CN109506614B - 一种层状围岩大变形的判定方法 - Google Patents
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Abstract
一种层状围岩大变形的判定方法，以快速和方便的判定层状围岩大变形等级，减少对隧道施工的干扰。包括如下步骤：①根据掌子面围岩揭露情况和隧道开挖后围岩变形特征判断隧道是否处于层状围岩中；②判断掌子面揭露围岩中的软弱夹层(1)和相对较硬的岩层(2)，并按下式计算软弱夹层(1)的含量；③根据软弱夹层的含量和已开挖段初期支护变形监控量测的数据对层状围岩是否发生大变形以及大变形的量级进行判定。
Description
技术领域
本发明涉及铁路隧道、公路隧道工程领域，特别涉及一种层状围岩大变形的判定方法。
背景技术
随着我国交通基础建设的不断完善，尤其是高速铁路的建设，大量的长大越岭隧道成为建设的必要。随着这些隧道的修建不可避免遭遇岩溶涌突水、高地温、塌方、岩爆以及大变形等工程难题，从已建成的乌鞘岭隧道、兰渝铁路及在建的成兰、成昆铁路分析，大变形的处理对工程的造价、全线的工期及运营的安全影响最大，目前俨然已成为隧道设计及施工一道难题。
目前2016版《铁路隧道设计规范》中给出了高地应区隧道软岩大变形分级的判别方法，采用围岩强度应力比(围岩强度与最大地应力比值)和围岩变形特征。其中围岩强度是一项综合指标，跟岩石强度、岩体的粘聚力和内摩擦角，以及节理裂隙发育程度、地下水等都有关系，在现场要获得准确的围岩强度很难实现。通常按Mohr-Coulomn屈服准则经验公式：
进行推算，然而即便是基于各向同性经验公式，其粘聚力和内摩擦角依然很难测得。
而地应力大小还无法进行完整的理论计算，只能通过实际测量来确定。地应力常用的测量方法有应力恢复法、应变解除法、水压致裂法、声发射法、X射线法和重力法6种，但无论哪种方法，都无法准确测量软弱围岩中地应力的大小。
另外一种方法是依据《工程岩体分级标准》，其采用岩石单轴饱和抗压强度与最大地应力之比(Rc/σmax)，当比值为4～7时为高地应力区，当比值＜4时为极高地应力区。该方法中岩石单轴饱和抗压强度在实验室能够较为准确的获得，但地应力依然是难以相对准确获取。
还有一种方法就是采用挤压因子理论，该理论计算公式如下：
当Nc＝0.8-2.0之间为轻微挤压，当Nc＝0.4-0.8之间为中等挤压，当Nc＜0.4为强烈挤压。Hoek和Marinos提出了岩块强度σcm计算公式：
该公式中相关参数也是经验取值，但其中地应力直接简化为自重应力，这跟很多地区以水平构造应力为主显然有出入，这跟正交异性明显的缓倾层状围岩出入更大，有很大的局限性。
上述大变形的判别标准，基本上都是基于围岩各项同性，而且要求获得最大地应力，这些前提条件在正交各项异性的层状围岩内都难以相对准确的获得，用以上强度应力比的方法来判别层状围岩的大变形，有一定的局限性。因此，如何简单快速判断层状围岩发生大变形的标准成为隧道设计、施工中的重难点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种层状围岩大变形的判定方法，以快速和方便的判定层状围岩大变形等级，减少对隧道施工的干扰。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
本发明的一种层状围岩大变形的判定方法，包括如下步骤：
①根据掌子面围岩揭露情况和隧道开挖后围岩变形特征判断隧道是否处于层状围岩中；
②判断掌子面揭露围岩中的软弱夹层(1)和相对较硬的岩层(2)，并按下式计算软弱夹层(1)的含量：
式中，L为岩层产状相垂直的法线方向上隧道的最大开挖宽度；Xi为隧道掌子面揭露范围内软弱夹层的厚度；
③根据软弱夹层的含量和已开挖段初期支护变形监控量测的数据对层状围岩是否发生大变形以及大变形的量级进行判定，判定标准如下表所列：
本发明的有益效果是，提供了一种简单、可靠、经济、快速的一种层状围岩大变形的判定方法，该判定方法以掌子面揭露的软弱夹层含量结合已开挖段初期支护变形监控量测数据进行等级划分，能适用于多种层状围岩是否发生大变形的判定，且在现场运用中无须借助大型测试仪器，方便快捷，减少了对隧道施工的干扰。
附图说明
本说明书包括两幅附图：
图1为隧道掌子面揭露的层状岩层(缓倾岩层)示意图；
图2为隧道掌子面揭露的层状岩层(陡倾岩层)示意图；
图中构件、部位名称及所对应标记：软弱夹层1、相对较硬的岩层2、隧道开挖轮廓线3、围岩4、岩层产状相垂直的法线方向上隧道的最大开挖宽度L。
具体实施方式
下面结合附图对本发明一种层状围岩大变形的判定方法进一步说明。
从已建成的乌鞘岭隧道、兰渝铁路及在建的成兰、成昆铁路分析，大变形的处理对工程的造价、全线的工期及运营的安全影响最大，目前俨然已成为隧道设计及施工一道难题。针对大变形的判别标准，基本上都是基于围岩各项同性，而且要求获得最大地应力，这些前提条件在正交各项异性的层状围岩内都难以相对准确的获得，因而有一定的局限性。因此，如何简单快速判断层状围岩发生大变形的标准成为隧道设计、施工中的重难点。
成昆线小相岭隧道为单洞双线隧道，全长21.775km，设计时速160km。本隧身主要通过泥岩、砂岩、粉砂岩夹炭质页岩及煤，白云岩、白云质灰岩，石英砂岩、千枚岩、花岗岩等8套地层，隧道最大埋深约1300m。辅助坑道采用“2斜井+贯通平导+1横洞”方案，其中平导与正洞的线间距为30m。施工中进口平导PDK346+210～+450段左侧拱部出现明显的底板隆起和初支掉块现象，底板出现纵向裂缝，其中底板最大裂缝宽度约8cm，隆起最大约29cm，拱顶沉降最大数值约14cm，收敛最大值为约11cm。发生大变形地段的埋深在200～310m之间，地层岩性为三叠系上统白果湾组砂岩、泥岩、粉砂岩夹炭质页岩及煤，含大量植物化石碎片，弱风化带，属Ⅳ级软石，缓倾岩层，真倾角13°。发生变形段围岩整体情况较好，但软弱夹层分布较多。
从小相岭隧道变形监控量测情况分析，具有以下特征：第一，平导的变形主要部位集中在拱部左侧及右侧边墙，其变形主要部位基本与岩层走向垂直；第二，平导底板上拱变形严重；第三，正洞后续开挖过后，平导右侧变形加剧；第四，无论是正洞还是平导变形的严重程度跟围岩的破碎状态及夹层的含量呈较强的相关性；第五，围岩变形持续时间长，很多监测断面持续变形长大3个月以上(变形量级较小)。
现场出现变形后，先后开展了地应力、岩体钻孔弹模、围岩损伤圈、室内岩石强度等测试，通过大量的测试主要结论有：
(1)边墙水平孔和底板铅直孔岩体在隧道轴线方向模量差值小，在垂直洞轴方向相差较大。边墙水平孔铅垂向弹性模量平均值为8.78GPa，底板铅直孔垂直向弹性模量平均值为20.4GPa。说明岩层层间剪切破坏占主导。
(2)原地应力场的实测最大水平主应力为16.5MPa，垂直方向的小主应力为7.08MPa，侧压力系数高达2.33。
(3)岩石饱和抗压强度为37.24MPa，Rb/σmax＝0.209＜0.25，按隧道设计规范属Ⅱ级大变形；Rc/σmax＝2.64＜4，围岩的初始应力状态为极高。
在现场施工中，为应对围岩大变形，对隧道的支护参数及施工方法进行了调整。正洞主要采取的措施有：第一，初支钢架由拱墙调整为全环，钢架由I18调整为I20；第二，预留变形量由13cm，调整为25-40cm；第三，仰拱曲率由1/12调整为1/7；第四，拱部及边墙局部及仰拱设置长锚杆，必要时长锚杆与短锚杆相结合；第五，二衬采用钢筋混凝土。平导采取的主要措施有：第一，将线间距由30m调整为45m；第二，平导由直墙底板结构调整为曲墙带仰拱结构；第三，钢架采用全环I16，间距0.8-1.0m；第四，拱部及边墙局部设置了垂直岩层走向的长锚杆(6m)。施工工法上要求短台阶施工，快速支护、快速封闭、尽快形成支护强度，加强钢架的锁脚，并尽可能使系统锚杆与拱架组合成共同受力体系，实现主动控制围岩变形的效果；并加强过程中的监控量测，适时调整支护参数；开挖后应及时初喷封闭岩体裂隙找平开挖面，保证钢架与围岩的密贴。
目前从整治效果来看整体效果良好，拱部左侧仍有局部剥落掉块，但变形量不大且稳定，现场还未发生过初支变形侵限而导致的拱架拆换或二衬挤压开裂。
从上述可以看出，现场采取的措施基本按Ⅰ级(轻微大变形)处置，且处置效果较为良好，这与规范上采用强度应力比判定围岩大变形等级方法(该方法判定为Ⅱ级大变形)有较大出入，这是因为该方法仅适合一些薄层状的千枚岩、断层压碎岩等各向差异较小的围岩，局限性较大。因此，针对正交各向异性特征及横观各向同性的层状围岩，有必要提出一种更为符合现场实际的围岩大变形判定方法。
参照图1和图2，本发明的一种层状围岩大变形的判定方法，包括如下步骤：
①根据掌子面围岩揭露情况和隧道开挖后围岩变形特征判断隧道是否处于层状围岩中；
②判断掌子面揭露围岩中的软弱夹层1和相对较硬的岩层2，并按下式计算软弱夹层1的含量：
式中，L为岩层产状相垂直的法线方向上隧道的最大开挖宽度；Xi为隧道掌子面揭露范围内软弱夹层的厚度；
③根据软弱夹层的含量和已开挖段初期支护变形监控量测的数据对层状围岩是否发生大变形以及大变形的量级进行判定，判定标准如下表所列：
| 分类分级 | 轻微大变形Ⅰ级 | 较严重大变形Ⅱ级 | 严重大变形Ⅲ级 |
| 相对变形量 | 3％～5％ | 5％～8％ | >8％ |
| 顺层型 | 软弱夹层占20％以下 | 软弱夹层占40～20％ | 软弱夹层占40％以上 |
| 顺构造线 | 掌子面未见软弱夹层 | 软弱夹层占20％以下 | 软弱夹层占20％以上 |
| 不顺构造线 | 软弱夹层占20％以下 | 软弱夹层占40～20％ | 软弱夹层占40％以上 |
所述步骤①中，由掌子面围岩揭露情况判断属于层状围岩是指掌子面围岩具有明显的层状砌体式特征，平行优势结构面方向的岩体组成基本相同，而垂直优势结构面方向的岩体的组成呈现频繁的软硬交替。
所述步骤①中，由围岩变形特征判断属于层状围岩是指隧道开挖后周边岩体塑性区的发展规律呈现出明显的正交法线破坏特征，岩体的破坏或者初期支护的变形主要部位集中在与岩层产状相垂直的法线方向。
结合小相岭隧道现场实际情况，发生围岩大变形地段的围岩为缓倾岩层，如图1所示。根据已开挖段的掌子面描述情况，计算出软弱夹层1含量约为8～11％，同时，通过分析已开挖段初期支护变形监控量测的数据，其相对变形量约为3％。因此，根据上表所述标准，该段发生的围岩大变形等级为Ⅰ级(轻微大变形)。该判定结果与现场采取的大变形控制措施相匹配，能为后续施工中围岩大变形的判定及处置提供指导性建议。同时，该大变形判定方法简单、可靠、经济、快速，能适用于多种层状围岩是否发生大变形的判定，且在现场运用中无须借助大型测试仪器，方便快捷，减少了对隧道施工的干扰。
Claims (3)
1.一种层状围岩大变形的判定方法，包括如下步骤：
①根据掌子面围岩揭露情况和隧道开挖后围岩变形特征判断隧道是否处于层状围岩中；
②判断掌子面揭露围岩中的软弱夹层(1)和相对较硬的岩层(2)，并按下式计算软弱夹层(1)的含量：
式中，L为岩层产状相垂直的法线方向上隧道的最大开挖宽度；Xi为隧道掌子面揭露范围内软弱夹层的厚度；
③根据软弱夹层的含量和已开挖段初期支护变形监控量测的数据对层状围岩是否发生大变形以及大变形的量级进行判定，判定标准如下表所列：
2.如权利要求1所述的一种层状围岩大变形的判定方法，其特征是：所述步骤①中，由掌子面围岩揭露情况判断属于层状围岩是指掌子面围岩具有明显的层状砌体式特征，平行优势结构面方向的岩体组成基本相同，而垂直优势结构面方向的岩体的组成呈现频繁的软硬交替。
3.如权利要求1所述的一种层状围岩大变形的判定方法，其特征是：所述步骤①中，由围岩变形特征判断属于层状围岩是指隧道开挖后周边岩体塑性区的发展规律呈现出明显的正交法线破坏特征，岩体的破坏或者初期支护的变形主要部位集中在与岩层产状相垂直的法线方向。
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