏压, 将地层等效为各向同性均质岩体。根据工程地质资料和公路隧道设计规范, 确定土层与支护结构参数, 采用FLAC2D 软件, 建立地形偏压作用下单洞力学模型, 围岩服从M -C 屈服准则, 初始应力仅考虑自重应力。初期支护及二次衬砌均采用梁单元。隧道开挖瞬间应力释放为20%, 初支完成后释放20%, 二衬施作后释放60%。图3是二次衬砌弯矩分布规律。

图1　隧道洞口ZK 122+370

顺倾偏压地形横断面

图3　二次衬砌弯矩分布规律

图2　隧道洞口段平面地形图

2003年7月开工后, 隧道上半断面掘进12m 时,

从图3可知, 二次衬砌弯矩分布沿隧道断面变化

极不规则, 由于地形偏压作用, 弯矩沿隧道中线呈不对称分布, 左右两侧弯矩作用方向相反, 与无偏压情况的隧道内力分布截然不同, 支护结构发生整体向右侧的扭转变形。隧道两侧拱脚处弯矩较大, 仰拱弯矩次之, 拱部弯矩最小, 受力最不利处位于左侧拱脚, 其中二衬外侧受拉。

根据隧道围岩位移场, 隧道结构发生了明显的挤压变形, 其中, 拱顶沉降变形量较大, 而两侧边墙向隧道外出现挤压变形。位移场沿隧道中心同样不对称分布, 深埋部分拱顶偏左侧位移相对较大。3. 3　地质构造偏压对隧道结构受力和变形的影响

成层单斜构造岩体往往呈现较为显著的各向异性特征, 采用宏观各向同性力学模型可以更好地描述单斜构造岩体的力学特性。为此, 本节采用FL AC2D 软件建立相关力学模型, 分析地质构造偏压对隧道结构受力和变形的影响。分析过程中, 为了避免隧道形状效应在局部引起围岩应力集中, 根据面积相等的原则, 将隧道断面等效为圆形断面, 等效后断面直径为9. 87m , 并假定地形线为水平。

计算模型采用宏观各向同性本构模型, 各向异性参数为:剪切模量G 2=7. 8GPa , 密度d =2000kg/m 3, 弹性模量E 1=7. 8GPa , E 2=2. 4GPa , 泊松比

隧道结构出现了明显的不收敛变形, 山体逐步出现较大的纵向裂缝, 隧道内部支护结构同样也发生了纵向开裂, 由于临时支护措施未发挥有效支撑作用, 最终导致隧道围岩与支护体系发生垮塌破坏。

综合对工程地质、现场量测数据和现场调查等资料的分析, 对隧道失稳的原因初步总结为:

(1) 隧道洞口段埋深浅, 洞身最小埋置深度8m 左右, 局部仅3m , 且存在严重的地形偏压, 围岩无法形成承载环, 不能有效发挥拱效应的作用。

(2) 隧道洞口段岩层走向和路线轴线走向基本平行, 顺倾岩层走向倾角约45°, 层面间存在软弱夹层, 受开挖扰动的影响, 岩体自地表至隧道内开挖轮廓线之间, 沿软弱面岩层发生滑动, 隧道结构承受较大的压剪力作用, 隧道支护结构不仅承受地形偏压, 同时受到较大的顺倾地质偏压荷载作用, 使得支护结构抗力不足而发生破坏。

由于隧道存在明显的地形偏压, 同时受山体顺倾单斜构造偏压的影响, 从而导致该段隧道支护结构压溃破坏及山体出现纵向裂缝。为了深入分析隧道支护结构失稳的原因和破坏机理, 采用FLAC2D 有限差分

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μμ同时, 采用等效各向同性模型进1=0. 22, 2=0. 07。

行对比分析, 等效参数为:E =3. 67GPa , μ=0. 22。计算结果分别见图4～6。

图6　地质构造偏压隧道水平位移图(单位:cm)

中线, 支护结构受力最大值总是平行或垂直材料主轴(岩层结构面倾向通过圆心的轴线) 与隧道轮廓线的交

图4　地质构造偏压隧道周围最大主应力图(单位:MPa)

点处, 而支护结构变形量的最大值位于平行材料主轴

与隧道轮廓线的交点处。这是与各向同性情况下完全不同的一个重要方面。

当岩体各向异性显现时, 有必要根据岩体产状和材料主轴方向局部采取加强支护, 并布置合理的监控量测点。

上述分析表明, 当隧道所处岩体不存在地形偏压情况下, 地质构造仍引起隧道围岩与支护结构体系呈现显著的偏压特性。在地形偏压效应不大时, 地质构造偏压往往对隧道围岩与支护体系的稳定起着控制作用。松皆雅Ⅱ号隧道后续施工过程中, 在无地形偏压里程范围, 仍出现了隧道拱部偏右侧初期支护沿纵向的压溃剥落, 初期支护格栅钢架严重变形, 充分验证了地质构造引起的偏压效应。

4　地形与地质偏压隧道治理方案

4. 1　不同偏压情况下方案的选择

图5　地质构造偏压隧道竖向位移图(单位:cm)

比较图4～6中两种不同计算结果, 由成层单斜构

造岩体表现出与各向同性情况下完全不同的受力和变形特征, 表现为围岩与支护体系受力和变形的不对称分布, 支护结构受力和变形量的最大值并不位于拱顶

根据松皆雅Ⅱ号隧道不同里程的具体工程地质条件和隧道支护结构破坏形式, 基于前述地形与地质偏压情况下隧道围岩与支护体系的受力和变形特征, 视不同工况, 灵活采用不同治理方案, 采取了地表和洞内相结合的综合加固措施。

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(1) ZK122+310～ZK122+335段, 隧道洞口段

外侧岩体覆盖层较薄, 偏压荷载作用下层间下滑力相对较小, 采用洞口段外侧设置抗滑桩和仰坡锚索方案, 增强仰坡与洞口外侧岩体下滑抗力, 约束隧道外侧岩体变形和减小隧道内地质构造偏压效应。

(2) ZK122+335～ZK122+380段, 隧道洞身段存在严重地形偏压和地质构造偏压, 重点采用锚索加固偏压岩体, 并辅以洞内支护加强措施, 减轻和平衡隧道顺层偏压荷载, 确保隧道结构安全。

(3) ZK122+380～ZK122+405段, 该段隧道埋深浅, 横穿山谷, 但偏压不严重, 主要采用掌子面超前加固措施, 重点解决洞内地质构造偏压的影响。4. 2　洞内支护加强技术措施

地形偏压和地质构造偏压情况下, 隧道掘进采取的超前支护加强措施包括:

(1) 施工方法:, 缩短进尺, (2) 初期支护:长度, 喷混凝土厚27cm , I20工字钢, 间距60cm , 增加索脚锚杆或锚管。

(3) 二次衬砌:采用厚度为50cm 钢筋混凝土结构, 主筋规格为

隧道洞身段顺层偏压的处治措施主要采用预应力锚索方案, 以提高隧道外侧岩体顺层下滑的抗力。顺倾层面结构参数为:内摩擦角为22°, 粘聚力c =0. 03M Pa , 岩体容许承载力[σ0]=0. 80M Pa 。隧道对岩体的支撑力取0. 1M Pa , 隧道支撑宽度取12m 。计算下滑体重量为2987t , 滑面长112m , 外侧岩体有效支撑厚度为6m 。

通过理论计算, 每束锚索拉力为100t , 锚索纵向布设间距为5m , 平均每米锚索拉力为80t 。加固布置断面如图7所示。

图7　顺层偏压隧道锚索加固布置图

间软弱结构面控制, , 提出了地治理方案, 在顺倾偏压隧道洞口段施工中获得应用, 实践证明了处治方案的合理性, 可供类似隧道工程参考。参考文献:

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5　结论

(1) 通过对松皆雅Ⅱ号隧道支护结构压溃机理分

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析, 地形偏压和地质构造偏压的复合作用是引起地表

岩体开裂和支护结构压溃破坏的主要原因。在地形偏压不显著的情况下,

顺倾地质构造使得岩体强度由层

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