CN103590834A - 非对称挤压型变形隧道的开挖支护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非对称挤压型变形隧道的开挖支护方法，包括：步骤1，根据主应力与围岩的位置关系，将围岩划分为上部大变形区、上部应力集中区、下部大变形区和下部应力集中区；步骤2，根据围岩的受力和变形特征，将隧道开挖平面分为第一区、第二区、第三区和第四区；步骤3，对上部大变形区内未开挖的围岩进行第一超前小导管支护；步骤4，对第一区进行开挖，并对第一区对应的围岩进行预留变形量和定位弧线超挖。本发明使得隧道支护成本大大降低，大大提高了施工效率。

Description

非对称挤压型变形隧道的开挖支护方法

技术领域

本发明涉及地质领域，特别是涉及一种非对称挤压型变形隧道的开挖支护方法。

背景技术

软岩隧道的特点是围岩软弱、地应力较高、压强比高、径向变形显著等特点，自稳定性差，容易引起隧道结构破裂、底板隆起，工程危害巨大。目前国内外对软岩隧道的大变形处理多为围岩的加固技术，归纳起来，主要有对围岩进行长锚索支护、刚柔结合支护、释放地应力、超前加固等支护手段。这些措施在国际上很早就进行了应用，且在国内的关角隧道、乌鞘岭隧道、家竹箐隧道、宜万铁路堡镇隧道，意大利Simplon隧道等工程中也进行过应用，积累了丰富的经验和技术，但对于具有强烈方向性的非对称挤压型变形隧道而言，全断面的强支护方法造成支护成本上升，围岩变形控制不协调。从已有的工程应用效果反馈可知，仅仅依赖单一的强支护无法达到完全控制大断面围岩的挤压大变形破坏，对于具有较强方向性的软岩隧道的挤压型大变形破坏，全断面整体强支护方法在经济上较为浪费，且过强的支护控制措施意味着大量的支护作业，造成资源浪费和施工时间过长，围岩变形控制也不协调，衬砌结构受力大易破坏，既不经济也不安全。

总体上来说以上方法都是通过柔性的方法释放高地应力，再加以刚性方法进行支护。这种“刚柔并济”地对软岩隧道进行支护思路是正确的。但都是基于针对隧道的全断面而提出的，高地应力挤压型软岩隧道围岩的力学行为具有强烈的方向性。传统的全断面的强支护方法造成支护成本上升，且过强的支护控制措施意味着围岩变形小、结构受力大，且大量的支护作业，造成资源浪费和施工时间过长，围岩变形控制也不协调，结构受力不均容易开裂破坏。故当前国内外对于软岩隧道的非对称挤压型大变形控制基本处于空白状态。随着公路等交通工程中高应力特长穿山隧道越来越多，非对称挤压型大变形软岩隧道也日益增多，因此，该问题亟待解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种支护成本低、施工效率高的非对称挤压型变形隧道的开挖支护方法。

为解决上述技术问题，作为本发明的一个方面，提供了一种非对称挤压型变形隧道的开挖支护方法，其特征在于，包括：步骤1，根据主应力与围岩的位置关系，将围岩划分为上部大变形区、上部应力集中区、下部大变形区和下部应力集中区；步骤2，根据围岩的受力和变形特征，将隧道开挖平面分为与上部大变形区、上部应力集中区、下部大变形区和下部应力集中区的位置一一对应的第一区、第二区、第三区和第四区；步骤3，对上部大变形区内未开挖的围岩进行第一超前小导管支护，并对上部应力集中区和下部应力集中区进行第二超前小导管支护；步骤4，对第一区进行开挖，并对第一区对应的围岩进行预留变形量和定位弧线超挖；步骤5，对弧线超挖部分喷射钢纤维混凝土，并对上部大变形区的围岩进行长锚杆加密支护；步骤6，利用钢拱架对开挖部分进行支护，然后复喷混凝土；步骤7，对第二区、第三区和第四区进行开挖，并对开挖后的围岩采用系统锚杆支护。

进一步地，在步骤7中，对第三区开挖时，在隧道底部施作应力释放槽，等变形释放完后灌浆填注，并在隧道底部施做仰拱。

进一步地，第一超前小导管支护的加固区的长度为隧道洞径直径的0.3-0.4倍，环向间距为20-60cm，外插角为10～30°。

进一步地，第二超前小导管支护的加固区长度为隧道洞径直径的0.2-0.3倍，环向间距为30cm。

进一步地，弧线超挖的超挖宽度为隧道洞径直径的0.6-0.7倍。

进一步地，弧线超挖的最大超挖深度为：

其中，R为隧道最大半径，C为软岩内聚力，为软岩内摩擦角，σ₁为隧道最大主应力，λ为隧道最大主应力和最小主应力之比，λ=σ₁/σ₃。

进一步地，步骤5中，钢纤维混凝土的混凝土喷射厚度为5-10cm，长锚杆加密支护的长度为0.5D～0.8D，环纵间距为80cm×80cm。

进一步地，步骤6中，复喷混凝土的厚度为15～20cm。

进一步地，步骤7中，系统锚杆支护的加固区长度为隧道洞径直径的0.3-0.5倍，环纵间距为100×80cm。

进一步地，应力释放槽的宽度和/或深度为隧道洞径直径的0.1倍。

通过上述方法，本发明通过对高地应力大变形区和应力集中区软岩进行不同的支护方法，对高应力挤压大变形区软岩的强支护使得应力和能量得以预调整，围岩的承载结构得到加强，更充分地发挥了围岩承载能力，使施加在衬砌上的荷载大幅度降低，有效地控制了软岩的挤压大变形，同时对一般应力区围岩进行常规支护，二者施工使隧道支护完成后围岩具有相同的协调变形，且隧道支护成本大大降低，大大提高了施工效率。

附图说明

图1示意性示出了本发明软岩大变形隧道的主应力及开挖平面分区示意图；

图2示意性示出了本发明超前加固及支护示意图；

图3示意性示出了本发明隧道开挖及弧线超挖部分示意图；

图4示意性示出了本发明图3中沿隧道中线纵向1－1截面图。

具体实施方式

以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本发明针对软岩隧道全断面过强支护带来的变形不协调且不经济的问题，充分利用软岩隧道围岩应力的方向性等特性，通过对软岩隧道应力和变形的分析，对挤压大变形区域来进行针对性的开挖和支护，研究出一套合理的开挖顺序，支护时机，将以上的方法的优点有机高效地结合在一起，提出一种提高施工建设效率，节约成本的高地应力软岩公路隧道的支护方法。

请参考图1至图4，本发明提供了一种非对称挤压型变形隧道（例如公路隧道）的开挖支护方法，包括：

步骤1，根据主应力σ₁，σ₃与围岩的位置关系，将围岩划分为上部大变形区5、上部应力集中区6、下部大变形区6’和下部应力集中区；

步骤2，根据围岩的受力和变形特征，将隧道开挖平面分为与上部大变形区5、上部应力集中区6、下部大变形区6’和下部应力集中区的位置一一对应的第一区1、第二区2、第三区3和第四区4；

步骤3，对上部大变形区5内未开挖的围岩进行第一超前小导管支护14，并对上部应力集中区6和下部应力集中区进行第二超前小导管支护15；

步骤4，对第一区1进行开挖，并对第一区1对应的围岩进行预留变形量和定位弧线超挖；

步骤5，对弧线超挖部分喷射钢纤维混凝土8，并对上部大变形区5的围岩进行长锚杆加密支护11；

步骤6，利用钢拱架8对开挖部分进行支护，然后复喷混凝土9；

步骤7，对第二区2、第三区3和第四区4进行开挖，并对开挖后的围岩采用系统锚杆支护12。

通过上述方法，本发明通过对高地应力大变形区和应力集中区软岩进行不同的支护方法，对高应力挤压大变形区软岩的强支护使得应力和能量得以预调整，围岩的承载结构得到加强，更充分地发挥了围岩承载能力，使施加在衬砌上的荷载大幅度降低，有效地控制了软岩的挤压大变形，同时对一般应力区围岩进行常规支护，二者施工使隧道支护完成后围岩具有相同的协调变形，且隧道支护成本大大降低，大大提高了施工效率。

优选地，在步骤7中，对第三区3开挖时，在隧道底部施作应力释放槽13，等变形释放完后灌浆填注，并在隧道底部施做仰拱。

优选地，第一超前小导管支护14的加固区的长度为隧道洞径直径的0.3-0.4倍，环向间距为20-60cm，外插角为10～30°。

优选地，第二超前小导管支护15的加固区长度为隧道洞径直径的0.2-0.3倍，环向间距为30cm。

优选地，弧线超挖的超挖宽度为隧道洞径直径的0.6-0.7倍。

优选地，弧线超挖的最大超挖深度为：

其中，R为隧道最大半径，C为软岩内聚力，

为软岩内摩擦角，σ₁为隧道最大主应力σ1，σ3，λ为隧道最大主应力σ₁和最小主应力σ₃之比，λ=σ₁/σ₃。

优选地，步骤5中，钢纤维混凝土8的混凝土喷射厚度为5-10cm，长锚杆加密支护11的长度为0.5D～0.8D，环纵间距为80cm×80cm。

优选地，步骤6中，复喷混凝土9的厚度为15～20cm。

优选地，步骤7中，系统锚杆支护12的加固区长度为隧道洞径直径的0.3-0.5倍，环纵间距为100×80cm。

优选地，应力释放槽13的宽度和/或深度为隧道洞径直径的0.1倍。

下面以一个具体的例子，对本发明中的方法进行详细说明。

请参考图1，本发明针对图1高应力下软岩挤压型大变形隧道的特殊情况进行研究，隧道地处最大主应力为26.4MPa、软岩单轴抗压强度为15MPa的地质环境。

本实施例的圆型隧道设计开挖断面直径为12m。由于软岩隧道的特点是围岩软弱、地应力较高、压强比高、变形大、变形时间长，自稳定性差，容易坍塌，对工程人员和设备造成极大危害。本发明采取重点部位重点防治，以及与整体支护相结合的非对称开挖支护方法，力求安全经济地解决类似软岩隧道大变形灾害的防治问题。

本发明中的开挖支护方法具体如下：

首先，请参考图1，通过地质资料和勘察手段，通过主应力σ₁与围岩的位置关系，对软岩隧道进行非对称开挖。根据大变形和应力集中区域的受力变形特征，按照围岩主应力与水平线的夹角α，将隧道开挖平面分为1、2、3、4四个区域，分别对应围岩变形区中的上部大变形区、上部应力集中区、下部大变形区和下部应力集中区。

其中，上下大变形区对称轴与最大主应力σ₁的方向平行且通过隧道形心，应力集中区位置为：θ=90°+α，其中，θ为应力集中区对称轴与通过隧道形心的水平线的夹角，α为主应力σ₁与水平面的夹角，α=30°。

第二，请参考图2，确定围岩的上部大变形区域5和上部、下部应力集中部位6。其中，大变形区域的范围由最大主应力和隧道直径确定，例如，可取为隧道直径D的0.5倍，其沿洞壁长度为5.2m。

第三，请参考图4，对前方未开挖大变形软岩进行第一超前小导管支护14，以有效提高大变形区域和应力集中区围岩的强度，充分发挥围岩的自身承载能力，应力集中区域应力更均匀，应力集中范围减小，对围岩整体抗力提高有重要作用，大变形区域应力松弛程度减少，从而岩体的变形量减少。在一个实施例中，大变形区第一超前小导管14的布置长度为4m，外插角β取20°，环向间距50cm；应力集中区的第二超前小导管的布置长度为4m，外插角β为20°，环向间距为30cm，加固半径为2.5m。

第四，先对第一区进行开挖，以提前释放高地应力和能量，由于软弱围岩的最大变形与最大主应力平行，尤其是隧道上部第一区的围岩。隧道开挖后强烈的应力卸荷和较大的变形使洞壁应力处于松弛状态，此部分围岩失去承载能力，不再是围岩自身承载部分。为了提高围岩承载力，对第一区对应的围岩进行预留变形量和定位弧线超挖，超挖宽度为7.5m，最大超挖深度为40cm，超挖轮廓线保持平滑，超挖弧线与隧道洞壁接触渐进平滑过渡，防止洞壁出现应力集中。

第五，请参考图3，软岩在弧线超挖后，对弧线超挖部分（变形量最大处）及时喷射钢纤维混凝土7，加入钢纤维后，喷射混凝土的抗压强度、抗折强度、抗弯强度及耐冲击性能均有较大幅度提高，尤适于松软、破碎地层支护。钢纤维混凝土具有较强的韧性，如围岩发生大变形，可使围岩和混凝土层具有协调性，混凝土不会产生开裂等破坏，使围岩和混凝土层共同承担围岩的受力，发挥围岩的自承能力，进而减少围岩的最终变形量。例如，钢纤维混凝土7的厚度为5cm，再及时对高地应力软岩大变形区围岩进行长锚杆加密支护11，其长度为6m，环纵间距为80cm×80cm。特别地，长锚杆加密支护11可以改善第一区对应的大变形区的应力状态和强度特性，提高大变形区软岩的弹性模量、粘聚力和内摩擦角等强度力学参数，从而提高了围岩的承载力，改善应力条件并降低变形量。长锚杆相比于长锚索，成本低，从而提供了工程的经济效益。例如，锚杆支护完成后，复喷20cm厚的普通混凝土，直到锚杆外露端被喷层完全覆盖。

第六，请参考图3，喷锚支护完成后，以80cm间距布置I22号钢拱架8对开挖部分进行支撑。待大变形区域长锚杆支护11和钢拱架8及挂网钢筋连接在一起后，复喷20cm厚的普通混凝土9。以锚杆、喷射混凝土和钢拱架为主的柔性支护系统紧贴周壁岩石布置，有助于喷、锚、架形成浑然一体的整体组合作用，相辅相成，进而起到防止或降低挤压大变形破坏发生风险的作用。

第七，请参考图3，对隧道的第二、第三、第四区进行开挖，开挖后的围岩采用长度4m，环纵间距100cm×80cm的系统锚杆支护12。对隧道第二、第三、第四区的围岩进行复喷复喷20cm厚的普通混凝土（初衬9），待初衬9完成后再对隧道全断面进行二衬10，二次衬砌厚度为40cm，采用C40混凝土浇筑。

特别地，在对第三区开挖时，在隧道底部施作应力释放槽13。根据图1中最大主应力与隧道断面的位置关系，除第一区对应的围岩会产生大变形外，第三区对应的围岩也将产生大变形，在隧道底部进行应力释放槽开挖，可以释放围岩聚集的高应力和能量，从而释放多余的变形量。应力释放槽开挖宽度为1.2m，深度为1.2m。待变形释放完后灌浆填注应力释放槽，并待第三、第四区全部开挖完成后在隧道底部施做仰拱。

发明的支护方法解决了高应力区非对称挤压型大变形隧道施工过程中强支护带来的不合理和不经济、同时也提高了软岩隧道的施工建设速度，具有较强的经济效益和社会效益。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非对称挤压型变形隧道的开挖支护方法，其特征在于，包括：

步骤1，根据主应力（σ₁，σ₃）与围岩的位置关系，将围岩划分为上部大变形区（5）、上部应力集中区（6）、下部大变形区（6’）和下部应力集中区；

步骤2，根据围岩的受力和变形特征，将隧道开挖平面分为与所述上部大变形区（5）、上部应力集中区（6）、下部大变形区（6’）和下部应力集中区的位置一一对应的第一区（1）、第二区（2）、第三区（3）和第四区（4）；

步骤3，对所述上部大变形区（5）内未开挖的围岩进行第一超前小导管支护（14），并对所述上部应力集中区（6）和所述下部应力集中区进行第二超前小导管支护（15）；

步骤4，对所述第一区（1）进行开挖，并对所述第一区（1）对应的围岩进行预留变形量和定位弧线超挖；

步骤5，对所述弧线超挖部分喷射钢纤维混凝土（8），并对所述上部大变形区（5）的围岩进行长锚杆加密支护（11）；

步骤6，利用钢拱架（8）对所述开挖部分进行支护，然后复喷混凝土（9）；

步骤7，对所述第二区（2）、第三区（3）和第四区（4）进行开挖，并对开挖后的围岩采用系统锚杆支护（12）。

2.根据权利要求1所述的开挖支护方法，其特征在于，在步骤7中，对所述第三区（3）开挖时，在隧道底部施作应力释放槽（13），等变形释放完后灌浆填注，并在隧道底部施做仰拱。

3.根据权利要求1或2所述的开挖支护方法，其特征在于，所述第一超前小导管支护（14）的加固区的长度为隧道洞径直径的0.3-0.4倍，环向间距为20-60cm，外插角为10～30°。

4.根据权利要求1至3所述的开挖支护方法，其特征在于，所述第二超前小导管支护（15）的加固区长度为隧道洞径直径的0.2-0.3倍，环向间距为30cm。

5.根据权利要求1至4所述的开挖支护方法，其特征在于，所述弧线超挖的超挖宽度为隧道洞径直径的0.6-0.7倍。

6.根据权利要求5所述的开挖支护方法，其特征在于，所述弧线超挖的最大超挖深度为：

其中，R为隧道最大半径，C为软岩内聚力，为软岩内摩擦角，σ₁为隧道最大主应力（σ₁），λ为隧道最大主应力（σ₃）和最小主应力（σ1，σ3）之比，λ=σ₁/σ₃。

7.根据权利要求1至6所述的开挖支护方法，其特征在于，所述步骤5中，钢纤维混凝土（8）的混凝土喷射厚度为5-10cm，所述长锚杆加密支护（11）的长度为0.5D～0.8D，环纵间距为80cm×80cm。

8.根据权利要求1至7所述的开挖支护方法，其特征在于，所述步骤6中，复喷混凝土（9）的厚度为15～20cm。

9.根据权利要求1至8所述的开挖支护方法，其特征在于，所述步骤7中，系统锚杆支护（12）的加固区长度为隧道洞径直径的0.3-0.5倍，环纵间距为100×80cm。

10.根据权利要求2所述的开挖支护方法，其特征在于，所述应力释放槽（13）的宽度和/或深度为隧道洞径直径的0.1倍。

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