新奥法施工,对隧道围岩稳定性产生影响的因素有四个方面:地质及地质结构因素(包括水文因素)、地应力因素、工程因素及时间因素。其中地质及地质结构因素表现为岩体的整体强度;地应力通过围岩应力的重分布表现为一种破坏力;工程因素则是综合考虑前两者的影响,在设计及施工时一种趋利避害的体现;时间因素考虑的是在前三者共同作用下,随时间推移围岩稳定性状态的变化规律。
3.3.3.1 地质及地质结构因素
岩体不是一种单一性质的工程材料,而是天然形成的复杂的地质介质,在地下工程建设时应首先掌握其所处的地质环境。具体说来应重点研究岩体结构类型及其特性、岩体结构及裂隙分布,以上这些因素从根本上决定了围岩的强度。
岩体结构类型中常见的有整体、层状、碎裂及松散结构等,不同岩体结构其破坏机理及变形过程有所差异。
块状岩体的力学特性根据其结构面不同,有时受岩体本身特性控制,有时受节理裂隙影响,其变形特性具有弹脆性;层状岩体的力学特性受层面和软弱夹层特性的控制;由于碎裂结构存在多组断裂,其整体强度相对较低,但仍具有一定部分起支撑作用的骨架块体;散体结构岩体类似于松散介质,其整体强度很差,工程中该类岩体时常发生松动、塑性挤出及剪切破坏。具体来说岩体整体强度越高其稳定性一般较好,但其变形过程较快(即整体性较好的岩体其变形一般无明显征兆),所以在隧道结构设计及施工时应注意不稳定结构体的滑移和坍塌,对于深埋隧道应注意岩爆;整体强度较低,节理比较发育的岩体,其破坏形式主要为滑移及剪切破坏,其变形过程相对较慢,此时施工中随时间推移较易产生塌方,为保证施工安全应适当减小循环进尺并紧跟支护,同时须加强现场监测。
在实践中,工程各参与方多按《工程岩体分级标准》对隧道围岩进行分级,进而依此进行隧道支护设计与施工等,对现场监测而言,仅凭地质观察难以准确的判定围岩等级,故掌握上述围岩结构表现形式及其对应的变形机理和变形过程显得更加实用。
地质结构的好坏对隧道围岩变形大小起根本性的作用,同时地下水的影响也不容忽视,业内常说“治塌先治水”,足见地下水对隧道围岩稳定性具有显著的影响,特别是软弱围岩中地下水的影响更加显著。地下水对隧道围岩稳定性影响表现为四个层面:首先,对于具有一定透水能力的围岩来说,随着隧道掘进新的自由面得以形成,此时地下水则有了新的排泄路径,促使隧道洞体外围渗压梯度的形成,此时洞周岩体向洞内非对称运动的推动力就得以增大。其次,对岩石裂隙或者母体而言,在静水压力影响下其应力状态均趋于恶化,这将造成岩体剪强度的降低。第三、地下水的活动会使得围岩中的含水量和饱和度增加,由此导致岩石材料的变形模量和强度有很大程度上的降低,有时还加剧围岩的膨胀(如泥岩),使得裂隙面摩擦系数和黏聚力降低,从而加剧了围岩的变形和破坏。第四、地下水对围岩具有侵蚀和泥化作用。在地下水通道上,由于地下水的溶解及搬运作用,软化和冲走软弱结构面的充填物后,围岩的强度将进一步恶化。
3.3.3.2 地应力因素
在工程实践中,由于准确测定地应力较为困难,且对埋深不大的隧道而言初始地应力较小,所以地应力对围岩稳定性的影响往往是一个被忽略的因素,事实上地应力是影响地下工程围岩稳定性的基本因素之一。初始地应力的量值、方向和性质,应力重分布是否超过围岩强度或因此引起过大变形起决定性作用。具体来说当围岩主要节理组方向、最大主应力方向以及地下酮室主要临空面三者之间互为锐角时最为不利。对软弱破碎围岩,较高的地应力会使岩层发生挤出、底朦和溃曲等剧烈变形现象;同时,高地应还是质脆且整体性强岩体发生岩爆或侧壁开裂现象的诱因。由此可见在地下工程围岩稳定性分析时地应力因素也是不能忽视的。工程实践中较可行的方式是:由地质详勘成果中获取最大主应力方向及围岩主要节理组方向等信息,为后续监测工作开展提供必要的支持。
3.3.3.3 工程因素
影响地下工程隧道围岩稳定性的工程因素可理解为主观因素,通过对此类因素的研究,在隧道设计与施工工程中可达到趋利避害的效果。工程因素对围岩稳定性的影响表现形式众多,具体可归纳为设计、施工因素两类,其中施工因素有隧道掘进方式、支护形式、掌子面推进速度以及爆破震动等。
隧道设计时隧道与岩层间的交角,隧道埋深、隧道断面形状与大小直接影响隧道围岩的稳定性。一般来说,埋深越深隧道结构变形越大,断面面积越大隧道结构变形越大,而针对隧道拱部曲线来说,拱部越圆顺则隧道变形也就越小。
随着地下工程隧道施工技术的进步,其施工掘进方法多种多样,不同的施工方法对围岩的扰动次数不同,围岩应力重分布情况也不同,从而围岩变形结果也会存在较大差异。隧道掘进工法中常用的有全断面法、单或双侧壁导坑法、台阶法、交叉中隔墙法等,其中全断面开挖对同一断面围岩扰动一次,理论上相对其他工法隧道围岩变形较小。(www.xing528.com)
隧道支护方式是影响围岩变形大小的主要因素,其中新奥法施工采取喷射混凝土锚杆支护(喷锚支护),喷射混凝土是以较高的速度将混凝土拌合料喷射到岩层表面,起到阻隔空气与水分以防止围岩氧化的作用,同时高速喷射的混凝土密实度高,并且喷射料可填充围岩空隙提高围岩的整体强度。锚杆支护是通过锚入围岩的锚杆达到加固深层岩体的作用,具体说来锚杆支护可以改变围岩的受力状态,具有悬吊作用、减跨作用以及两者合作用。喷锚支护参数不同,喷锚支护的效果也存在差异,喷射混凝土越厚(当然喷层也不宜过厚,过厚不利于混凝土强度发挥)、锚杆越密隧道围岩变形越小,反之越大。当支护参数相同,支护时机也会造成围岩变形的差异,若支护不及时,围岩的自身强度和稳定性未能得到保护,这必然影响喷锚支护的效果,但是同时存在支护过早时,围岩压力过大,支护结构可能会被破坏。
隧道开挖过程中,掌子面前方未开挖岩体以及后方已形成支护抗力的支护体系,共同对其中间区域的拱部起支撑作用。当掌子面推进过快,其后方支护未形成足够的支护抗力时,拱顶沉降将出现增大的现象。为说明上述原理,可将掌子面附近拱顶部分简化为一简支梁,O端为先期开挖并形成支护抗力的一端,B为前一循环掌子面位置,C端为当前掌子面位置。A为OB间拱顶沉降监测点,A点的拱顶沉降(挠度)与OB4成正比,与拱顶的抗弯强度EI成反比,若掌子面推进过快,B处支护结构来不及形成支护抗力,则简支梁跨度由OB增大为OC,而拱顶的抗弯强度EI无显著变化,故A点的沉降将随之增大。但随着掌子面的进一步推进,BC段初支达到设计强度后形成支护抗力,此时A点的沉降速率将减缓。
所谓爆破震动是指在爆破冲击(地震效应)作用下,质点沿其平衡位置往复运动的现象,其运动轨迹可能是直线或曲线爆破地震有别于天然地震,其震源一般较浅,所以爆破时能量衰减快、频率高,在爆破影响区域内质点的竖直方向震动明显。其经验公式为:
式中:A—为爆破地震强度物理量;
K—为场地系数;
Q—为单段最大药量;
p—为与场地有关的衰减指数;
R—为爆破中心距监测点的距离。
在地铁隧道施工爆破后短时间内,围岩变形呈现不连续、有突变且随时间推移变形量回归原水平的特性,一般地,爆破震动对拱顶沉降的影响大于对净空收敛的影响。
3.3.3.4 时间因素
工程实践证明隧道围岩失稳和破坏具有时间效应,究其原因在于岩体具有前述的流变性质,同时,随着时间推移围岩强度逐步弱化。围岩流变特性中蠕变现象更为明显,围岩蠕变现象是指在应力不变的条件下围岩变形随时间推移而不断增大的现象。围岩强度的弱化主要是由地下水的侵蚀以及酮室开挖后岩体表面温度和湿度的突变而引起的。爆破震动使得围岩塑性区或者松动破裂区增大,从而导致围岩变形的增加。由于围岩变形具有时间效应,所以在施工过程中进行现场变形监测,及时掌握围岩变形动态是非常有必要的。
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