高地应力隧道软岩大变形预测分析及控制措施_韩会军.pdf

Series No.560February 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第560 期2023 年第 2 期收稿日期 2022-10-16基金项目 国家自然科学基金项目(编号:U1604135);中铁十五局集团有限公司 A 类科研课题(编号:2019A01);河南省科技厅产学研合作项目(编号:2015HNCXY011)。作者简介 韩会军(1981),男,高级工程师。通信作者 梁 斌(1963),男,教授,博士,博士研究生导师。高地应力隧道软岩大变形预测分析及控制措施韩会军1,2 乔栋磊2 何 聪1 梁 斌2(1.中铁十五局集团第五工程有限公司,天津 300133;2.河南科技大学土木工程学院,河南 洛阳 471000)摘 要 针对隧道穿越高地应力软弱围岩区段时易发生的大变形灾害,为保障隧道安全顺利施工,故在施工前准确进行大变形预测并制定合理的控制措施。依托最大埋深超过 1 300 m 的巫镇高速笔架山隧道,通过地应力实测数据建立有限元地质模型研究工程区地应力场;综合现有研究成果,建立大变形预测标准,基于此结合工程地质条件采用有限元开挖计算与地质分析预测法对围岩大变形类型、特征、机制及程度进行预测;根据所得围岩变形特征制定科学合理的变形控制措施。研究结果表明:隧道高程处地应力场由自重应力场主导,沿线围岩应力处于高极高应力状态;开挖断面变形以拱顶、仰拱竖向位移为主,预测其将发生应力控制型大变形,最终围岩因拱顶下沉或边墙内鼓变形发生剪切破坏;隧道沿线约 56.3%区段围岩会发生大变形,K25+631K25+909、K26+422K26+602 区段在地下水软化作用影响下,出现严重大变形风险较大;根据围岩大变形预测结果针对笔架山隧道开挖提出相应的变形控制措施。关键词 高地应力 软弱围岩 预测标准 变形预测 控制措施 中图分类号U 458.1 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-02-049-09DOI 10.19614/ki.jsks.202302008Prediction Analysis and Control Measures of Large Deformation of Soft Rock in High Ground Stress TunnelHAN Huijun1,2 QIAO Donglei2 HE Cong1 LIANG Bin2(1.China Railway 15th Construction Bureau Fifth Engineering Group Corporation,Tianjin 300133,China;2.School of Civil Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471000,China)Abstract The surrounding rock is prone to large deformation when the tunnel passes through the section with high ground stress and weak surrounding rock.To ensure the safety and smooth construction of the tunnel,it is necessary to accu-rately predict the large deformation and formulate reasonable control measures before construction.Based on the Wuzhen expre-ssway Bijiashan tunnel with a maximum buried depth of more than 1 300 m,a finite element geological model is established based on the measured data of in-situ stress to study the in-situ stress field in the engineering area.Synthesize existing research results,a large deformation prediction standard is established,and based on this combined with engineering geological condi-tions,finite element excavation calculation and geological analysis prediction method are used to predict the type,characteris-tics,mechanism and degree of large deformation of surrounding rock.Formulate scientific and reasonable deformation control measures based on the obtained surrounding rock deformation characteristics.The results show that the in-situ stress field at the elevation of the tunnel is dominated by the self-weight stress field,and the surrounding rock stress along the line is in a high-to-extremely high stress state.The deformation of the excavation section is dominated by the vertical displacement of the arch crown and inverted arch.It is predicted that the stress-controlled large deformation will occur.Finally,the surrounding rock is shear damaged due to vault subsidence or side wall bulging deformation.About 56.3%of the surrounding rocks along the tun-nel will undergo large deformations.Under the influence of groundwater softening,the K25+631 K25+909 and K26+422K26+602 sections have a greater risk of serious large deformation,and attention should be paid during construction.According to the prediction results of surrounding rock deformation,corresponding deformation control measures are proposed for the Bi-jiashan tunnel excavation.Keywords high ground stress,weak surrounding rock,prediction standard,deformation prediction,control measures94 软岩大体上可以从三个方面定义,即岩性指标范畴、工程范畴以及地质学描述范畴1。岩石工程学界从岩石力学特性出发将其单轴抗压强度处于 0.530 MPa、弹性模量小且变形较大的岩层定义为软岩2。随着铁路、公路、水利工程建设的不断发展,我国中西部地区隧道建设呈现出特长、深埋等特点。目前长隧道施工虽然不再是工程建设的难题,但是在围岩软弱、高地应力的地质条件下,围岩大变形仍是开挖过程中面临的最主要的地质灾害之一。如川藏铁路的折多山隧道、宝中线上的木寨岭隧道、丽香铁路的中义隧道等,给工程建设顺利实施造成极大困难3-5。因此,在隧道开挖前对其进行大变形预测,并根据预测结果制定相应的控制措施可以促进隧道施工安全顺利进行。关于隧道围岩大变形的定义,目前还尚未形成统一的认识和标准6。现阶段学术界从其发生机制和破坏特征出发,定性地认为围岩大变形是一种因剪应力达到极限失稳蠕变而导致的具有时效性的围岩变形行为,这种具有明显时间效应的塑性破坏活动与围岩坍塌、岩爆等围岩破坏活动存在显著差异7。针对围岩大变形分类和预测等问题,国内外学者做了大量研究工作。王成虎等8根据大变形发生原因将其分为应力型、材料型和结构型 3 类,并改进了应力型大变形的预测公式。周航等9分析了典型大变形隧道的发生规律,全面选取了围岩最大主应力等 13 项评价指标,通过理想点法理论建立了组合赋权理想点大变形预测模型。何乐平等10基于 15 个评价指标将围岩大变形分为 4 级,通过主客观权重建立博弈论云模型,得到了一种新的大变形风险评估方法。刘振锐等11在改进的云模型理论的基础上,将大变形指标进行融合,提出了一种可以充分考虑到不确定因素的围岩大变形评价方法即改进云模型评价方法。虽然大变形预测方法较多,但由于大变形理论研究尚不成熟,加之现场地质条件复杂12,因此,目前紧密结合工程地质分析及开挖后围岩二次应力场的准确且实用的大变形分析预测方法却较少。基于现有研究成果,结合围岩大变形发生机制对大变形类型做进一步划分:围岩应力控制型大变形、岩体成分控制型大变形、岩体结构控制型大变形和采空区扰动控制型大变形,基于此建立隧道围岩大变形预测标准。以笔架山深埋公路隧道为例,在地应力测试基础上结合已有地质调查结果,建立 3D 地质计算模型,将反演所得隧道工程区地应力场作为开挖模型边界条件,计算分析开挖后围岩变形特征及二次应力场环境。综合工程地质条件、水文地质特征应用所建大变形预测标准对大变形类型、机制及破坏模式进行综合分析预测,基于开挖后围岩二次应力场环境及岩体性质结合大变形分级标准对大变形程度进行预测。根据预测结果结合工程地质特征为各区段制定科学合理的隧道开挖支护方案以控制围岩变形。1 隧道工程区地质环境概况1.1 工程概况笔架山公路隧道位于巫溪县白鹿镇境内,为双向分离式隧道,隧道全长约 5 000 m,为特长公路隧道。左线起讫历程为 ZK23+248.0ZK28+245.0,右线起讫里程为 YK23+266.0 YK28+265.0。隧道工程区位于秦岭山脉南麓,山脊走向呈东西向,隧道轴线走向 N13W,隧道横穿山脊。工程区内以高中山区为主,沿线山顶高程多在 1 000 m 以上,山脊最高海拔高程为 1 972 m,进口设计隧道路面高程为 539 m,出口设计隧道路面高程为 637 m,隧道线路纵坡坡度1.95%,笔架山隧道最大埋深为 1 382 m。1.2 工程地质条件隧道沿线地处四川盆地边缘山区,区内岩溶地貌为主,地形地貌形态复杂。区域内地下水分布不均,以基岩裂隙水和碳酸盐岩类裂隙溶洞水为主,K24+484K24+701 与 K25+792K26+565 区段为岩溶水子系统区段,地下水发育,水量受季节影响较大。工程区所处的秦岭山脉褶皱构造聚集,区域内断层不发育,隧道穿越 2 个向斜、2 个背斜,由北向南依次为猫儿笼背斜、贝母淌向斜、橙子岩背斜以及秀登城向斜,区域内地质构造作用复杂。隧道主要穿越地层岩性由老到新为:志留系下统双河场组(S1sh)、志留系中统徐家坝群(S2xj