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摘要本文依托十漫(湖北十堰～陕西漫川关)高速公路二道垭隧道,以该隧道施工中出现的变形地质灾害实例为研究对象,理论联系实际,对其发生的成因、机理进行了分析,同时讨论合理的处理措施并根据分析结果对已有的处理措施进行优化。
关键词公路隧道 地质灾害 变形
中图分类号:U45文献标识码:A
十(堰)漫(川关)线二道垭隧道为一座高速公路特长隧道。该隧道地处两郧断裂区域,地质构造十分复杂。同时,隧道经过区域地形起伏很大,垭口段的不良地质对隧道具有很大的影响,又受两郧断裂带的影响,岩体节理发育,局部地段揉皱现象明显,积聚有构造残余应力;地表水系发育,山势起伏较大,沟谷段赋存大量地下水。整体地质条件的恶化对隧道施工极为不利,在施工过程中容易发生变形等地质灾害,因而,对该隧道变形的机理分析和处理就显得十分重要。本文以二道垭隧道中出现的洞内变形为研究重点,对其作用机理、处理措施、评价手段进行分析具有较强的现实意义,相关结论与成果也可为类似工程提供参考和借鉴。
1 隧道工程地质条件及变形情况
隧道段地貌属构造剥蚀中～低山丘陵地貌单元,地形起伏大,区内冲沟多呈北东向发育,冲沟内多为第四系覆盖层。隧道区域在大地构造上属南秦岭地槽褶皱系中的三级构造单元武当复背斜内,次级构造单元为武当复背斜北部的两郧倒转背斜近轴部。线路处于两郧背斜西北部。两郧断裂在隧道进口附近通过,由一系列平行断层组成,平面上多次分支复合,断面总体倾向北东,倾角45～75€安坏取1厩谒南狄岳葱鹿乖煸硕幻飨裕喜愎乖旆⒂疃先酢O呗非文诹严斗⒂O呗费由烨文谟肴槎喜阆嘟?F2、F3和F4)。隧道穿越的地层主要有:第四系(Q)覆盖层、震旦系灯影组(Zdn)白云岩、震旦系(Zd)陡山沱组石灰岩和震旦系(Zy)耀岭河组片岩。
二道垭隧道出口右线YK95+240~135段初期支护拱腰处出现大面积开裂与剥落现象,其中YK95+195~180范围内工字钢支撑有明显压屈现象,同时伴生较大的周边收敛与拱顶下沉现象,部分初期支护侵入二衬界限。为保证洞内施工安全,施工单位当即在YK95+195~180段架设了临时钢支撑。
2 隧道变形原因分析
根据变形段出现的现象和监测数据,可以总结出以下几点变形的主要原因:
(1)变形段岩性为强风化炭质灰岩,呈黑色,节理裂隙发育,结构面产状杂乱,岩体破碎,强度较低,手可掰碎,地下水较发育,局部呈线流。隧道在此处平均埋深约150m,隧道轴线与山坡脊线大致平行。①
通过现场观察和分析,二道垭隧道洞内变形处的岩体明显呈层状碎裂结构,软弱结构面对围岩起到了控制作用,虽然在此处没有大型的地质结构面,但该变形很大程度上是沿着规模较小的结构面追踪发展而成的,由此也显示了岩体结构的影响及构造的控制作用。
连日的降雨使得一部分地表水通过节理裂隙渗透到围岩的节理面就产生了以下的具体作用:②
①降低岩体特别是变形处结构面岩体的强度,对于软弱岩体强度软化系数一般为 0.5~0.7左右。
地下水活动将较弱结构面中的物质软化或泥化,使结构面的抗剪强度降低(c,值减小),摩阻力和内聚力减小。
②地下水的静水压力一方面降低了结构面上的有效法向应力,从而降低了结构面上的抗滑力;另一方面切割面中的静水压力又增加了岩体的下滑力,从而使围岩的稳定条件恶化。
当存在裂隙水压力时,水压力作用方向与法向力N相反,抵消一部分正压力,其稳定条件如式(1):
(1)
式中:——切向力;
——法向力;
——结构面的内摩擦角;
——结构面的内聚力;
——裂隙水压力。
因此,当存在裂隙水压力时,水压力抵消了一部分法向力,同样也导致内摩擦力减弱,增加了滑动力。裂隙水压力不仅降低了摩擦力,而且会将软弱结构面中的充填物带走或饱水,这就使结构面上的内聚力几乎消失,促使有滑塌趋势的块体发生沿软弱结构面的变形。
(2)围岩应力变化对隧道围岩稳定性影响。由于隧道的开挖形成了地下空间,破坏了岩体初始应力场原有的相对平衡状态,洞室周边岩体将向开挖空间松胀变形,使围岩中的应力产生重分布作用,形成新的应力状态。
当对隧道空间进行支护后,如果稳定则围岩的应力重分布作用将减缓。但是当地下水作用于软弱结构面或软弱泥化夹层后,围岩的自承能力严重下降,围岩的应力可能发生第三次甚至更多次应力的重新分布,造成围岩变形甚至塌方。③④在此将用塌方拱的理论来解释二道垭隧道的变形。
在如下的示意图1中,隧道开挖至潜在的变形(或者塌方区域即软弱夹层)前,隧道围岩的应力还是均匀分布的。钢拱架可以看作是一个支点在掌子面后方的悬臂梁,显然,钢拱架的支护作用可以满足隧道围岩稳定性的要求。
由于水的作用,软弱夹层软化造成围岩跨塌,直至其形成稳定的自然拱(又称坍落拱⑤)。在示意图2中,拱脚发生应力集中,靠近掌子面的第一榀钢拱架就由当初悬臂梁的一部分变成了后边悬臂梁的支点,显然它不能提供足以支撑围岩稳定的力。这就是发生塌方时,紧邻塌方区域的支护结构会发生破坏的根本原因。当然在塌方未形成之前,就是前述的变形。
图1变形前应力分布示意图
图2变形后的应力分布示意图
(3)由监测数据突变可知,在下台阶施工时,因开挖断面增大导致初期支护承受不住围岩压力而出现变形与开裂现象。
(4)初期支护与围岩未紧密接触,背后存在较多空洞,局部只有表面平顺,造成初期支护受力不均,局部钢支撑受的压力较大。
(5)锚杆存在偷工减料现象,并没有真正起到加固围岩作用,也没有和钢拱架连接在一起承受上覆围岩荷载。
3 隧道变形处理措施
由于初期支护出现大面积开裂与剥落,并且局部出现侵陷,在考虑到各种施工因素之后,最终在YK95+140~195变形严重段采用42€?.5mm、长度为5m的径向小导管对围岩进行注浆加固,采用1.2m€?.2m梅花型布置;将YK95+245~135段的二衬变更为钢筋混凝土,以承担上覆围岩部分压力。施工过程中,先替换侵陷的拱架,然后二衬采用跳跃式施工,先施工变形严重地段,后施工普通段。
在对变形段进行检测时,发现该段部分二衬存在断面尺寸不够现象,个别断面拱顶处二衬厚度只有17cm(原设计二衬厚度为40cm),故后期又对二衬进行补浇。
4 隧道变形处理效果分析
通过具有针对性的施工措施,较好地抑制了变形进一步发展的趋势。
图3YK95+200水平收敛曲线图
图4YK95+200拱顶下沉曲线图
据监测数据分析,YK95+200断面累计水平收敛值达94.55mm,拱顶下沉值为67.7mm,并在该值附近稳定,如图3、4。
在处理变形的过程中也可以在辅助施工的同时,尽早施作仰拱使整个衬砌结构形成一个承载环,来约束变形的进一步发展。该方法在十漫线的云岭隧道已经得到了使用,取得了较好的效果。
5 结语
我国未来隧道工程的发展较多地集中在地质条件变化较多的地区,设计单位提供的地质资料,施工前所制定的施工方法和防范措施及对策,不可能完全符合实际情况,因此在施工过程中,工程技术人员应经常观察地层岩性和地质条件的变化,同时掌握一系列地质灾害的发生机理,熟练地调整相应的处理措施。
除了介绍施工单位实际的灾害处理措施外,还就变形控制方面提出自己对处理措施的一些意见。最后通过隧道监测数据分析,得到直观的图像,并据此对地质灾害相应处理措施的效果进行了初步的评价。
注释
① 中国地质大学(武汉)工程学院.,两郧断裂带对十漫高速公路隧道围岩稳定性影响[R],武汉:中国地质大学(武汉),2003.
② 张咸恭,王思敬,张倬元,中国工程地质学[M],北京:科学出版社,2000.
③ 黄成光,公路隧道施工[M],北京:人民交通出版社,2001.
④⑤ 陈小雄,现代隧道工程理论与隧道施工[M],成都:西南交通大学出版社,2006.
关键词公路隧道 地质灾害 变形
中图分类号:U45文献标识码:A
十(堰)漫(川关)线二道垭隧道为一座高速公路特长隧道。该隧道地处两郧断裂区域,地质构造十分复杂。同时,隧道经过区域地形起伏很大,垭口段的不良地质对隧道具有很大的影响,又受两郧断裂带的影响,岩体节理发育,局部地段揉皱现象明显,积聚有构造残余应力;地表水系发育,山势起伏较大,沟谷段赋存大量地下水。整体地质条件的恶化对隧道施工极为不利,在施工过程中容易发生变形等地质灾害,因而,对该隧道变形的机理分析和处理就显得十分重要。本文以二道垭隧道中出现的洞内变形为研究重点,对其作用机理、处理措施、评价手段进行分析具有较强的现实意义,相关结论与成果也可为类似工程提供参考和借鉴。
1 隧道工程地质条件及变形情况
隧道段地貌属构造剥蚀中～低山丘陵地貌单元,地形起伏大,区内冲沟多呈北东向发育,冲沟内多为第四系覆盖层。隧道区域在大地构造上属南秦岭地槽褶皱系中的三级构造单元武当复背斜内,次级构造单元为武当复背斜北部的两郧倒转背斜近轴部。线路处于两郧背斜西北部。两郧断裂在隧道进口附近通过,由一系列平行断层组成,平面上多次分支复合,断面总体倾向北东,倾角45～75€安坏取1厩谒南狄岳葱鹿乖煸硕幻飨裕喜愎乖旆⒂疃先酢O呗非文诹严斗⒂O呗费由烨文谟肴槎喜阆嘟?F2、F3和F4)。隧道穿越的地层主要有:第四系(Q)覆盖层、震旦系灯影组(Zdn)白云岩、震旦系(Zd)陡山沱组石灰岩和震旦系(Zy)耀岭河组片岩。
二道垭隧道出口右线YK95+240~135段初期支护拱腰处出现大面积开裂与剥落现象,其中YK95+195~180范围内工字钢支撑有明显压屈现象,同时伴生较大的周边收敛与拱顶下沉现象,部分初期支护侵入二衬界限。为保证洞内施工安全,施工单位当即在YK95+195~180段架设了临时钢支撑。
2 隧道变形原因分析
根据变形段出现的现象和监测数据,可以总结出以下几点变形的主要原因:
(1)变形段岩性为强风化炭质灰岩,呈黑色,节理裂隙发育,结构面产状杂乱,岩体破碎,强度较低,手可掰碎,地下水较发育,局部呈线流。隧道在此处平均埋深约150m,隧道轴线与山坡脊线大致平行。①
通过现场观察和分析,二道垭隧道洞内变形处的岩体明显呈层状碎裂结构,软弱结构面对围岩起到了控制作用,虽然在此处没有大型的地质结构面,但该变形很大程度上是沿着规模较小的结构面追踪发展而成的,由此也显示了岩体结构的影响及构造的控制作用。
连日的降雨使得一部分地表水通过节理裂隙渗透到围岩的节理面就产生了以下的具体作用:②
①降低岩体特别是变形处结构面岩体的强度,对于软弱岩体强度软化系数一般为 0.5~0.7左右。
地下水活动将较弱结构面中的物质软化或泥化,使结构面的抗剪强度降低(c,值减小),摩阻力和内聚力减小。
②地下水的静水压力一方面降低了结构面上的有效法向应力,从而降低了结构面上的抗滑力;另一方面切割面中的静水压力又增加了岩体的下滑力,从而使围岩的稳定条件恶化。
当存在裂隙水压力时,水压力作用方向与法向力N相反,抵消一部分正压力,其稳定条件如式(1):
(1)
式中:——切向力;
——法向力;
——结构面的内摩擦角;
——结构面的内聚力;
——裂隙水压力。
因此,当存在裂隙水压力时,水压力抵消了一部分法向力,同样也导致内摩擦力减弱,增加了滑动力。裂隙水压力不仅降低了摩擦力,而且会将软弱结构面中的充填物带走或饱水,这就使结构面上的内聚力几乎消失,促使有滑塌趋势的块体发生沿软弱结构面的变形。
(2)围岩应力变化对隧道围岩稳定性影响。由于隧道的开挖形成了地下空间,破坏了岩体初始应力场原有的相对平衡状态,洞室周边岩体将向开挖空间松胀变形,使围岩中的应力产生重分布作用,形成新的应力状态。
当对隧道空间进行支护后,如果稳定则围岩的应力重分布作用将减缓。但是当地下水作用于软弱结构面或软弱泥化夹层后,围岩的自承能力严重下降,围岩的应力可能发生第三次甚至更多次应力的重新分布,造成围岩变形甚至塌方。③④在此将用塌方拱的理论来解释二道垭隧道的变形。
在如下的示意图1中,隧道开挖至潜在的变形(或者塌方区域即软弱夹层)前,隧道围岩的应力还是均匀分布的。钢拱架可以看作是一个支点在掌子面后方的悬臂梁,显然,钢拱架的支护作用可以满足隧道围岩稳定性的要求。
由于水的作用,软弱夹层软化造成围岩跨塌,直至其形成稳定的自然拱(又称坍落拱⑤)。在示意图2中,拱脚发生应力集中,靠近掌子面的第一榀钢拱架就由当初悬臂梁的一部分变成了后边悬臂梁的支点,显然它不能提供足以支撑围岩稳定的力。这就是发生塌方时,紧邻塌方区域的支护结构会发生破坏的根本原因。当然在塌方未形成之前,就是前述的变形。
图1变形前应力分布示意图
图2变形后的应力分布示意图
(3)由监测数据突变可知,在下台阶施工时,因开挖断面增大导致初期支护承受不住围岩压力而出现变形与开裂现象。
(4)初期支护与围岩未紧密接触,背后存在较多空洞,局部只有表面平顺,造成初期支护受力不均,局部钢支撑受的压力较大。
(5)锚杆存在偷工减料现象,并没有真正起到加固围岩作用,也没有和钢拱架连接在一起承受上覆围岩荷载。
3 隧道变形处理措施
由于初期支护出现大面积开裂与剥落,并且局部出现侵陷,在考虑到各种施工因素之后,最终在YK95+140~195变形严重段采用42€?.5mm、长度为5m的径向小导管对围岩进行注浆加固,采用1.2m€?.2m梅花型布置;将YK95+245~135段的二衬变更为钢筋混凝土,以承担上覆围岩部分压力。施工过程中,先替换侵陷的拱架,然后二衬采用跳跃式施工,先施工变形严重地段,后施工普通段。
在对变形段进行检测时,发现该段部分二衬存在断面尺寸不够现象,个别断面拱顶处二衬厚度只有17cm(原设计二衬厚度为40cm),故后期又对二衬进行补浇。
4 隧道变形处理效果分析
通过具有针对性的施工措施,较好地抑制了变形进一步发展的趋势。
图3YK95+200水平收敛曲线图
图4YK95+200拱顶下沉曲线图
据监测数据分析,YK95+200断面累计水平收敛值达94.55mm,拱顶下沉值为67.7mm,并在该值附近稳定,如图3、4。
在处理变形的过程中也可以在辅助施工的同时,尽早施作仰拱使整个衬砌结构形成一个承载环,来约束变形的进一步发展。该方法在十漫线的云岭隧道已经得到了使用,取得了较好的效果。
5 结语
我国未来隧道工程的发展较多地集中在地质条件变化较多的地区,设计单位提供的地质资料,施工前所制定的施工方法和防范措施及对策,不可能完全符合实际情况,因此在施工过程中,工程技术人员应经常观察地层岩性和地质条件的变化,同时掌握一系列地质灾害的发生机理,熟练地调整相应的处理措施。
除了介绍施工单位实际的灾害处理措施外,还就变形控制方面提出自己对处理措施的一些意见。最后通过隧道监测数据分析,得到直观的图像,并据此对地质灾害相应处理措施的效果进行了初步的评价。
注释
① 中国地质大学(武汉)工程学院.,两郧断裂带对十漫高速公路隧道围岩稳定性影响[R],武汉:中国地质大学(武汉),2003.
② 张咸恭,王思敬,张倬元,中国工程地质学[M],北京:科学出版社,2000.
③ 黄成光,公路隧道施工[M],北京:人民交通出版社,2001.
④⑤ 陈小雄,现代隧道工程理论与隧道施工[M],成都:西南交通大学出版社,2006.