软弱围岩变形及其控制技术.ppt
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1、关宝树关于“软弱围岩变形及其控制技术”的讲座,一、基本要求,从理论上说,在软弱软岩中,隧道设计、施工的基本要求是:把开挖后的围岩变形(松弛)控制在容许值范围之内。因此必须明确以下三个问题。1)坑道开挖后的围岩变形的实态,或者说,坑道开挖围岩是如何变形的?变形的量值有多大?2)不同的围岩条件,坑道开挖后的各种变形的容许值是多少?3)用什么技术方法和对策来控制这些变形的发展?,二、坑道开挖后围岩是如何变形的?,坑道开挖后在无支护条件下,仅仅依靠围岩自身的支护效应,其变形实态可以通过理论分析、实地量测予以确认。特别是要确认在无支护条件下坑道各种变形的量值。当量值超过容许值时,就必须采取各种有效的技术
2、对策予以控制,而且必须控制在容许值范围之内。根据三维计算结果,坑道开挖后的变形,基本上可以用图1的三维形态表示。,即:隧道开挖后隧道的变形可分为以下三种实态:掌子面前方的先行位移掌子面挤出位移掌子面后方的位移这三种位移是同时发生的。在软弱围岩条件下,支护的主要目的就是要抑制这些位移的发展,也就是抑制由这些位移引起的围岩松弛。因此,对设计、施工来说就是要搞清楚这三种位移(变形)的产生条件和发展规律,并通过什么手段来控制其发展。,2.1掌子面前方的先行位移,众所周知,掌子面前方围岩先行位移的概念,可以两个量值表示,即掌子面处的先行位移值和掌子面前方发生先行位移达的范围(图2)。实际上先行位移是随掌
3、子面的推进而发生的。先行位移的最大值是在掌子面处。在一般的围岩条件下,其值约占总位移的2030左右,围岩条件越差,其值也越大。掌子面前方的先行位移,涉及的范围与围岩条件有关,一般在隧道跨经的1.01.5倍左右。,因此,在一般围岩条件下,先行位移可以任其发生,不加控制。但在软弱围岩条件下,其最大值,例如超过全位移的30以上,甚至达到50或更大时,如不加控制,则会成为掌子面拱顶部分坍塌以及发生大变形的主因。这也就是我们采用各种超前预支护的主要原因。,2.2掌子面挤出位移,在实际开挖过程中,我们虽然发现了掌子面的挤出现象,但没有予以很大的关注。掌子面挤出位移是评价掌子面稳定性的重要指标。图3说明了掌
4、子面挤出位移的基本概念。当掌子面挤出位移超过一定量值时,掌子面将崩塌,这不言而喻的。掌子面挤出位移,可以用其最大值评价.因此,当预计掌子面挤出位移过大的场合就必须采取控制掌子面挤出位移的技术对策。这也是我们采用留核心土方法的主要目的之一。,2.3 掌子面后方的位移,目前我们采取的初期支护,主要是控制掌子面后方位移的技术对策。掌子面后方位移的动态特点是初始阶段的位移速度比较大,而且量值也比较大。因此,控制初期位移速度的发展是非常重要的。这也是判定围岩好坏的一个重要指标。控制了初期位移速度的发展,也就控制了最终位移值。因此,在实地量测中,取得初期位移速度这个重要参数是非常重要的。其次是控制位移的收
5、敛时间(距离)。在一般地质条件下,位移在距掌子面12D处,基本上就收敛了。但在软弱围岩中,这个距离会长一些,甚至在很长时间(距离)不收敛。,2.4 示例说明,下面我们引用浏阳河隧道的一个计算结果,说明上述位移的特征。该计算结果采用FLAC3D有限差分数值模拟软件进行了、级围岩的大断面隧道的模拟计算。计算条件:隧道断面:开挖宽度约15m,开挖高度约13.5m。开挖面积达170m2。初期支护参数:厚20cm的钢纤维喷混凝土、开挖进尺1.0m。计算结果汇总列于表1及图4。,例如,从这个计算结果中可以看出:1、在开挖断面积达170m2的隧道,级围岩,埋深50m的场合,掌子面先行位移(拱顶下沉)已经达到
6、最终位移值的45,其范围约在1D左右。因此必须控制采用超前支护控制掌子面的先行位移。从掌子面挤出位移看,其值约为37.6mm,是在容许值之内,可以不采用控制掌子面挤出位移的对策。2、对级围岩而言,在埋深50m的条件下,因掌子面挤出位移已达到96.8mm,除采取超前支护控制掌子面前方的先行位移外,还必须采取对策控制掌子面的挤出位移。但其力度比级围岩要小些。(掌子面挤出位移,日本的经验控制值是80mm)3、掌子面先行位移的影响范围大致是隧道的开挖宽度或高度的11.5倍,因此超前支护的长度,原则上应超过开挖宽度,即采用1015m左右,在台阶法开挖中,可以适当缩短,但也不宜过短。4、控制掌子面挤出位移
7、的对策,在一般情况下,可以采用留核心土的方法,当预计挤出位移超过150mm(无依据)以上时,就应该采取掌子面锚杆的对策。因此。在软弱围岩隧道设计时,最好通过解析方法求出可能发生的各种位移的量值。而后根据容许值来选择相应的变形控制技术。,三、如何确定隧道开挖后的容许变形值?,坑道开挖后的容许变形值,是指采用各种支护手段后的容许变形值。根据上述的变形实态,容许值应该包括:1)掌子面先行位移最大值2)挤出位移最大值3)开挖后的初始位移速度及拱顶下沉量、净空收敛值及脚部下沉量的收敛值4)位移收敛距离这里要说明2个问题。确定容许位移值的基本原则容许变形值是针对全位移而言的,因此要了解全位移的概念。,确定
8、容许位移值的基本原则是:容许围岩变形,但变形必须控制在不造成围岩松弛的范围内。众所周知隧道开挖后必然会引起各种变形的发生,但如果仅仅是弹性变形,是容许的,即使发生塑性变形,只要不造成围岩松弛,也是容许的,容许这些变形的发生,也就是利用了围岩自身的支护效应。但如果变形超过这个范围,围岩会发生松弛,松弛的后果就可能出现各种预料得到的和预料不到的问题。,确定容许位移值的基本原则,容许围岩变形,但变形必须控制在不造成围岩松弛的范围内。众所周知隧道开挖后必然会引起各种变形的发生,但如果仅仅是弹性变形,是容许的,即使发生塑性变形,只要不造成围岩松弛,也是容许的,容许这些变形的发生,也就是利用了围岩自身的支
9、护效应。但如果变形超过这个范围,围岩会发生松弛,松弛的后果就可能出现各种预料得到的和预料不到的问题。,全位移值的概念,一般说,围岩的全位移量,包括掌子面到达前的围岩(先行位移)和掌子面通过到量测开始间的位移(初始位移)以及掌子面通过后的位移(量测位移),如图5所示。全位移值,也就是坑道开挖后在无支护条件下的最大可能的变形值。,也就是说,支护设置后必须把全位移值控制在容许变形值范围之内。因此,必须建立全位移值与量测位移值之间的关系,才能够根据量测位移来控制全位移值。从图5 可以看出,目前我们量测到的位移仅仅是全位移值的一部分,如何从量测位移转换为全位移值是目前量测中要解决的问题之一。也是理论上、
10、应用上要解决的一个问题。由图可知全位移值先行位移值初始位移值量测位移值容许位移值全位移值/k(K:安全系数)由此可知,要决定容许值,首先必须知道先行位移值和初始位移值是多少。一般说这两个位移值,我们目前的量测方法,是无法量测到的。因此,只能通过大量的量测数据的统计分析加以确定,但离散性也是很大的。这是日本采取的主要方法。另一种方法,就是采用理论解析方法予以确定。虽然可以预计出全位移值,但其可信性,比用统计方法更离散。最后就是用经验的方法,也许比较现实。但经验方法也要有统计数据和理论解析的支持,这是一些规范、指南中采用的方法。比较可靠的方法是实地量测,这也是目前量测,三、控制变形的对策,控制变形
11、的对策主要包括:维护掌子面稳定的对策和保护周边环境的对策两个方面。控制掌子面稳定对策 拱顶稳定 掌子面挤出位移 脚部下沉 掌子面前方先行位移 掌子面后方位移保护周边环境对策 地下水 地表面下沉 近接结构物影响,四、主要控制变形对策,根据表3-1,主要说明下述控制对策的特征及其应用1)控制先行位移的技术超前支护;2)控制掌子面挤出位移的技术掌子面补强;3)控制脚部下沉的技术脚部补强;,31 超前支护,开挖前对需要采取拱顶稳定对策及抑制地表面下沉、净空位移对策的围岩,采取的防护和强化掌子面前方围岩的对策,称为超前支护。此工法适用于开挖土砂围岩和岩堆地段、断层破碎带等场合和隧道接近铁道、道路、其它结
12、构物等施工的场合。超前支护大体上可以按构造分类,分为利用隧道纵向刚性的梁构造和利用横向刚性的拱形构造两大类(图3-1)。梁构造可分为采用钢管、钢棒系材料的工法和高压喷射改良围岩的工法2种。同时,过去在岩堆地段和断层破碎带等不良围岩中,多把开挖断面分割为小断面进行开挖,但最近由于机械大型化和新材料及新工法的实用化,亦可采用超前支护与一般区间采用同样的施工机械、支护材料及断面的施工事例逐渐增多。超前支护的分类列于表32。由于超前支护材料、使用机械、设备、地质条件及一次打设长度等,各具特色。为此选定超前支护时,要选定适合地质条件和周边环境条件,而且经济的工法。,表3-2 超前支护的种类和特征,1)短
13、超前支护(小导管),短超前支护是在开挖前沿拱顶外周斜向打设小于5m的钢筋、钢管等,确保掌子面稳定的工法。其类型大体上有表33所示的三种。,表33 短超前支护的种类,我们通常采用的小导管是短超前支护的一种类型。小导管是在开挖前向掌子面前方的拱部,斜向打入长5m以内的钢棒、钢管等,打设范围是隧道中线左右各60,计120左右,每一次掘进后打设。但视崩落规模和位置,范围和间距可以调整。锚杆的锚固可用砂浆充填,但孔壁不能自稳的场合可采用自钻后充填式的锚杆。在固结度低的砂质围岩等,也可采用单管和铁插板,用打击力打入,确保拱顶稳定的方法。小导管按充填方法有如下的不同方式。充填式、非充填式小导管(图32)沿掌
14、子面上半断面的拱部外周以3060cm间隔斜向打入钢筋、钢管等,以增加拱顶的抗剪强度防止前方围岩松弛的工法。充填式是向孔内充填砂浆,插入头部加工成圆锥状的异形棒钢是最一般的方法。非充填式是用摩擦锚固式的钢管膨胀型锚管作为小导管的工法,具有使裂隙咬合,压密围岩的效果。,注浆式小导管(图33)与充填式小导管同样,打设中空锚杆和钢管的同时用压力注入超速凝的水泥浆和尿烷等,提高拱顶稳定性的工法。施工时视掌子面状况,能够容易地设定锚杆的打设根数和注浆量、注浆压力等,是比较有效率的工法。注浆式小导管有钻孔后插入注浆式锚杆进行注浆的方法和孔壁不能自稳的场合采用钻孔和注浆用同一锚杆的自钻式工法。此工法一般作为隧
15、道洞口段(或者埋深小的区间)防止拱顶崩塌、崩落的对策,多在对策的初期阶段采用。在想提高拱顶及掌子面稳定性的场合也多与掌子面喷混凝土和掌子面锚杆并用。,由于开挖前向前方围岩斜向打设小导管,可提高拱顶附近围岩的抗剪强度,防止前方围岩的松弛。此工法一般可作为拱顶崩落的对策,在对策的初期阶段采用。根据掌子面观察结果,认为拱顶有小规模崩落的场合,采用此工法是有效果的。多适用于节理、层理、片理等不连续面多的中硬岩、软岩等。因为锚杆的刚性和长度都比较小,在松弛区域大、或掌子面前方松弛的场合、涌水多,充填、锚固困难的场合,以及锚杆间不能确保围岩一体性的场合是不适用的。本工法因为采用通常的设备就可以施工,机械设
16、备的适用范围广,对施工循环影响比较小。除小导管以外,日本在许多隧道中,广泛地采用了不同类型的短超前支护。,压入式短钢管超前支护(图34)压入式短钢管超前支护,是在隧道拱顶附近的地质是软弱的场合,作为掌子面稳定对策而采用的,把48.6mm、长23m的钢管以200300mm间隔,用钻孔台车的钻机压入的工法。,钢管钢背板超前支护钢管钢背板压入打击工法是在隧道拱顶附近的地质是软弱的场合作为掌子面稳定对策而采用的,如图35、照片31所示,把装备有轻型钢背板的65mm的钢管,搭载在钻孔台车的导向槽上,用钻机的压入力和打击力打设到掌子面前方的工法。钢管的目的是使钢背板形成一个连续的拱形构造,从而起到导向的效
17、果、提高超前支护刚性的效果及固结钢管外侧围岩的效果。钢背板比注浆式的改良体的刚性大,能够确实地形成拱形构造和使周边围岩固结的作用。,图36是采用钢管钢背板工法区间(埋深7.5m)的地表面下沉分布。,插板法这是日本在城市土砂围岩的浅埋隧道中,广泛采用的一种方法。施工证实,这是一个超挖少,围岩没有松弛的、可以用于任意断面形状的开挖方法。在土质隧道施工中,插板法可以根据地质、埋深、地表结构物等进行设计。设计出适合周边环境和能够正确推进的插板和稳定机构。其推进千斤顶的推力是10t/台,可以人工操作、连续作业。此法一直到目前,在城市矿山法隧道施工中应用插板法是与盾构法类似的工法。盾构法是用盾构机推进的,
18、插板法则是用一种特殊构造的插板,用千斤顶压入围岩中的,在插板的防护下,一边开挖,一边支护、衬砌的方法。但与盾构法比较,设备简单、造价低。插板法的概况示于图38。,2)中、长超前支护中、长钢管超前支护沿开挖断面的外周向掌子面前方的围岩,呈拱形配置长512m的钢管,起到掌子面稳定对策、地表面下沉对策的效果的工法。一般说,超前支护的钢管多采用100140mm、钢管壁厚为611mm,打设角度是410打设范围取以拱顶为中心约120左右。搭接长度为3.5m(图314)。但视围岩条件和地表结构物的位置关系,角度更有效果的配置。此工法有使用专用机械设置的方法和用钻孔台车施工的方法。能够用钻孔台车施工的工法有扩
19、宽开挖断面,使钢管插入角小的扩宽工法和以10左右角度打设钢管的无扩宽工法。此无扩宽方式,因开挖线内侧的端末管是采用易于切断的塑料管和有切槽的钢管,使开挖成为可能。为此,与扩宽方式比较,能够抑制开挖数量和喷射混凝土数量。但其反面,是钢管距开挖面的距离大,在切出区间,事实上超前长度几乎处于不能确保的状态,围岩有可能剥落等,采用时要加以注意。钢管周围的围岩用压力压注水泥浆和化学浆液,使钢管和压注材料成为一个改良体,来补强围岩。一般说,压注材料对粘性土主要是填充钢管周边的空隙,多采用水泥系材料,对砂质土和砾石土主要是向钢管间的围岩进行渗透压注以改良围岩,多采用化学浆液等材料。为提高拱顶和掌子面稳定性的
20、场合,也可向掌子面喷混凝土和打掌子面锚杆。,长钢管的刚性大,有梁的效果和钢管间的围岩因注浆有改良围岩效果,因此超前支护的效果高。对前述的小导管以防止拱顶崩落和小规模崩塌为主的工法来说,此工法可提高拱顶的稳定性外,也能够期待抑制地表面下沉和松弛的效果。注浆材料与注入式小导管相同,应根据围岩、涌水状况和注浆材料的特性等选定。本工法作为拱顶稳定对策是一个可靠性高的工法,注入式小导管不能对应的场合,可以采用。在全断面开挖中,由于掌子面暴露的面积大,当需要采用超前支护稳定掌子面时多采用长钢管超前支护。,日本规定的长钢管超前支护的参数如下:钢管直径:.(76.3114.3mm)设置范围:()设置角度:(1
21、)纵断方向注浆长度:12.5(5.517.5m)搭接长度:.(1.01.75m)超前残余长度:.(.)设置间距:(36)标准设计断面示于图315。,本工法比前述的小导管,是规模比较大的对策,适用于不连续面非常发育的围岩或者强度小的软岩、破碎带和土砂围岩、埋深小的洞口段和河谷段,需要抑制地表面下沉的场合等广泛范围的地质条件。本工法可采用隧道用凿岩台车,也可采用图3-16的专用机进行施工,不需要特殊的作业人员,但1个施工循环中需要的时间较长。由于安全性高,可提高开挖效率,比在长区间采用小导管工法,无论是工期还是工费都是有利的。,水平喷射注浆方式水平喷射注浆方式是中等长度超前支护的主要方式,日本规定
22、的标准参数如下:喷射改良体直径:600(600800mm)设置范围:120(120180)设置角度:5(510)纵断方向改良长度:10(6.013.0m)搭接长度:1.0(1.03.0m)超前残余长度:4.0(3.04.0)设置间距:600(400600)标准设计断面示于图317。,目前,由于技术的发展,水平旋喷注浆工法也有向更长的方向发展,如采用从专用机械的钻头前端进行喷射、搅拌,在掌子面前方的隧道外周形成一个连续的1015m长,具有单轴抗压强度512N/mm2的柱状的改良体,来抑制地表面下沉(图3-19)根据地质条件,造成的直径从30cm到1.5m左右,考虑从洞内的施工性,一般取60cm。
23、根据围岩条件造成直径是不同的,因为也有不能形成圆形的改良体的情况,施工时事前要进行试验施工,决定改良体的规格。为了在隧道纵向和横向都能够形成一个强度均匀的拱形构造,改良体,基本上要联接在一起。打设间隔要在改良体直径以下。打设角度,从施工性看多取5左右,打设范围以拱顶为中心取120180范围。与超前支护比较因为具有隧道横向拱的效果,有向更大范围打设的趋势。适应地质条件,因高压喷射能够切割的范围是有限的,因此以土砂围岩为主体。此工法因是向未开挖的围岩喷射流体搅拌,形成固体前围岩会有暂时的不稳定。因此,掘进速度和施工步骤要结合围岩条件,注意不要出现先行位移等。,管棚法管棚法是在隧道开挖前沿隧道外周用
24、钻机设置水平的钢管而后在钢管内外充填砂浆的工法。是抑制洞口、拱顶稳定和先行位移、地表面下沉及保护周边环境的一种方法。采用的钢管比一般钢管直径大,控制地表面下沉的效果很高(图320)。一般采用的钢管直径约84mm,施工长度约30m,施工范围在拱部120左右,打设间隔约30cm。,此工法多用于在隧道正上方有道路、铁道、建筑物等作为防止地表面塌陷的对策。此工法需要设置反力壁等比较大的临时设备,施工速度也比较慢,要很好地考虑施工条件、隧道的工期等选定。近年为了长距离施工,也有采用1000mm以上的大口径钢管的事例,而方向控制采用小口径的掘进机进行。钢管外侧的压注如不充分,就不能充分发挥其效果,要加以注
25、意。钢支撑要确实地支持钢管,同时也要抑制钢支撑的下沉。此工法钢管施工中的下沉可能比隧道施工中的下沉还大,因此在施工管理上,管棚施工时一定要把对围岩的影响控制在最小范围内。过去都是在城市及其周边的住宅区等建筑物、道路和铁道等交通设施、地中结构物等重要结构物的正下方,从两端用钻机插入钢管的管棚工法,但近年由于特殊钻头的开发,可以采用双重管在隧道洞内插入长钢管的管棚工法(如AGF工法等),作为隧道洞口段的控制对策被广泛采用。管棚工法因是插入比较大的钢管,对抑制地表面下沉是最可靠的工法,适用范围比较广泛,如填土、岩堆、垆坶等各种未固结围岩。,一般说,管棚工法的施工范围,多在洞外设置基地,而后以图321
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