复杂层状岩层隧道塌方原因分析与加固后信息化施工技术.pdf

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1、第3 0 卷第3 期岩土力学v 0 1 3 0N o 32 0 0 9 年3 月R o c ka n dS o i lM e c h a n i c sM a r 2 0 0 9文章编号t1 0 0 0-7 5 9 8(2 0 0 9)0 3-0 6 5 0-0 4复杂层状岩层隧道塌方原因分析与加固后信息化施工技术陈秋南”，赵明华1，周国华2，黄胜平2，周应麟3(1 湖南大学土木工程学院，长沙4 1 0 0 8 2；2 湖南科技人学土木工程学院，湘潭4 1 1 2 0 1；3 湖南路桥建设集团公司，长沙4 1 0 0 1 2)摘要：关口垭隧道右洞Y k 7 3+9 5 5 Y k 7 3+9

2、2 5 段在施工过程中出现塌方，从层状岩层分布、偏压和雨水侵蚀作用以及前期地质勘测欠准确等方面分析塌方原凶，结合T 程具体情况，比较分析超前小导管和长人管棚处理方案的优缺点，选择超前小导管预注浆辅以丁字钢处理塌方区，在处理段增设豁测断面，通过监测隧道的收敛位移和拱顶下沉量以及钢拱架的内力反映隧道同岩的稳定状况，量测结果表明，在一定时间内围岩达剑稳定，表明采用超前小导管预注浆方法处理隧道塌方区效果良好。关键词，隧道工程：复杂层状岩层；塌方；超前小导管注浆；信息化施T；监控量测中图分类号：T U 4 5 4文献标识码tAC a u s ea n a l y s i so fc o m p l e

3、xl a y e r e dr o c kt u n n e lc o l l a p s ea n di n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya f t e rc o n s o l i d a t i o nC H E NQ i u n a n l 2，Z H A OM i n g h u a l，Z H O UG u o h u a 2，H U A N GS h e n g p i n 9 2，Z H O UY i n g 1 i n 3(1 C o l l e g eo fC i v i lE n g

4、 i n e e r i n g。H u n a nU n i v e r s i t y,C h a n g s h a4 10 0 8 2，C h i n a；2 S c h o o lo fC i v i lE n g i n e e r i n g H u n a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c e T e c h n o l o g yX i a n g t a n4 1 1 2 0 1，C h i n a；3 H u n a n R o a d B r i d g e C o n s t r u c t i o n G r o u p C o

5、r p，C h a n g s h a4 1 0 0 1 2，C h i n a)A b s t r a c t：D u r i n gG u a n k o u y aT u n n e lc o n s t r u c t i o n。c o l l a p s eo ft h es e c t i o nY K 7 3+9 5 5 一Y K 7 3+9 2 5o fr i g h tt u n n e la r o s e D i s t r i b u t i o no fl a y e r e dr o c k u n s y m m e t r i c a lp r e s s u

6、 r e，c o n t i n u o u sr a i n s t o r ma n dc r a c k e ds u r r o u n d i n gr o c k，i n a c c u r a t er e s u l t so fg e o l o g i c a ls u r v e yw e r ed i s c u s s e df o rr e a s o no ft u n n e lc o l l a p s e A c c o r d i n gt oe n g i n e e r i n gg e o l o g ya n dc o n s t r u c t

7、i o nc o n d i t i o ni n s i t u，a h e a dd u c t i l eg r o u t i n gm e t h o da n dl o n ga n dl a r g et u b es h e dm e t h o dw e r ea n a l y z e d；a n da h e a dd u c t i l eg r o u t i n gm e t h o dw a sa p p l i e dt ot u n n e ls u r r o u n d i n gr o c kc o n s o l i d a t i o ns u c

8、c e s s f u l l y I no r d e rt ot e s tc o n s o l i d a t i o ne f f e c t，o b s e r v a t i o n a lm e t h o do fc o n s o l i d a t e dt u n n e lc o l l a p s ez o n ew a sc o n s t r u c t e d；c o n v e r g e n c ed i s p l a c e m e n t，v a u l tc r o w ns e t t l e m e n ta n di n n e rf o r

9、 c e so fs t e e lf r a m ew e r em e a s u r e d I ti ss h o w nf r o mm e a s u r e dr e s u l t s，a h e a dd u c t i l eg r o u t i n gm e t h o di st h eo p t i m i z a t i o nm e t h o df o rt e m p o r a r ys u p p o r tr e q u i r e m e n t sa g a i n s tp o t e n t i a lc o l l a p s e K e y

10、w o r d s：t u n n e l l i n ge n g i n e e r i n g；c o m p l e xl a y e r e dr o c k；c o l l a p s e；a h e a dd u c t i l eg r o u t i n gm e t h o d；i n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o n；m o n i t o r i n gm e a s u r e m e n t1引言关口垭隧道设计为两座独立的上下行隧道，是常德一一张家界高速公路控制性工程。隧道建筑限界按1 0 0k r n h 行车速度确

11、定，隧道净空宽度为1 1 1 0i n，净空高度为7 1 0m。左洞全长为8 8 0m，右洞全长为7 0 0m。隧道围岩主要为弱风化页岩，泥质结构，层状构造，主要由黏土矿物组成，节理裂隙较发育。右洞Y k 7 3+9 3 6 Y k 7 3+9 4 5 段原设计为I l I 级围岩，埋深浅(2 5 3 0m)，岩石节理裂隙、层理较发育，主要节理为0 2 2 0。7 0 8 5。：1 2 0。Z 7 0 8 5。，节理裂隙面受区域构造影响产生扭曲变形，且裂隙面闭合，仅受风化影响而开裂，隙问间距一般在2 3c m，连通性较好。开挖以后掌子面有少量渗水。2 0 0 4 年5 月2 9 日中午因连降暴

12、雨隧道右洞收稿日期：2 0 0 8 0 3 2 1基金项日：国家8 6 3 计划项日(N o 2 0 0 6 A A I I Z l 0 4)：湖南省自然科学基金项目(N o 0 8 J J 3 1 1 I)：湖南省高校科学研究项目(N o 0 8 8 0 2 5)：中国博士后基金项日(N o 2 0 0 6 0 3 9 0 8 7 2)：国家安伞生产监督管理总局坝g t(N o 0 6 3 9 7)：湖南省高等学校青年骨干教师培养计划资助。第一。作者简介：陈秋南。男1 9 6 8 年生，博士后，教授。主要从事岩上与隧道L 科教学与科研I：作。E-m a i l：c q n d o c 1 6

13、 3 c o m 万方数据第3 期陈秋南等：复杂层状岩层隧道塌方原因分析与加固后信息化施工技术Y k 7 3+9 3 6 Y k 7 3+9 4 5 段上台阶围岩失稳塌方，并随着时间的推移不断发展，向外(张家界端)延伸至Y k 7 3+9 5 5 位置，向内延伸(常德端)至Y k 7 3+9 2 5 位置，塌方高度在1 0m 以上。图l 是2 9 日晚1 1 点塌方现场，拱顶已塌至Y k 7 3+9 5 5，Y k 7 3+9 7 l拱顶开裂，并沿格栅环向贯穿。至3 0 日上午1 1 点4 0 分，Y k 7 3+9 7 l 拱项混凝土开始脱落，Y k 7 3+9 3 6 Y k 7 3+9

14、4 5 段地表塌陷成表面直径为约6m 的漏斗。图1 塌方现场F i g 1T u n n e lc o l l a p s ei n-s i t u2 隧道塌方原因分析2 1 层状岩层分布导致隧道围岩失稳在层状围岩中开挖隧道，洞室的失稳破坏主要表现为4 种力学模型【l _ 5】，即顶板弯折模型、底板鼓起模型、斜顶鼓起模型、边墙弯曲一溃屈模型。本隧道围岩主要是强、弱风化页岩，层状构造明显，页理和节理裂隙较发育，受隧道开挖的影响，岩层产生向隧道内的变形，在没有有效约束的情况下，层间节理首先破坏，同时受层间节理破坏的影响，岩层变形的增长导致岩层最终受剪破坏。2 2 偏压作用和雨水侵蚀作用Y k 7

15、3+9 3 6 Y k 7 3+9 4 5 段右洞右侧存在偏压作用，5 月下旬以来连降暴雨，地表没有及时采取排水措施，使得岩土层富含大量地下水，岩土体抗剪强度降低，造成隧道围岩很不稳定。2 3 前期地质勘察报告对围岩判定欠准确从设计提供的地质资料判断，该区段应达I I I 级围岩标准，但从开挖后的掌子面地质情况看，层状岩层层厚4-8c m，内有充填物，还伴有涌水现象，应为级围岩。由于施工人员过分相信设计地质勘察报告的“准确无误”，锚杆仍采用原设计的间距(1m lm)，并依然采用格栅拱架支护，但由于支护结构刚度不够，最终导致围岩失稳塌方。关口垭隧道支护结构内力量测结果表明：两侧结构受力存在非对称

16、性，围岩压力大，该隧道失稳塌方模型与斜顶鼓起模型类似(图2)。ffff图2 隧道斜项鼓起模型F i g 2M o d e lo ft u n n e ls u r r o u n d i n gr o c kf a i l u r e3 隧道塌方事故处治3 1 隧道塌方处治方案对地表进行调查，在漏斗型塌陷区周围修筑截水沟作为地表水主排水通道，并用雨布将塌陷区盖住以防后续雨水继续渗入岩土层。对隧道塌方区进行封闭注浆后提出超前小导管法和长大管棚法两种处治方案，两种方案的处治效果都是基于钢管的梁效应和注浆的加强效应。两种方案的对比分析见表1。表l 隧道塌方处治方案比较T a b l elT r e

17、a t m e n ts c h e m e sf o rc o l l a p s et u n n e l长大管棚工艺比较复杂，主要在隧道洞口使用，施工周期长，注浆效果难以保证，而超前小导管注浆法施工灵活，压浆效果好，综合分析塌方区的规模及现场揭露的地质情况，结合洞内施工条件及施工情况，决定采用超前小导管注浆法处治隧道塌方。3 2 超前小导管注浆法处置塌方区超前小导管采用妒4 2m m 热轧钢管，壁厚3 5t o n i，长度为6 0r n，纵向间距为1 0 I T I，环向间距为1 5c m，仰角为1 2 1 6。注浆用浆液水灰比为0 5 1 0，注浆压力1 0 2 0M P a，必要时

18、在孔口设置止浆塞。注浆前先对掌子面喷混凝土进行封闭，并辅以1 1 8工字钢架加强处置。万方数据6 5 2岩土力学2 0 0 9 正4 塌方区加固后监控量测4 1围岩位移量测及其变化规律为了正确判断坍方区处理后围岩的稳定性情况，按照要求增设了Y k 7 3+9 5 0 监控量测断面，分别量测隧道拱顶下沉量和收敛位移，见图3。遵照隧道规范要求量测拱顶下沉量和收敛位移，及时对量测数据进行分析处理与必要的计算，将信息反馈给施工，以便采取积极支护措施，保证隧道施工安全和围岩稳定。图4、5 分别是Y k 7 3+9 5 0 断面的收敛位移和拱顶下沉量与时间的关系曲线，通过量测结果可知，隧道的收敛位移相对值

19、最大值为0 3 8，拱顶下沉量相对值是中间测点最大，为0 4 0，而规范规定隧道在级围岩中埋深在5 0m 以下的允许相对位移值在0 1 0 O 5 0 之间【6-7J，满足规范要求。EE潍口祷擎左中I图3 监控量测点布置F i g 3D i s p o s a lo fm e a s u r e dp o i n t s时间月一日图4+9 5 0 断面收敛位移时间关系曲线F i g 4C u r v e so fc o n v e r g e n c ed i s p l a c e m e n ta n dt i m eEE蛞墨L督轼时日J，月-H图5+9 5 0 断面拱项下沉量时间关系曲线

20、F i g 5C u r v e so fs u b s i d e n c ed i s p l a c e m e n ta n dt i m ef o rv a u l t4 2 钢拱架内力量测及其变化规律为了能有效地控制层状岩层塌方区，除了超前小导管注浆加固外，对塌方区还设计1 1 8 工字钢对初期支护辅助加强处置，工字钢间距为0 5m。通过工字钢的受力情况反映围岩的稳定性，与拱项下沉量和收敛位移一起共同准确预报围岩的稳定性，及时采取处理措施，防止塌方事故的再次发生。工字钢内力采用长沙金码高科生产的J M Z X 4 1 6 钢筋计量测钢支撑上下翼缘的应力，分别在工字钢的拱顶和左右拱腰

21、内外测绑扎钢筋计。图6、7 分别是Y k 7 3+9 5 5 断面工字钢内外侧内力与时间的关系曲线。从曲线可以看出，工字钢外侧内力比内侧内力大，内力最大的位置出现在右拱腰，这与隧道右侧存在偏压作用有关。上台阶开挖后1 5d 左右工字钢应力增长较快，而且不太稳定，下台阶开挖后，应力继续增大。在2 0 0 4 年8 月2 0日，工字钢在右拱腰的应力接近2 0 0M P a 并有加速发展趋势，而且初期喷射的混凝土出现裂纹、脱落掉块，施工单位根据预报的信息及时采取紧急处理措施，防止了隧道塌方再次发生。山芝遥R邕时间月日图6+9 5 5 断面工字钢外侧内力时间关系曲线F i g 6C u r v e s

22、o fi n n e rf o r c eo fl-s h a p e ds t e e la ts e c t i o n+9 5 5V S t i m e星窆、划文甾时间，月日图7+9 5 5 断面工字钢内侧内力-时间关系曲线F i g 7C u r v e so fi n n e rf o r c eo f1-s h a p e ds t e e la ts e c t i o n+9 5 5V S t i m e卯m加m耶弱如巧加协m，O七加m加如m牾蚰弱弱加bm，0 巧 万方数据第3 期陈秋南等：复杂层状岩层隧道塌方原因分析与加固后信息化施工技术6 5 35结论(1)结合工程具体情况

23、，提出斜顶鼓起模型是复杂层状岩层隧道破坏模式，山体偏压作用、雨水侵蚀作用和前期勘察对围岩级别判断欠准确是复杂层状岩层隧道塌方的原因。(2)经过方案比较后，提出采用小导管注浆措施加固复杂层状岩层隧道塌方区是切实可行的方法。(3)对复杂层状岩层隧道塌方区处置后，对隧道拱顶下沉量、周边收敛位移进行量测，同时还实施了工字钢支护结构内力量测，及时联合进行信息反馈，准确预报了隧道围岩的稳定性。参考文献【l】1关宝树隧道工程施工要点集【M】北京：人民交通出版社，2 0 0 3【2】周应麟。邱喜华层状岩层围岩隧道稳定性的探讨 J】地下空间与工程学报，2 0 0 6。(2)：3 4 5-3 4 8 Z H O

24、UY i n g l i n，Q I Ux i h u a S t u d yo ns t a b i l i t yo fs t r a t i f i e dr o c kt u n n e l J C h i n e s eJ o u r n a lo fU n d e r 上接第6 4 9 页【7】【8】【9】【l o】【1 2】V O NQ U I N T U SHL K I L L I N G S w 0 R T HB A n a l y s e sr e l a t i n gt op a v e m e n tm a t e r i a lc h a r a c t e r i

25、 z a t i o n sa n dt h e i re f f e c t so np a v e m e n tI X 玎f o r m a n c e M U S：F H W A 1 9 9 8 删FN，N A I Rl(，M O N I S M I T HC M i n i m i z i n gp r e m a t u r ec r a c k i n go fa s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n t s N C H R PR e p o r t1 9 5 R W a s h i n g t o nD C：N C H R P N a

26、t i o n a lR e s e a r c hC o u n c i l 1 9 7 3 V O NQ U I N T U SHL，S C H E R O C M A NJA，H U G H E SCS e ta 1 A s p h a l t a g g r e g a t em i x t u r ea n a l y s i ss y s t e m：A A M A S N C H R PR e p o r tN o 3 3 8 R 1 W a s h i n g t o nD C：N C H R P N a t i o n a lR e s e a r c hC o u n c

27、i l，1 9 9 1 R A U H U TJB。L Y T T O NRL。D A R T E RMI P a v e m e n td a m a g ef u n c t i o n sa n dl o a de q u i v a l e n c ef a c t o r s R e p o r tN o F H W A 爪D 一8 4 0 1 8【R】U S：F H w A，1 9 8 4 N G H：A MRI D e v e l o p m e n to fm ea s p h a l ti n s t i t u t e Sd e f l e c t i o nm e t h

28、 o df o rd e s i g n i n ga s p h a l tc o n c r e t eo v e r l a y sf o ra s p h a l tp a v e m e n t s R e p o r t6 9 3【R】【S 1】：A s p h a l tI n s t i t u t eR e s e a r c h 19 6 9 N U N NM D e s i g no fp e r p e t u a lr o a d sf o rh e a v yt r a f f i c R P r e s e n t e da t 山eA u s t r a l i

29、 a nA s p h a l tP a v e m e n tA s s o c i a t i o nI n d u s t r yC o n f e r e n c e C r o w t h o m e，U K：T r a n s p o r tR e s e a r c hL a b o r a t o r y 19 9 8 g r o u n dS p a c ea n dE n g i n e e r i n g，2 0 0 6，(2)：3 4 5-3 4 8【3】3李晓红隧道新奥法及其监控量测技术【M】北京：中国科学出版社2 0 0 2【4】陈秋南，张永兴连拱隧道设计施工理论及

30、其修建关键技术的探i f f J 现代隧道技术，2 0 0,1，(增刊)：1 7 3 1 7 7 C H E NQ i u n a n，Z H A N GY o n g x i n g D e s i g nt h e o r ya n dk e yt e c h n o l o g yi nc o n s t r u c t i o nf o rd o u b l e a r c hh i g h w a yt u n n e l J M o d e r nT u n n e l i n gT e c h n o l o g y，2 0 0 4，(S u p p)：1 7 3 1 7 7【5

31、】陈秋南非对称连拱隧道动态旌工力学模拟研究f 博士学位论文D 1 重庆：重庆大学，2 0 0 5【6】6重庆交通科研设计院J T GD 7 0-2 0 0 4 公路隧道设计规范【S】北京：人民交通出版社，2 0 0 4【7】李志勇，晏莉，阳军生浅埋偏压连拱隧道中导洞坍方数值分析与处治【J】岩土力学，2 0 0 7，2 8(1)：1 0 2 1 0 6 L IZ h i y o n g，Y A NL i，Y A N GJ u n s h e n g N u m e r i c a la n a l y s i sa n dt r e a t m e n to fac o l l a p s e

32、dm i d d l ed r i f tf o rs h a l l o wm u l t i a r c ht u n n e lu n d e ru n s y m m e t r i c a lp r e s s u r e J R o c ka n dS o i lM e c h a n i c s，2 0 0 7，2 8(1)：1 0 2一1 0 6【l3】L Y T r o NRL D e v e l o p m e n ta n dv a l i d a t i o no fp e r f o r m a n c ep r e d i c t i o nm o d e l sa

33、 n ds p e c i f i c a t i o n sf o ra s p h a l tb i n d e r sa n dp a v i n gm i x e s R e p o r tN o S H R P-A 一3 5 7 R W a s h i n g t o nD C：S H R P，N a t i o n a lR e s e a r c hC o u n c i l，19 9 3【1 4】V O NQ U I N T U SH，K 儿L 啉G S W O R T HB D e s i g np a m p h l e tf o rt h ed e t e r m i n

34、 a t i o no fl a y e r e de l a s t i cm o d u l if o rf l e x i b l ep a v e m e n td e s i g ni ns u p p o r to ft h e1 9 9 3A A S H T Og u i d ef o r t h ed e s i g no fp a v e m e n ts t r u c t u r e s M U S：F H W A 1 9 9 7【1 5】V O NQ U I N T U SH，L L I N G S w 0 R T HB D e s i g np a m p h l e

35、 tf o rt h ed e t e r m i n a t i o no fd e s i g ns u b g f a d ei ns u p p o r to ft h e1 9 9 3A A S H T Og u i d ef o rt h ed e s i g no fp a v e m e n ts t r u c t u r e s M U S：F H W A 1 9 9 7【1 6】陈泽松，李海华广梧高速公路试验路段的路面结构组合设计们公路，2 0 0 5，(8)：2 4 3-2 4 6 C H E NZ e-s o n g，L IH a i h u a Ad e s i g

36、 nC a S eO np e r p e t u a lb i t u m i n o u sp a v e m e n tS t l a l C t u r ei nG u a n g W uE x p r e s s w a y l J H i g h w a y，2 0 0 5，(8)：2 4 3-2 4 6【1 7】V O NQ U I N T U SHL H o t m i xa s p h a l tl a y e rt h i c k n e s sd e s i g nf o rl o n g e r-l i f eb i t u m i n o u sp a v e m e

37、 n t s M 【S 1 1：A s p h a l tP a v e m e n tA l l i a n c e，2 0 0I 万方数据复杂层状岩层隧道塌方原因分析与加固后信息化施工技术复杂层状岩层隧道塌方原因分析与加固后信息化施工技术作者：陈秋南，赵明华，周国华，黄胜平，周应麟，CHEN Qiu-nan，ZHAO Ming-hua，ZHOU Guo-hua，HUANG Sheng-ping，ZHOU Ying-lin作者单位：陈秋南,CHEN Qiu-nan(湖南大学,土木工程学院,长沙,410082;湖南科技大学,土木工程学院,湘潭,411201)，赵明华,ZHAO Ming-hua

38、(湖南大学,土木工程学院,长沙,410082)，周国华,黄胜平,ZHOU Guo-hua,HUANG Sheng-ping(湖南科技大学,土木工程学院,湘潭,411201)，周应麟,ZHOU Ying-lin(湖南路桥建设集团公司,长沙,410012)刊名：岩土力学英文刊名：ROCK AND SOIL MECHANICS年，卷(期)：2009,30(3)被引用次数：9次 参考文献(7条)参考文献(7条)1.关宝树 隧道工程施工要点集 20032.周应麟.邱喜华 层状岩层围岩隧道稳定性的探讨期刊论文-地下空间与工程学报 2006(02)3.李晓红 隧道新奥法及其监控量测技术 20024.陈秋南.

39、张永兴 连拱隧道设计施工理论及其修建关键技术的探讨 2004(zk)5.陈秋南 非对称连拱隧道动态施工力学模拟研究学位论文 20056.重庆交通科研设计院 JTG D70-2004.公路隧道设计规范 20047.李志勇.晏莉.阳军生 浅埋偏压连拱隧道中导洞坍方数值分析与处治期刊论文-岩土力学 2007(01)本文读者也读过(10条)本文读者也读过(10条)1.陈秋南.张永兴.刘新荣.王石光.周应麟.邱喜华.CHEN Qiu-nan.ZHANG Yong-xing.LIU Xin-rong.WANG Shi-guang.ZHOU Ying-lin.QIU Xi-hua 隧道塌方区加固后的施工监测

40、与仿真分析期刊论文-岩石力学与工程学报2006,25(1)2.马涛.MA Tao 浅埋隧道塌方处治方法研究期刊论文-岩石力学与工程学报2006,25(z2)3.吴强.刘新荣.杜小平.舒志乐.段永胜.WU Qiang.LIU Xin-rong.DU Xiao-ping.SHU Zhi-le.DUAN Yong-sheng 马垭口隧道塌方事故发生机理的研究期刊论文-地下空间与工程学报2009,5(6)4.刘巨海.王建章.牛国松 阳坡隧道塌方原因分析及处理方案探讨期刊论文-中外公路2007,27(5)5.闫东.Yan Dong 隧道塌方分析及其整治期刊论文-铁道建筑2007(1)6.王全胜.张家林.

41、孙国庆.WANG Quan-sheng.ZHANG Jia-lin.SUN Guo-qing 铁峰山隧道塌方处理技术期刊论文-施工技术2006,35(8)7.车广才.CHE Guang-cai 铁路隧道塌方注浆加固技术研究期刊论文-矿山压力与顶板管理2005,22(3)8.张志勇.傅钱俊.方文俊.兰朝荣 桃树垭隧道塌方原因分析及处治方案期刊论文-中外公路2010,30(3)9.王恩.李辉玲 公路隧道塌方的预防和处理期刊论文-科学与财富2010(4)10.张志勇.张国强.连佳机.张晓东 层状软岩隧道塌方原因分析及对策期刊论文-公路2010(2)引证文献(9条)引证文献(9条)1.赵弋舟.高徐军.

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