高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道開挖支護(hù)施工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于隧道施工技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道開挖支護(hù) 施工方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隧道開挖勢必引發(fā)圍巖原始應(yīng)力的重新分布，整個圍巖應(yīng)力重分布的力學(xué)行為可 以概化為如下過程：經(jīng)"平衡"、"松弛"與"松散、坍塌"三個階段后，達(dá)到新的平衡。"松弛" 和"松散"在描述應(yīng)力重分布過程是兩個完全不同的概念，在這兩個過程中圍巖荷載的表現(xiàn) 形式也是不同的。"松弛"階段產(chǎn)生的荷載被稱為"形變壓力"，此時圍巖應(yīng)力水平的降低與 圍巖變形共存，從巖體力學(xué)角度分析，該階段的圍巖仍可認(rèn)為處于連續(xù)介質(zhì)或似連續(xù)介質(zhì) 的性態(tài)；"松散、對塌"階段產(chǎn)生的荷載被稱為"松散壓力"，它是在圍巖變形增長到一定程度 后，巖塊與原巖分離而導(dǎo)致的坍塌或巖塊的自重應(yīng)力對支護(hù)產(chǎn)生作用。
[0003] 國內(nèi)外學(xué)者曾對軟巖隧道（也稱為軟弱圍巖隧道）施工后產(chǎn)生大變形的類型進(jìn)行 過系統(tǒng)的研究，并從不同的角度對大變形的類型進(jìn)行分類，下面對大變形隧道按其變形機(jī) 理的分類進(jìn)行說明。軟巖大變形隧道按其變形機(jī)理可分為松散型、膨脹型和擠壓型三個類 型，誘發(fā)這三種類型的隧道大變形的前提條件相差較大，大變形發(fā)生后表現(xiàn)出來的變形特 征也是各不相同的。
[0004] 其中，松散型大變形出現(xiàn)在硬巖（包括巖塊強(qiáng)度Re > 30MPa的破碎巖體、層狀巖 體和塊狀巖體等）隧道和低地應(yīng)力的淺埋隧道中，圍巖松弛過程較短，前期變形量較小，在 沒能及時提供足夠的支護(hù)反力時，圍巖變形發(fā)展到一定程度后便會松散或坍塌，由此產(chǎn)生 的圍巖松散壓力直接作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上，在變形時態(tài)曲線呈現(xiàn)向上反彎或"跳躍"的性態(tài)。 [0005] 膨脹型大變形隧道的變形機(jī)理簡單的說就是軟巖內(nèi)的膨脹性礦物成分在水或者 力的作用下體積增大，不斷侵入隧道凈空的現(xiàn)象。當(dāng)在含膨脹性礦物的地層中開挖隧道時， 巖石遇水或吸濕之后產(chǎn)生膨脹，其量值可能遠(yuǎn)大于巖石的彈塑性及碎脹變形量之和，由此 產(chǎn)生的膨脹性變形壓力成為誘發(fā)軟巖隧道支護(hù)破壞的一個重要原因。隧道開挖后，圍巖遇 水作用會發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，引起體積膨脹和力學(xué)性能的變化，在隧道周邊圍巖形成了遇 水膨脹區(qū)和穩(wěn)定區(qū)兩個不同的區(qū)域。遇水膨脹區(qū)圍巖的天然裂隙結(jié)構(gòu)、應(yīng)力調(diào)整引起的圍 巖裂隙為軟巖及膨脹性礦物提供了吸水通道，加劇了圍巖的膨脹變形，最終產(chǎn)生大變形，導(dǎo) 致隧道結(jié)構(gòu)體的破壞。
[0006] "擠壓型大變形"發(fā)生于圍巖松弛階段，其變形機(jī)理與"松散型大變形"和"膨脹型 大變形"相差較大，并且變形過程極為復(fù)雜，國內(nèi)外大量的專家與學(xué)者對這一課題進(jìn)行了大 量的研究，但擠壓型軟巖大變形隧道的修建仍是世界性難題。
[0007] 其中，具有高應(yīng)力背景的軟弱圍巖變形稱為"擠壓型"變形，即高應(yīng)力條件的軟弱 圍巖變形為擠壓型大變形。
[0008] 國際巖石力學(xué)學(xué)會（簡稱ISRM) "隧道擠壓性巖石專業(yè)委員會"對圍巖擠壓性作 了如下定義："擠壓型"是指圍巖具有時效的大變形；其變形具有明顯的優(yōu)勢部位和方向， 可發(fā)生在施工階段，也可能會延續(xù)較長時間。變形的本質(zhì)是巖體內(nèi)的剪應(yīng)力超限而引起的 剪切蠕動，這些變形主要可以歸納為以下幾種特點：第一、變形的速度快；第二、變形量大； 第三、變形持續(xù)的時間長；第四、變形有明顯的優(yōu)勢部位和方向。目前，擠壓型大變形隧道比 較認(rèn)可的破壞機(jī)理有如下三種：完全剪切破壞、彎曲破壞和剪力及滑動張裂破壞。
[0009] 軟巖（即軟弱圍巖）發(fā)生塑性變形的概率非常高，常引起隧道的凈空變小，影響正 常的隧道施工和使用。由于軟弱圍巖本身的地質(zhì)性質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，并且穩(wěn)定性極差，這就決定 了它在隧道建設(shè)中必然會產(chǎn)生一定程度的變形。由于軟弱圍巖穩(wěn)定性較差的原因，在隧道 開挖后，使原有的地應(yīng)力平衡遭到了破壞，從而導(dǎo)致圍巖發(fā)生變形。在施工的過程中，如果 選用的方法不當(dāng)，不但會引起工程建設(shè)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，甚至?xí)鹚淼赖乃降劝?全事故。
[0010] 圍巖變形是隧道設(shè)計的基本準(zhǔn)則之一，也是評價隧道圍巖穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。 在較高地應(yīng)力（> 25MPa)水平下發(fā)生顯著變形的中、高強(qiáng)工程巖體稱為高地應(yīng)力軟巖 (highstressed soft rock，簡稱H型）。隧道開挖后的高地應(yīng)力軟巖隧道大變形大致經(jīng)歷 三個階段：a.彈性變形階段；b.彈性變形和塑行變形共存階段；c.以蠕變?yōu)橹?，蠕變、塑?變形共存，同時伴隨圍巖損傷、斷裂、擠出及膨脹耦合作用階段，大量研究表明軟弱圍巖以 塑性變形和蠕變變形為主。
[0011] 為充分發(fā)揮圍巖自承作用，容許初期支護(hù)和圍巖有一定的變形，而將設(shè)計開挖線 作適當(dāng)擴(kuò)大的預(yù)留量，稱之為隧道預(yù)留變形量。預(yù)留變形量是指從隧道初期支護(hù)施工開始， 到隧道周邊位移基本穩(wěn)定時，周邊位移的累計值。
[0012] 由于軟巖具有顯著流變性、圍巖強(qiáng)度低的特點，同時高地應(yīng)力作用下，上述特點更 加明顯，從而使隧道變形量極大、變形發(fā)展快。一旦施工控制不當(dāng)或預(yù)留變形量不夠，極易 發(fā)生支護(hù)開裂、侵限問題。因此確定高地應(yīng)力軟巖隧道的預(yù)留變形量就尤其重要，同時也是 極其困難的。
[0013] 對鐵路而言，隧道開挖施工主要考慮預(yù)留變形量、施工誤差和允許超挖，施工誤差 和允許超挖一般基于施工單位經(jīng)驗確定取值范圍；隧道預(yù)留變形量的確定則相對復(fù)雜。目 前對于高地應(yīng)力與極高地應(yīng)力條件下的軟巖大變形隧道，沒有成熟的理論成果來確定隧道 預(yù)留變形量，而采用工程類比法時，該類隧道地質(zhì)條件極其復(fù)雜，圍巖性質(zhì)千差萬別，地應(yīng) 力條件不同，導(dǎo)致難以取得理想效果。
[0014] 在高地應(yīng)力作用下，軟巖大變形導(dǎo)致大梁隧道底板隆起；初支變形失效、侵限；二 次襯砌開裂等現(xiàn)象，嚴(yán)重危及施工安全及工程質(zhì)量?，F(xiàn)場圍繞控變防塌，針對高地應(yīng)力下軟 巖變形特征，需對支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。
[0015] 目前國內(nèi)外隧道工程中，所遇到的大變形不良地質(zhì)問題較多，為了解決大變形給 隧道施工帶來的問題和確保圍巖穩(wěn)定及作業(yè)安全，各國針對大變形工程現(xiàn)象進(jìn)行了許多實 驗性的和工程性的研究，并在工程施工過程中采取了許多措施。根據(jù)國內(nèi)外隧道施工的實 踐，在擠壓性圍巖、膨脹性圍巖、斷層破碎帶、高地應(yīng)力條件下的軟弱圍巖中進(jìn)行隧道施工 會發(fā)生大變形現(xiàn)象。大變形隧道的共同的特點是：斷面縮小、拱腰開裂、基腳下沉、基底鼓起 等。變形初期不僅變形的絕對值比較大，而且位移速度也很大，如不加控制或控制不當(dāng)時， 就會造成不可預(yù)計的后果。
[0016] 經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，高地應(yīng)力引起的軟巖大變形隧道施工的特點及難點主要體現(xiàn)在以下 四個方面：
[0017] 第一、開挖后圍巖應(yīng)力巨大，對支護(hù)體系的強(qiáng)度、剛度要求極高；支護(hù)體系弱了，被 圍堰應(yīng)力短時間內(nèi)擠壓破壞，變形侵限，帶來拆換重做的結(jié)果，安全風(fēng)險極高；
[0018] 第二、初期支護(hù)形成空間聯(lián)合受力體系，包括周邊圍巖預(yù)加固、支撐體系和錨固體 系；
[0019] 第三、變形量大、發(fā)展迅速且持續(xù)不收斂，施作完的支護(hù)體系，因變形量控制不好 造成侵限的情況非常普遍；
[0020] 第四、開挖預(yù)留變形量無法科學(xué)準(zhǔn)確預(yù)測，留大了加大隧道開挖斷面，不僅不利于 圍巖穩(wěn)定，而且因變形達(dá)不到造成嚴(yán)重浪費(fèi)；留小了，若變形超量侵限，造成拆換安全風(fēng)險 和浪費(fèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種高地應(yīng)力 軟弱圍巖隧道開挖支護(hù)施工方法，其方法步驟簡單、設(shè)計合理且施工方便、使用效果好，能 簡便、快速完成高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道的隧道開挖及支護(hù)施工過程且施工過程安全、可靠。
[0022] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道開 挖支護(hù)施工方法，其特征在于：沿隧道縱向延伸方向，由后向前分多個節(jié)段對所施工軟弱圍 巖隧道進(jìn)行開挖及支護(hù)施工；多個所述節(jié)段的開挖及支護(hù)施工方法均相同；對所施工軟弱 圍巖隧道中任一節(jié)段進(jìn)行開挖及支護(hù)施工時，包括以下步驟：
[0023] 步驟一、巖體強(qiáng)度與圍巖內(nèi)部最大地應(yīng)力測試：對當(dāng)前所施工節(jié)段進(jìn)行開挖施工 之前，對當(dāng)前所施工節(jié)段圍巖的巖體強(qiáng)度Rb和圍巖內(nèi)部的最大地應(yīng)力〇_分別進(jìn)行測試；
[0024] 步驟二、圍巖的擠壓型大變形等級確定：根據(jù)步驟一中測試得出的巖體強(qiáng)度Rb和 最大地應(yīng)力，計算得出當(dāng)前所施工節(jié)段圍巖的強(qiáng)度應(yīng)力比
；再根據(jù)計算得出的強(qiáng) 度應(yīng)力比
對當(dāng)前所施工節(jié)段圍巖的擠壓型大變形等級進(jìn)行確定；所述擠壓型大變形 等級包括四個等級，且四個等級由低至高分別為無大變形、輕微大變形、中等大變形和嚴(yán)重 大變形；
[0025] 對當(dāng)前所施工節(jié)段圍巖的擠壓型大變形等級進(jìn)行確定時，當(dāng)
時，說明 當(dāng)前所施工節(jié)段圍巖的擠壓型大變形等級為無大變形；當(dāng)
時，說明當(dāng)前 所施工節(jié)段圍巖的擠壓型大變形等級為輕微大變形；當(dāng)
時，說明當(dāng)前所 施工節(jié)段圍巖的擠壓型大變形等級為中等大變形；當(dāng)
時，說明當(dāng)前所施工節(jié)段 圍巖的擠壓型大變形等級為嚴(yán)重大變形；
[0026] 步驟三、初期支護(hù)方案確定：根據(jù)步驟二中所確定的當(dāng)前所施工節(jié)段圍巖的擠壓 型大變形等級，對當(dāng)前所施工節(jié)段的初期支護(hù)方案進(jìn)行確定；其中，當(dāng)當(dāng)前所施工節(jié)段圍巖 的擠壓型大變形等級為無大變形或輕微大變形時，所采用的初期支護(hù)方案為型鋼鋼架支護(hù) 方案；當(dāng)當(dāng)前所施工節(jié)段圍巖的擠壓型大變形等級為中等大變形或嚴(yán)重大變形時，所采用 的初期支護(hù)方案為格柵鋼架與套拱聯(lián)合支護(hù)方案；
[0027] 步驟四、隧道開挖及支護(hù)施工：沿隧道縱向延伸方向，由后向前對當(dāng)前所施工節(jié)段 進(jìn)行開挖施工；開挖施工過程中，根據(jù)步驟三中所確定的當(dāng)前所施工節(jié)段的初期支護(hù)方案， 由后向前對開挖形成的隧道洞進(jìn)行初期支護(hù)，并獲得隧道初期支護(hù)體系；
[0028] 其中，當(dāng)步驟三中所確定的初期支護(hù)方案為型鋼鋼架支護(hù)方案時，所獲得的隧道 初期支護(hù)體系為型鋼鋼架支護(hù)體系；所述型鋼鋼架支護(hù)體系包括多榀對隧道洞進(jìn)行支護(hù)的 型鋼鋼架，多榀所述型鋼鋼架的結(jié)構(gòu)均相同且其沿隧道縱向延伸方向由后向前進(jìn)行布設(shè)； 多榀所述型鋼鋼架呈均勻布設(shè)；
[0029] 當(dāng)步驟三中所確定的初期支護(hù)方案為格柵鋼架與套拱聯(lián)合支護(hù)方案時，所獲得的 隧道初期支護(hù)體系為格柵鋼架與套拱聯(lián)合支護(hù)體系；所述格柵鋼架與套拱聯(lián)合支護(hù)體系包 括多榀對隧道洞進(jìn)行支護(hù)的格柵鋼架和多榀對隧道洞的拱墻進(jìn)行支護(hù)的型鋼套拱，多榀所 述格柵鋼架的結(jié)構(gòu)均相同且其沿隧道縱向延伸方向由后向前進(jìn)行布設(shè)，多榀所述型鋼套拱 的結(jié)構(gòu)均相同且其沿隧道縱向延伸方向由后向前進(jìn)行布設(shè)；多榀所述格柵鋼架呈均勻布 設(shè)，且多榀所述型鋼套拱呈均勻布設(shè)，前后相鄰兩榀所述型鋼套拱之間的間距為前后相鄰 兩榀所述格柵鋼架之間間距的M倍，其中M為正整數(shù)且M = 1、2或3 ;
[0030] 步驟五、下一節(jié)段開挖及支護(hù)施工：按照步驟一至步驟四中所述的方法，對所施工 軟弱圍巖隧道的下一節(jié)段進(jìn)行開挖及支護(hù)施工；
[0031] 步驟六、多次重復(fù)步驟五，直至完成所施工軟弱圍巖隧道的全部開挖及支護(hù)施工 過程。
[0032] 上述高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道開挖支護(hù)施工方法，其特征是：每個所述節(jié)段的長度 為 50m ~1000m。
[0033] 上述高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道開挖支護(hù)施工方法，其特征是：步驟一中對當(dāng)前所施 工節(jié)段圍巖的巖體強(qiáng)度Rb進(jìn)行測試時，通過對現(xiàn)場所取巖樣進(jìn)行室內(nèi)試驗，測試得出當(dāng)前 所施工節(jié)段的圍巖基本力學(xué)參數(shù)，并根據(jù)測試得出的圍巖基本力學(xué)參數(shù)對巖體強(qiáng)度Rb進(jìn) 行計算；當(dāng)前所施工節(jié)段圍巖的巖體強(qiáng)度Rb為巖體單軸抗壓強(qiáng)度；
[0034] 步驟一中對圍巖內(nèi)部的最大地應(yīng)力σ _進(jìn)行測試時，采用水壓致裂法進(jìn)行測試。
[0035] 上述高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道開挖支護(hù)施工方法，其特征是：步驟四中進(jìn)行隧道開 挖及支護(hù)施工之前，還需對當(dāng)前所施工節(jié)段的隧道預(yù)留變形量進(jìn)行確定；對當(dāng)前所施工節(jié) 段的隧道預(yù)留變形量進(jìn)行確定時，采用基于擠壓型大變形等級預(yù)留變形量確定方法或基于 保證率的預(yù)留變形量確定方法進(jìn)行確定；步驟四中由后向前對當(dāng)前所施工節(jié)段進(jìn)行開挖施 工時，根據(jù)所確定的隧道預(yù)留變形量進(jìn)行開挖施工；
[0036] 其中，采用基于擠壓型大變形等級預(yù)留變形量確定方法進(jìn)行確定時，根據(jù)步驟二 中所確定的當(dāng)前所施工節(jié)段圍巖的擠壓型大變形等級，對當(dāng)前所施工節(jié)段的預(yù)留變形量進(jìn) 行確定；所確定的預(yù)留變形量包括隧道拱部預(yù)留變形量CJP隧洞邊墻預(yù)留變形量C2;其中， 隧道拱部預(yù)留變形量C1= 50_~530_，隧洞邊墻預(yù)留變形量
30mm ;并且，當(dāng)前所施工節(jié)段圍巖的擠壓型大變形等級越高，隧道拱部預(yù)留變形量C1、隧洞 邊墻預(yù)留變形量CjP △ C的取值均越大；
[0037] 采用基于保證率的預(yù)留變形量確定方法進(jìn)行確定時，將當(dāng)前所施工節(jié)段分為試驗 段和位于所述試驗段前側(cè)的后續(xù)施工段，且隧道預(yù)留變形量確定過程如下：
[0038] 步驟I、試驗段開挖：沿隧道縱向延伸方向，由后向前對當(dāng)前所施工節(jié)段的試驗段 進(jìn)行開挖；開挖過程中，根據(jù)步驟三中所確定的當(dāng)前所施工節(jié)段的初期支護(hù)方案，由后向前 對開挖形成的隧道洞進(jìn)行初期支護(hù)，并獲得隧道初期支護(hù)體系；
[0039] 步驟II、變形監(jiān)測：對所述試驗段內(nèi)N個隧道監(jiān)測斷面上的拱頂沉降值和水平凈 空收斂值分別進(jìn)行監(jiān)測，并獲得分別與N個所述隧道監(jiān)測斷面對應(yīng)的N組變形監(jiān)測數(shù)據(jù)；每 組所述變形監(jiān)測數(shù)據(jù)均包括監(jiān)測得到的一個所述隧道監(jiān)測斷面上隧道初期支護(hù)體系的拱 頂沉降值和水平凈空收斂值；
[0040] 其中，N為正整數(shù)且N多10 ;N個所述隧道監(jiān)測斷面沿所施工軟弱圍巖隧道的縱向 延伸方向由后向前進(jìn)行布設(shè)，每個所述隧道監(jiān)測斷面均為所施工軟弱圍巖隧道的一個隧道 橫斷面；
[0041] 步驟III、基于保證率的預(yù)留變形量范圍確定：所確定的預(yù)留變形量范圍包括隧 道拱部預(yù)留變形量范圍和隧道邊墻預(yù)留變形量范圍；其中，隧道拱部預(yù)留變形量范圍記作 Clni~C 1M，隧道邊墻預(yù)留變形量范圍記作C2ni~C 2M;C 1ηι為拱部預(yù)留變形量最小值，C 1M為拱部 預(yù)留變形量最大值，C2ni為隧道邊墻預(yù)留變形量最小值，C