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隧道开挖沉降问题的分析与控制

[日期:2009-10-26] 浏览量:2342 来源:www.cr20g2.com 作者:张旭辉

 

  要:根据甘肃省平定高速公路青冈隧道开挖工程实例,对松散富水地层的沉降情况进行分析,并根据沉降原因提出控制措施。

关键词:隧道;沉降;控制

1、  概述

任何地下工程的开挖施工,无论其埋深大小,均将扰动地下土体,使其失去原有的平衡状态,地下土体应力重新分布的过程必将伴随着开挖面围岩的位移与变形。隧道掘进时,如不根据围岩物理性质、开挖面收敛变形的趋势分析隧道收敛、下沉的主要因素,并采取适当措施加以控制,则将给隧道施工带来重大安全、质量陷患。现根据甘肃省平定高速公路青冈隧道施工情况,对山岭隧道开挖收敛、下沉的主要特性,引起沉降的主要因素以及采取的相应控制措施进行阐述、总结。

2、围岩下沉、收敛变形的特性

青冈隧道位于甘肃省平凉市境内,右线全长2927m(起讫里程为K129+613K132+540),左线全长2891m起讫里程为K129+645K132+536),隧道穿行于六盘山中山地貌中。隧道区域地层中主要含有卵石、碎石、块石及砾岩、粉砂质泥岩,围岩破碎、裂隙发育且裂隙水丰富,尤其是隧道西口(大里程方向)进洞约400m范围内为一古滑坡体,岩体较破碎,地下水丰富,现对K132+300 K132+540段隧道监控量测资料汇总分析,隧道开挖对围岩沉降、收敛变形具有以下特性。

1)围岩的下沉、收敛与围岩的地质情况有直接关系。

根据对表1、表2、表3所列数据的对比分析,可以发现,围岩越破碎,隧道拱顶下沉和拱腰水平收敛值越大,含水量越丰富,拱顶下沉和拱腰水平收敛值越大。

观测点

540

530

510

490

470

均值

备注

最大沉降值(mm

55

61

47

59

53

55

该段围岩无明显空洞,无裂隙水

最大收敛值(mm

30

41

32

37

40

36

1K132+540K132+470段沉降、收敛数值表

 

观测点

460

450

440

430

420

410

400

均值

备注

最大沉降值(mm

73

68

81

74

93

81

79

78.4

该段围岩裂隙大,有空洞极为破碎,无裂隙水

最大收敛值(mm

56

60

57

48

63

69

71

60.6

2K132+470K132+390段沉降、收敛数值表

 

 

观测点

390

370

350

330

310

均值

备注

最大沉降值(mm

91

78

89

94

100

90.4

该段围岩裂隙发育,地下水丰富

最大收敛值(mm

85

78

83

77

81

80.8

3K132+390K132+300段沉降收敛数值表

2)隧道成环后达到稳定时间较长

从青冈隧道施工监控量测的情况来看,初期支护封闭成环后,拱顶仍有一定下沉、收敛,只有待二衬施工完成后,沉降才完全稳定。

3、  地层沉降变形的原因分析

(1) 地层土体特性的影响

根据有关隧道力学理论,对于浅埋暗挖隧道,认为隧道上覆地层已无自承载能力,其荷载应全部由隧道结构来承担。但理论与实践表明,不仅土层,即使对于干砂,地层仍能形成自然载拱。青冈隧道覆土的成因是堆积层,空隙比较大,裂隙水丰富,地层内部在隧道开挖扰动后,土体原有平衡被破坏,引起开挖周边土体松驰变形,出现潜在坍滑区,引起较大沉降。

2)地下水的影响

由于隧道一般均处在含水岩层中,开挖排水后易造成地下水因压力差的存在不断渗出,形成多道渗水通道,使地层持续失水,土层空隙及节理裂隙固结收缩,引起地层沉降。从青冈隧道施工监测情况看,地层持续失水对该隧道而言,是引起围岩沉降变形的主要原因之一。

(3)       岩层应力释放

由围岩的收敛约束特性可知,随围岩收敛变形的增大,则围岩施加到隧道结构上的荷载将减小。最佳支护概念就是在允许围岩产生稳定的位移条件下,使支护结构所受的力最小,但新奥法的这一观点是针对具有稳定的围岩隧道而言,而对于浅埋暗挖隧道,为保证地表的变形得到控制,原则上不允许地表出现超越规定值的下沉而换取最佳支护,地层预加固与及时支护且封闭成环是超浅埋暗挖隧道的关键。

多孔介质土且具潜在坍滑面的地层,随围岩收敛变形,岩层应力的释放,坍滑面会渐次产生,伴随着的就是开挖面的坍塌,此循环会累积产生,从而致随地层应力释放,坍滑区增多或增大。与此同时,由于垂直应力释放,即使拱顶下沉变形亦渐增加。可见,控制岩层应力释放度是解决下沉的关键。

(4)       隧道作用的叠加影响

国内外实践表明,对已衬砌的隧道,当两隧道的中心线距大于2.5DD为隧道宽度)时,两隧道之间的相互作用减弱,但若中心线距小于或等于2D时,则其相互作用明显。对未衬砌隧道,若中心线距为5D时,可不考虑相互作用;但中心线小于等于3D时,则必须考虑其相互作用。很明显,若两平行隧道间距小,两隧道同时开挖对地层的扰动要大于单一隧道的开挖,其结果会造成地层的突然松弛,出现大的和持续不断的变形。因此在左右线间距一定的情况下,增大两隧道的相对开挖距离是减少其作用叠加影响的关键。

(5)       施工方法

对隧道施工而言,最常用的工法是上下台阶法,这种工法也是对围岩变形影响较为严重的一种施工方法(其较CRD工法引起地表沉降增大1倍),但因其操作简单,造价低,只要措施得当,一般可满足对围岩变形的控制要求。因此,国内外隧道多采用台阶法。但台阶法也多种多样,需根据不同的断面形式及地层条件谨慎选取。

应用台阶法的关键是要保证开挖工作面的稳定性。一般而言,它取决于2个条件:一个是台阶长度,另一个是台阶形状。对软弱地层尤其是渗水较大的地层,台阶长度不可过短。此外,尚需采用环形开挖留核心土,并施加辅助工法等措施。一般而言,台阶长度愈长,工作面前方土体对工作面的挤压流动会愈小,工作面愈稳定;另一方面,在软弱地层采用台阶法时,应充分领悟“浅埋暗挖”的精神实质即早封闭理念。

(6)       开挖进尺的影响

开挖进尺的大小实质上是工作面无支护空间的大小,其值不仅决定着拱顶沉降,而且也影响开挖面的稳定性,二者相互作用并以工作面的稳定性为基础。

对围岩破碎隧道,工作面难以自稳,因而必须支撑。研究表明,开挖时工作面需支撑的压力并不大,仅10Mpa就足以使工作面短期内自稳,使开挖顺利进行;另外这个稳定开挖工作面的支撑力与上覆土层的厚度以及土体的密度几乎没什么关系,与隧道的直径呈线性关系。法国的研究表明,如果工作面无支护距离小于0.2D,对稳定开挖工作面的支撑力无特别要求,若超过此值,则无支护空间要求的稳定工作面开挖的支撑力就要变大,否则工作面就会失稳。对软弱地层、浅埋隧道,开挖进尺的控制十分重要,应分析研究,有目的地控制。

(7)       工作面的推进速度

沉降具有时空效应,工作面推进速度的加快,意味着各工序时间的缩短,隧道开挖裸露的空间亦小,其存在的时间亦短,利于控制地层变位的调整。

(8)       初期支护刚度

支护刚度是控制地表下沉的有效措施,尤其是以浅埋暗挖隧道。在要求总刚度一定的条件下,地层刚度小,势必要增大初期支护刚度。对复合式衬砌结构,根据设计的荷载分配,一般结构二衬不承担施工期荷载,但根据实际施工及有关监测资料,初期支护后围岩达到稳定的时间较长,唯有二衬后,隧道才完全稳定。因此,适当提高初期支护刚度以稳定地层是必要的。

4、  隧道沉降变形的控制对策

围岩收敛、拱顶下沉是多因素的综合作用,但在岩层条件一定的情况下,合理的设计与巧妙的施工乃是控制下沉的最为关键的手段。针对上述原因分析,提出以下控制对策。

(1)领会并严严格执行“18字方针”

浅埋暗挖法是在隧道施工中历经多地区实践基础之上提出的具有我国特色的隧道施工方法。它的精神实质及要领都融合在“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”18字方针里。不仅是字面上的浅显表达,其领会程度与否决定着对工法的应用程度以及施工效果。

“管超前”不仅仅是简单的利用小导管等进行超前预加固支护,其加固效果与小导管直径、长度、间距、安设角度、搭接长度以及浆液等都具有极强的相关关系;“短开挖”不是指台阶长度短,而是指控制循环进尺,少扰动地层,开挖范围小且留核心土;“快封闭”不仅仅是指全断面及早封闭,其意义在于在分部开挖中,每一分部开挖面也能尽快封闭。

(2) 适度排放地下水

地下水的排放无疑会使上覆地层尤其是隧道工作面附近地层的强度增加、刚度变大,但对于砂层、砾砂等特殊地层,过度抽排地下水,会使上覆多孔介质土层超固结,从而引起地表大范围沉降。因此,在能保证工作面稳定正常开挖的条件下,应该减少或限制地下水的抽排,可根据情况采取超前注浆等阻断地下渗水通道,封堵部分地下水;采取洞内排水时,尽量缩短抽排时间,工作面开挖过后及时停止;采取断面注浆、喷混凝土等措施稳定工作面;根据具体地层条件,及时调整小导管、格栅支护参数、注浆参数,确保注浆效果。

(3) 确定适合地层条件的施工方法

为有效控制地表沉降,对台阶法应预留成型的核心土,台阶长度应根据地层条件确定,地层愈软台阶长度愈长,但具体长度要根据现场实际情况分析研究确定;为使开挖的各个分部早闭合,在特殊地段处上台阶可以增设临时仰拱,即上台阶拱脚处架设钢支撑喷混凝土作托梁。实践表明,采用该方法施工,拱项及地表下沉明显减缓。

4)拉开左右线隧道的开挖距离

当两隧道的中心线距等于或小于3D时,两隧道的开挖会有叠加影响。对于软弱围岩沉降影响范围大,建议两工作而后开挖距离控制在30m以上。

a) 缩短开挖进尺

为控制围岩收敛及拱顶下沉,工作面的稳定十分重要,尤其是软弱地层隧道,开挖进尺应尽量减小。根据国内外实践经验,建议每循环进尺取断面开挖宽度的0.1倍。

b) 加快工作面的推进速度

工作面速度的加快,意味着各工序施工时间的缩短,地层应力的释放得到有效控制,地层内部的变位调整也将减小。

C) 增大初期支护刚度

初期支护施作后,其本身有一个徐变过程。对超前支护,一般采取增大小导管直径、减小布置间距、严格注浆等措施加强;对钢格栅,在间距一定时,宜增大主筋直径,增大支护初期刚度,以控制沉降。

8)合理安排二次衬砌时间

空隙水的调整所产生的附加应力是一个漫长的递增过程。对软弱富水地层,随着渗排水,地层大范围沉降,初期支护的刚度与地层刚度的相互作用会愈来愈强,因此,对软土隧道,为了确保地层较快地恢复稳定,二次衬砌应及时施作。青冈隧道的现场实践表明,二衬施作后,地层变位趋于稳定。

5、  结论

1)围岩收敛及拱顶下沉是多因素的综合作用,在地层特性一定的条件下,尽量采取措施,做到设计、施工与地层的耦合至关重要。

2)在软弱围岩下进行隧道的施工,水是施工的大敌,如何有效的控制地下水,处理好降排水、施工与地表沉降的三者的关系,尚需作更深入的研究。

 

参考文献

[1]李永树.不规则形状地下空间开挖条件下地表沉陷预计方法研究[J].测绘工程,2001.

[2]黄俊,张顶立,虞辰杰.地铁隧道开挖引起地表塌陷分析[J].中国地质灾害与防治学报,2004.

[3]赵玉光.地下工程开挖与支护安全监控量测及地质灾害动态预测与防治[J].中国地质灾害与防治学报,2001.

 

 

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公司在2006年度全国“安康杯”竞赛活动中荣获优胜企业
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荣获2005年度全国优秀施工企业
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公司荣获2004年度全国用户满意施工企业
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荣获2005年全国工程建设优秀质量管理小组
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