强风化砂岩隧道围岩大变形及其控制技术研究

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强风化砂岩在我国的宁夏、甘肃、四川以及其他一些地区广泛分布,该种岩体在干燥状态下或含水率非常低的情况下,岩体强度较高,在这样的地层中开挖隧道,岩体的自稳能力较好,隧道不易变形,采用一般的支护体系就可以确保隧道的施工安全。但是,一旦强风化砂岩的含水率升高,其岩体强度迅速下降,岩体软化、崩解,在其中开挖隧道,隧道极易发生坍塌、衬砌开裂、大变形等灾害,如果不改变施工方法和支护措施,隧道施工将难以推进,还有可能对隧道安全造成一定的威胁。针对强风化砂岩的特点,总结国内外强风化砂岩隧道以及其他软弱围岩隧道围岩大变形的施工控制措施。以宁夏回族自治区固原至西吉高速公路偏城隧道为工程依托,根据现场监测数据,总结初期支护的变形规律和特点,分析围岩大变形破坏机制和影响因素,提出围岩大变形的施工控制措施。应用FLAC3D有限差分软件,模拟偏城隧道的施工过程,验证围岩加固措施的控制效果,并与实测数据进行对比。同时,应用FLAC3D软件,探讨了系统锚杆、长锚杆、提高支护体系整体刚度等围岩加固措施对控制隧道变形的效果。(1)强风化砂岩的围岩强度主要受其颗粒组成、胶结作用、风化程度以及富水程度等的影响。偏城隧道YK25+172YK25+195段隧道开挖揭示围岩为强风化砂岩,掌子面有两条顺层透水夹层,并且掌子面沿夹层以下渗水,开挖过程中初期支护发生了严重的大变形。(2)强风化砂岩隧道围岩大变形的发生根据其产生原因可以分为三类,第一是与岩体本身的物理力学性质有关,如砂岩颗粒的强度以及颗粒间胶结力的强弱等;第二是受自然因素的影响,例如隧道所处的地形地貌、隧道的埋深、初始地应力的大小、偏压和渗流等;第三是受人为因素的影响,例如隧道断面的大小和形式、开挖方式、支护体系的强弱,二次衬砌的施作时间等。根据对偏城隧道围岩大变形产生原因的分析,围岩强度低、岩体间存在渗流、隧道存在一定的偏压、施工过程中的扰动以及支护体系强度偏弱等是导致偏城隧道产生围岩大变形的原因。(3)强风化砂岩隧道围岩大变形的控制可以通过选择受力较好的隧道断面形状,采用对围岩扰动较小的开挖方式,运用柔性支护的理念,并且适当提高支护体系的刚度,在施工中根据地质条件变化及现场监测数据,合理调整预留变形量及二次衬砌的施作时间,可有效控制围岩变形。偏城隧道围岩大变形发生后,采取了施作临时仰拱、临时钢护拱、6 m长Φ89大锁脚锚杆等围岩加固措施,稳住了围岩变形。在后来的开挖中,通过采用微型爆破、提高支护刚度、大锁脚锚杆、并加快二次衬砌和仰拱的施工进度等措施,使得隧道施工得以顺利进行,确保了隧道的施工安全。(4)FLAC3D的数值模拟结果表明,隧道拱顶下沉及水平收敛的变形趋势与实际开挖趋势吻合;渗流对强风化砂岩隧道的稳定性影响非常大,如果不存在渗流,隧道拱顶下沉的最大值仅为76.3 mm,水平收敛为35.4 mm,而根据实际地质情况计算的隧道拱顶下沉达193.2 mm,水平收敛达214.5 mm;通过数值模拟还发现,在强风化砂岩隧道中,系统锚杆的作用效果有限,而长锚杆能够对围岩的加固发挥非常大的作用,通过提高支护体系刚度等措施能较好的控制围岩变形。
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