深埋軟巖隧洞讓位支護(hù)原理及應(yīng)用技術(shù)框架

張建平 黃 威 王環(huán)玲 王如賓 馬建偉 徐衛(wèi)亞

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210098;2.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所,南京 210098;3.中國電建集團(tuán) 昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司, 昆明 650051)

隧洞穿越軟巖地層時,存在軟巖大變形、斷層洞段涌水突泥等重大工程問題,特別是埋深較大、富水條件隧洞段的軟巖大變形問題,對工程施工、支護(hù)方案及長期運(yùn)行造成不利影響,是巖石力學(xué)界具有挑戰(zhàn)性的重大問題,同時也是重大水利工程安全領(lǐng)域亟待解決的核心關(guān)鍵技術(shù)問題.

針對深埋隧洞軟巖大變形問題,現(xiàn)在通常認(rèn)為采用強(qiáng)支撐的方式是不經(jīng)濟(jì)、不科學(xué)的,在一些情況下甚至是不安全的,會出現(xiàn)支護(hù)開裂、破壞問題,Anagnostou等[1]強(qiáng)調(diào)通過襯砌來阻止圍巖變形(即“硬頂”)將會誘發(fā)圍巖的“真實(shí)壓力”(即形變壓力),其量值將超出結(jié)構(gòu)安全范圍,Kimura等[2]介紹了在隧洞中失效的系統(tǒng)錨桿,表明剛性支撐常無法抵抗過大的形變壓力而失效,導(dǎo)致后期復(fù)雜的修復(fù)工作.

隨著新奧法的提出,專家學(xué)者們逐步認(rèn)同了讓壓支護(hù)的理念,即允許圍巖發(fā)生一定的變形來降低圍巖壓力,發(fā)揮圍巖自承能力而減少作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力.基于讓壓原理的支護(hù)結(jié)構(gòu)最早由Jager[3]提出,稱之為“錐體錨桿”,在南非的礦山中得以運(yùn)用.國內(nèi)讓壓錨桿最早見于采礦行業(yè),相關(guān)理論研究和工程實(shí)踐也取得了不錯的成果.連傳杰等[4]提出了一種讓壓吸能錨桿,驗(yàn)證其在工程地質(zhì)環(huán)境惡劣、高地應(yīng)力擠壓大變形或有巖爆傾向的隧洞有較好效果.何滿潮等[5]基于負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)研發(fā)了具有NPR 結(jié)構(gòu)的新型恒阻大變形錨桿,在抗沖擊、抗剪切及吸收能量等方面具有優(yōu)異的性能.

Asef等[6]認(rèn)為成功地在支護(hù)結(jié)構(gòu)中使用讓壓來避免過高的應(yīng)力,需要較好的理解其力學(xué)機(jī)制和設(shè)計(jì)原理,因?yàn)槿绻麘?yīng)用不當(dāng),這種方法可能會帶來更大的危害.對于滇中深埋軟巖大變形問題,隧洞開挖完后,圍巖將產(chǎn)生較大的持續(xù)性變形,如使用以防止沖擊地壓和解決不均壓問題的讓壓錨桿支護(hù),將有一定的局限性,甚至無效.

本文提出深埋軟巖隧洞讓位支護(hù)理論與技術(shù)方法,其與讓壓支護(hù)理論基礎(chǔ)和原理不同,不是以抵抗沖擊地壓為目標(biāo),而是讓變形位移為核心,軟巖隧洞施工中“持續(xù)變形、邊支邊讓”為核心思想,在保證水工隧洞安全穩(wěn)定的條件下釋放巖體的主體變形能,保障軟巖隧洞支護(hù)、襯砌的安全穩(wěn)定,該理論方法可在變形力學(xué)機(jī)理上解決軟巖大變形和高外水壓力強(qiáng)作用的關(guān)鍵核心技術(shù)難題.

1 深埋隧洞軟巖大變形

要科學(xué)、合理的解決軟巖大變形問題,就要對軟巖的變形特征、變形機(jī)理有清晰的認(rèn)識,目前對于軟巖的定義描述主要分為3種類型,描述性定義、指標(biāo)化定義和工程定義,各有其應(yīng)用場景[7].最早在1981年“國際軟巖學(xué)術(shù)談?wù)摃币?guī)定“軟弱、破碎和風(fēng)化巖石”為軟巖.國際巖石力學(xué)學(xué)會(ISRM)定義單軸抗壓強(qiáng)度在0.5～25 MPa為軟巖,我國在1984煤礦礦山壓力名詞討論會上將軟巖定義為“強(qiáng)度低、空隙度大、膠結(jié)程度差、受構(gòu)造面切割及風(fēng)化影響顯著或含有大量膨脹性黏土礦物的松散軟弱巖層”[8],而后孫鈞將軟巖定義為“在高地應(yīng)力、地下水和強(qiáng)風(fēng)化作用下,具有顯著滲流、膨脹或崩解特性的軟弱、破碎、風(fēng)化和節(jié)理化圍巖,簡稱為不穩(wěn)定圍巖巖體”[9].

最早Terzaghi將軟巖變形分為擠壓變形和膨脹變形,而后國際巖石力學(xué)學(xué)會將擠壓變形定義為:擠壓現(xiàn)象為一種在隧道開挖過程中與時間有關(guān)的大變形,與巖石材料的黏彈塑性行為及流變時效特性有相當(dāng)程度的關(guān)聯(lián)性,尤其當(dāng)所承受的剪應(yīng)力超過某極限值時,屬于物理過程[10],Barla[11]將擠壓變形定義為一種與巖石時效特性有關(guān)的大變形,隧道開挖期間發(fā)生擠壓變形的必要條件是,當(dāng)剪應(yīng)力超過一定極限值時巖體發(fā)生流變而引起擠壓變形.王建宇等[12]將高地應(yīng)力軟巖大變形分為松散型大變形和擠壓型大變形.胡元芳等[13]按變形機(jī)理將軟巖大變形分為圍巖松動引起的大變形、膨脹性軟巖引起的變形、高地應(yīng)力引起的擠壓大變形三類.姜云[14]提出圍巖的擠出作用是一種物理破壞,而膨脹是與水參與的化學(xué)過程,兩種作用通常是同時發(fā)生,并且擠出作用在軟巖大變形中占有更為重要的位置,是大變形的主要變形機(jī)制.

表1統(tǒng)計(jì)了國內(nèi)外軟巖大變形工程實(shí)例,以滇中引水工程為例,線路大量穿越“滇中紅層”分布區(qū),經(jīng)統(tǒng)計(jì)隧洞全線穿越的軟巖長度占總長度的34%左右,約208 km.當(dāng)隧洞埋深大、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜及賦存地質(zhì)物理高外水壓力作用時,施工過程中將面臨嚴(yán)重的軟巖大變形問題[15],若處置不當(dāng),將造成襯砌開裂、變形侵限、鋼拱架擠壓變形等問題,如圖1～2所示.

表1 國內(nèi)外軟巖大變形工程實(shí)例統(tǒng)計(jì)

圖1 軟巖大變形引起鋼拱架彎曲混凝土脫落

圖2 滇中紅層大變形引起拱頂鋼拱架扭曲

滇中紅層軟巖巖性主要有泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖等,外觀以紅色為主,屬于碎屑巖沉積地層,成巖年代新,成巖膠結(jié)度差,最主要的是富含大量的親水性礦物(蒙脫石、伊利石等).工程上表現(xiàn)為物理力學(xué)特性差、親水性強(qiáng)、透水性弱,變形模量較小、軟化系數(shù)較小及流變效應(yīng)顯著等.紅層軟巖因受水影響顯著,失水易收縮或者崩解,遇水易膨脹或者軟化.當(dāng)遇到埋深高、賦存地質(zhì)物理環(huán)境高外水壓力作用及復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造,易發(fā)生以擠壓變形為主,膨脹變形為輔,潛在松散變形的軟巖大變形.

滇中引水工程大理Ⅱ段香爐山隧洞地質(zhì)條件極其復(fù)雜,地下水發(fā)育豐富、巖體破碎且存在大量溶洞和斷層破碎帶,同時面臨高埋深(最大埋深1 450 m)、高外水壓力(1～3 MPa)等重大問題,其軟巖厚度超過12 m,軟巖變形范圍大,5號支洞曾因約3 MPa的外水壓力使80 cm 的混凝土底板上拱近30 cm,軟巖大變形中高外水壓力的影響是不容忽視的.

滇中引水工程楚雄段及昆明段隧洞開挖經(jīng)歷多次軟巖大變形,大變形主要發(fā)生在富水地層環(huán)境第三系極軟巖、圍巖條件差的泥質(zhì)巖洞段,如采取全斷面開挖并支護(hù)不及時,將造成圍巖向洞內(nèi)巨大變形.

CX17+280～CX17+325洞段上臺階左側(cè)壁大變形,在樁號CX17+303處最大變形量2.1 m,其他部位變形20～38 cm,圍巖為粉砂質(zhì)泥巖,按Ⅳ類(軟)開挖支護(hù)后發(fā)生大變形.

CX18+639.128～CX18+648.128洞段上臺階拱頂范圍整體沉降50.2cm,初期支護(hù)頂拱整體下沉,最大下沉量91 cm,圍巖為第三系極軟巖,弱膠結(jié),強(qiáng)度低,具有中等壓縮性,變形模量較小,掌子面大部分潮濕,局部見滲滴水,滲滴水處圍巖軟化呈泥狀.

CX18+920.628～CX18+931.628洞段上臺階左側(cè)拱頂下沉,最大累計(jì)沉降值為30 cm,圍巖為第三系灰綠色、深灰色黏土巖夾粉砂巖,洞壁干燥～潮濕,局部見小股狀流水.

CX19+020.628～CX19+054.128洞段施工至CX19+076.128樁號時發(fā)現(xiàn)該段拱頂范圍整體沉降,最大累計(jì)沉降值為50.2 cm,最大侵限斷面30.2 cm,圍巖為第三系灰綠色黏土巖、灰黃色粉細(xì)砂巖,洞壁潮濕.

1號施工支洞進(jìn)主洞的交叉洞段,收斂變形量最大58.6 cm,圍巖為鈣質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖,屬較軟巖.

大變形洞段后期通過采取超前支護(hù)、加強(qiáng)一次支護(hù)措施、加快初期支護(hù)封閉成環(huán)、布置灌漿圈和加強(qiáng)排水等措施,對圍巖變形控制取得了較好的效果.

通過分析歸納國內(nèi)外軟巖大變形隧洞圍巖變形特征主要為:

1)圍巖初期變形快.隧洞開挖后如不采取支護(hù),圍巖從變形到松散破壞只需幾分鐘到幾小時,因此采取超前支護(hù)或立即支護(hù)是必要的[16-17].

2)軟巖變形位移大.在嚴(yán)重?cái)D壓隧洞中最終的變形量可能到達(dá)500 mm,如果支護(hù)不當(dāng)或不及時,圍巖變形甚至能達(dá)到1 m[18].

3)圍巖收斂持續(xù)時間長.軟巖由于其流變性,使得有些隧洞在運(yùn)營期還未完成收斂,一般可持續(xù)1個月,最惡劣情況可能持續(xù)半年[19].

4)強(qiáng)剛度支護(hù)破壞.常規(guī)剛性支護(hù)允許的變形量很小,無法滿足圍巖的持續(xù)大變形,使其達(dá)到強(qiáng)度極限而破壞.

軟巖隧洞產(chǎn)生大變形的共性主要在于:圍巖埋深大且軟弱、地應(yīng)力較高、易發(fā)生大變形且持續(xù)時間較長,受水影響顯著.解決大變形問題,支護(hù)手段不宜采用剛性支護(hù)且應(yīng)重視高外水壓力的影響.在工程上應(yīng)該對軟巖大變形中擠壓變形、膨脹變形及松動變形進(jìn)行針對性治理,才能有效解決深埋軟巖大變形問題.

2 讓位支護(hù)原理

2.1 讓壓支護(hù)

讓壓支護(hù)是基于新奧法理念,隨著工程經(jīng)驗(yàn)積累而提出的一種隧洞支護(hù)技術(shù),其中讓壓錨桿是應(yīng)用最早且最廣泛的支護(hù)手段,它首先應(yīng)用于巷道支護(hù),對于深部地應(yīng)力高的硬巖巷道,其面臨著沖擊地壓問題.沖擊地壓是指井巷或工作面周圍巖體,由于彈性變形能的瞬時釋放而產(chǎn)生突然劇烈破壞的動力現(xiàn)象,常伴有煤巖體拋出、巨響及氣浪等現(xiàn)象[20].

讓壓錨桿的技術(shù)原理是將錨桿錨固在穩(wěn)定巖體上(及受開挖影響較小的區(qū)域內(nèi)),當(dāng)沖擊地壓突發(fā),錨桿錨固力不變的同時,讓壓管發(fā)生擠壓變形將圍巖中過高的應(yīng)力和能量釋放,防止錨桿桿體過早進(jìn)入屈服狀態(tài)甚至被拉斷[21].

對于不均壓問題,由于復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造和開采擾動的影響,沿巷道周邊圍巖變形大小不一,不同位置錨桿變形和載荷不同,為了充分發(fā)揮每根錨桿的作用,讓壓構(gòu)件可以讓掉某根錨桿過大的壓力,使支護(hù)體達(dá)到共同支護(hù)圍巖的作用,支護(hù)體間壓力傳遞的過程稱為均壓.

對于深埋軟巖隧洞,圍巖變形量大且流變效應(yīng)顯著,圍巖變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大讓壓距離,圍巖大變形使讓壓錨桿系統(tǒng)的應(yīng)變能持續(xù)增加最終進(jìn)入屈服狀態(tài),甚至破斷.除此之外,現(xiàn)有讓壓錨桿通常采用端錨方式,當(dāng)軟巖變形范圍較大時,一般讓壓錨桿無法錨固在塑性區(qū)外即受擾動小的區(qū)域,使錨桿穩(wěn)定性較差,對圍巖錨固作用甚微.

讓壓錨桿主要針對的是沖擊地壓和不均壓問題,對處理深埋軟巖大變形問題有局限性,甚至無效.

2.2 讓位支護(hù)

讓位支護(hù)是以讓變形位移為核心,而不是讓壓支護(hù)中以抵抗沖擊地壓為核心,其關(guān)鍵點(diǎn)在于深埋軟巖大變形的變形機(jī)理為軟弱圍巖在受到高外水壓力作用下發(fā)生大范圍、持續(xù)性大變形,讓位支護(hù)的原理是通過支護(hù)系統(tǒng)與圍巖緊密接觸受力的情況下,允許軟巖發(fā)生一定量的大變形讓位后,充分發(fā)揮支護(hù)、加固作用.

從錨桿結(jié)構(gòu)角度分析讓壓與讓位的不同,在軟巖隧洞支護(hù)中,軟巖變形是大范圍巖體整體變形,為了保證錨桿支護(hù)穩(wěn)定性,一般采用全長黏結(jié)錨固,而非端錨型式,而對于讓壓錨桿在錨桿尾部增加一個獨(dú)立讓壓構(gòu)件的普遍結(jié)構(gòu)型式,當(dāng)采用全長注漿加固時,錨固力通過桿體與砂漿間的摩擦力提供,當(dāng)壓力增大到一定值時,桿體與砂漿脫離或錨桿桿體屈服甚至斷裂,此時讓壓構(gòu)件還未發(fā)揮作用,故從施工角度來說,讓壓錨桿與普通系統(tǒng)錨桿沒有區(qū)別.對于讓位錨桿,則需要設(shè)計(jì)諸如一種桿體前端帶自攻螺紋的讓位錨桿,螺紋長度可根據(jù)圍巖強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì),軟巖支護(hù)時將自攻螺紋攻入巖體中,與圍巖緊密接觸,并預(yù)留一定長度自由段,通過桿體中空排出中周圍的水,隨著圍巖變形,讓位構(gòu)件擠壓變形,在此過程錨固力不變的同時釋放圍巖壓力,提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性.

從支護(hù)與圍巖變形協(xié)調(diào)的角度分析讓位支護(hù)機(jī)理如圖3所示.

圖3 軟巖讓位作用機(jī)理圖

圖3中,曲線1為圍巖特性曲線,曲線2、3為支護(hù)特性曲線,從圖3可以看出,2種支護(hù)的施作時機(jī)均相同(考慮及時支護(hù)),即U1相同.曲線2和3的支護(hù)剛度相同,即材料性能相同,對應(yīng)圖上DC重疊段,曲線3相對于2多了一個讓位過程,即U3的位移量,到達(dá)C點(diǎn)后,剛性支護(hù)受力繼續(xù)增加,直到與圍巖特征曲線相交于A點(diǎn),不斷增加的支護(hù)力使得支護(hù)結(jié)構(gòu)可能進(jìn)入塑性階段,整體結(jié)構(gòu)處于不安全狀態(tài).而讓位支護(hù)在保持受力不變的同時,支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖共同變形,釋放圍巖中的形變壓力,優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力,與圍巖特征曲線相交于B點(diǎn),支護(hù)力與C點(diǎn)相同,支護(hù)結(jié)構(gòu)處于彈性階段,整個體系具有較好的安全性.

上述分析軟巖隧洞支護(hù)理論的兩種途徑,一是如曲線2所示,即及時強(qiáng)支護(hù),提高支護(hù)阻力以減小軟巖隧洞的圍巖變形;二是如曲線3所示,在材料性能一定的情況下,支護(hù)在對圍巖提供抗力以阻止圍巖變形的同時,適當(dāng)釋放圍巖位移,以減少支護(hù)結(jié)構(gòu)所受的圍巖壓力,使圍巖-支護(hù)體系處于安全狀態(tài).比較兩種支護(hù)方式可以看出,由于第二種支護(hù)具有讓位功能,保持圍巖穩(wěn)定所需的支護(hù)阻力和剛度較第一種支護(hù)明顯減弱,因而比較經(jīng)濟(jì)合理.

為了進(jìn)一步理解讓位錨桿的作用,討論其與圍巖共同承載的變形協(xié)調(diào)關(guān)系,即錨桿錨固力與圍巖變形的關(guān)系,從功能轉(zhuǎn)化關(guān)系的角度討論,在達(dá)到讓位點(diǎn)荷載之前,錨桿隨著圍巖持續(xù)變形發(fā)揮著錨固作用,圍巖的變形能主要轉(zhuǎn)化為錨桿的彈性應(yīng)變能;當(dāng)讓位裝置發(fā)揮作用后,錨桿軸向錨固力不增加,在此階段,圍巖變形能轉(zhuǎn)化為讓位裝置的讓位變形能,錨桿桿體不再增加應(yīng)變能.當(dāng)讓位錨桿最大讓位距離dmax≥圍巖變形量△U,隨著圍巖變形,不斷降低的圍壓壓力與錨桿錨固力達(dá)到平衡,即圍巖為達(dá)到平衡所需要變形能與錨桿系統(tǒng)的應(yīng)變能平衡.

3 讓位支護(hù)體系設(shè)計(jì)

考慮到軟巖變形量大的問題,在讓位支護(hù)技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了讓位支護(hù)體系,針對滇中引水工程軟巖大變形問題,提出由讓位錨桿、讓位錨索、約束混凝土、可縮動鋼架組成的讓位支護(hù)體系.讓位支護(hù)體系核心技術(shù)在于提供長期的變形能力及支護(hù)作用,可大量釋放圍巖主體變形能降低支護(hù)體系受力并保障圍巖穩(wěn)定,提升支護(hù)體系整體的長期穩(wěn)定性及承載能力,在允許圍巖產(chǎn)生較大變形的基礎(chǔ)上保障支護(hù)體系在隧洞施工期及長期運(yùn)行的安全穩(wěn)定.

根據(jù)讓位支護(hù)基本原理,繪制了讓位支護(hù)體系圖,如圖4所示.

圖4 讓位支護(hù)體系示意圖

圖4中的讓位支護(hù)體系由以下幾部分組成:

1)讓位錨桿

在錨桿尾端安裝一種特定的讓位構(gòu)件,當(dāng)圍巖發(fā)生變形,錨桿承受的拉力超過其設(shè)計(jì)的讓位力時,設(shè)計(jì)的讓位構(gòu)件將使錨桿支護(hù)體與巖體產(chǎn)生相適應(yīng)的變形,此時,拉力值維持固定不變,直到為錨桿設(shè)定的讓位量耗盡,此舉是釋放圍巖中過大的變形能,減少作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的力,實(shí)現(xiàn)讓位功能.可設(shè)計(jì)錨桿桿體中空,結(jié)合固結(jié)灌漿排出圍巖中的水,減少高外水壓力作用的影響.

2)讓位錨索

將多股鋼筋束分別錨于錨錠內(nèi),利用新型注漿材料將錨頭錨固于受擾動較小的圍巖內(nèi),張拉施加預(yù)應(yīng)力后在尾端安裝讓位構(gòu)件,當(dāng)讓位錨索拉力到達(dá)預(yù)定荷載時,讓位構(gòu)件擠壓使錨索支護(hù)體變形與圍巖體變形相適應(yīng),實(shí)現(xiàn)讓位效果,相較于讓位錨桿可以提高恒阻力,增加入巖深度,適用于地質(zhì)情況復(fù)雜的Ⅳ-Ⅴ類圍巖.

3)約束混凝土

在鋼管等外部約束材料中充填混凝土的組合高強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式,約束混凝土在外部結(jié)構(gòu)的約束作用下處于三向受壓狀態(tài),強(qiáng)度得到有效提高,在混凝土的支撐作用下,約束材料避免了局部屈曲失穩(wěn),二者通過相互作用表現(xiàn)出力學(xué)性能上的共生.

4)可縮動鋼拱架

具有讓位功能的鋼拱架主要分為3類:第1類為緩沖層技術(shù),在襯砌和圍巖之間填充可壓縮材料讓圍巖產(chǎn)生部分的收斂變形;第2類為滑動摩擦型,在鋼拱架的分段接頭處設(shè)置滑動裝置,通過滑動裝置滑移來與圍巖共同變形的效果,支護(hù)阻力由滑動摩擦力來提供;第3類是在鋼拱架分段處設(shè)置可壓縮構(gòu)件,通過柔性結(jié)構(gòu)受壓實(shí)現(xiàn)讓壓功能.可縮動鋼拱架利用分段處的可壓縮構(gòu)件實(shí)現(xiàn)讓位,其基本原理是靠鋼架接頭之間卡纜預(yù)緊力產(chǎn)生摩阻力來實(shí)現(xiàn)鋼架的恒阻滑移.

讓位支護(hù)體系組合包括:①讓位錨桿+可縮動鋼拱架;②讓位錨桿+約束混凝土+可縮動鋼拱架;③讓位錨桿+讓位錨索+約束混凝土+可縮動鋼拱架.其中組合體系①適用于輕微擠壓變形洞段,如遇賦存地質(zhì)物理環(huán)境高外水壓力作用、地質(zhì)條件復(fù)雜且圍巖條件差的洞段,應(yīng)考慮方案②或③結(jié)合固結(jié)灌漿和讓位錨桿中空排水來進(jìn)行支護(hù)方案設(shè)計(jì).

4 軟巖隧洞讓位支護(hù)技術(shù)框架

4.1 讓位支護(hù)應(yīng)用技術(shù)框架

深埋軟巖隧洞讓位支護(hù)的工程應(yīng)用首先要針對工程進(jìn)行背景調(diào)查及地質(zhì)資料收集,依據(jù)工程設(shè)計(jì)方案及圍巖大變形的判定進(jìn)行錨桿(錨索)結(jié)構(gòu)型式的選擇,基于已建立的讓位支護(hù)準(zhǔn)則和對軟巖大變形的預(yù)測,確定讓位支護(hù)體系中的讓位起始荷載、讓位量、讓位時間、錨固深度等具體參數(shù),再進(jìn)行注漿材料、施工工藝、讓位支護(hù)布置方案和施工方法的確定.建立監(jiān)測預(yù)警體系,對支護(hù)體系受力、圍巖位移、外水壓力大小等進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測與收集,結(jié)合數(shù)據(jù)進(jìn)行長期穩(wěn)定性分析,并以此反饋優(yōu)化大變形預(yù)測方法、讓位支護(hù)準(zhǔn)則、注漿材料、施工工藝和讓位體系布置.通過循環(huán)反饋流程,優(yōu)化深埋軟巖隧洞讓位支護(hù)設(shè)計(jì)理論及方法.建立深埋軟巖隧洞讓位支護(hù)應(yīng)用技術(shù)框架如圖5所示.

圖5 讓位支護(hù)應(yīng)用技術(shù)框架圖

4.2 核心技術(shù)展望

針對富水環(huán)境軟巖大變形問題,讓位支護(hù)技術(shù)主要核心部分是錨桿(錨索)結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)、灌漿材料和灌漿工藝、讓位支護(hù)體系布置及施工方法、大變形判定與預(yù)測等.在工程試驗(yàn)和技術(shù)推廣方面可強(qiáng)化以下方面的創(chuàng)新:

1)錨桿(索)的結(jié)構(gòu)型式創(chuàng)新

結(jié)構(gòu)型式的創(chuàng)新應(yīng)該基于讓位支護(hù)原理,強(qiáng)調(diào)錨桿與圍巖的錨固效果和讓位變形效果,結(jié)構(gòu)型式的創(chuàng)新應(yīng)該注重錨桿桿體與軟巖之間的錨固效果以及排水作用.可設(shè)計(jì)自攻式螺紋加中空桿體的讓位錨桿和錨索可以提高錨固力,排出桿體周圍的水,實(shí)現(xiàn)圍巖讓位效果.

2)灌漿材料和灌漿工藝創(chuàng)新

灌漿材料及灌漿工藝能直接影響灌漿圈的防滲效果,并且能提高讓位錨桿與圍巖之間的錨固力,是讓位支護(hù)中重要的技術(shù)部分.材料主要包括樹脂材料、發(fā)泡材料、親泥性注漿材料等,其錨固效果很好、同時也不易受水的影響,但使用成本太高,難以推廣使用.材料的創(chuàng)新應(yīng)著重既能提高錨固效果,解決高外水壓力作用的問題,又要能滿足易獲取、低成本、生態(tài)環(huán)境友好等要求.

3)讓位體系布置及施工方法創(chuàng)新

讓位支護(hù)體系布置方式包括讓位結(jié)構(gòu)型式選擇、布置位置、布置間距等參數(shù),各種參數(shù)及施工方法應(yīng)結(jié)合室內(nèi)物理模型試驗(yàn)和現(xiàn)場原位試驗(yàn),通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集、處理,優(yōu)化深埋軟巖讓位支護(hù)體系布置及施工方法,建立一套讓位支護(hù)規(guī)范體系和設(shè)計(jì)理論方法和有效、合理并有針對性的讓位體系布置規(guī)程.

4)大變形判定與預(yù)測理論創(chuàng)新

深埋軟巖大變形判定與預(yù)測是對軟巖大變形問題中復(fù)雜力學(xué)行為的科學(xué)認(rèn)識,對解決軟巖大變形問題具有重要意義,其在讓位支護(hù)應(yīng)用技術(shù)框架中起到判定、指導(dǎo)及反饋的作用,是極其重要的技術(shù)方法.

5 結(jié) 論

通過總結(jié)國內(nèi)外軟巖大變形特別是滇中紅層大變形案例,提出滇中深埋軟巖變形特征,結(jié)合支護(hù)理論的發(fā)展和適用條件,分析了讓壓錨桿在處理軟巖大變形問題的局限性,并以此提出了一種以讓圍巖變形位移為核心的讓位支護(hù)技術(shù),從原理、作用機(jī)理及技術(shù)框架等方面建立了讓位支護(hù)技術(shù)方法,并提出了讓位支護(hù)體系.主要結(jié)論如下:

1)滇中引水工程楚雄段及昆明段隧洞開挖已經(jīng)歷了多次軟巖大變形,大變形主要發(fā)生在富水地層環(huán)境第三系極軟巖、圍巖條件差的泥質(zhì)巖洞段,最大變形量達(dá)2.1 m.通過分析紅層軟巖地質(zhì)特征、變形特征,認(rèn)為當(dāng)遇到埋深高、復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造及賦存地質(zhì)物理環(huán)境高外水壓力作用,易遭遇以擠壓變形為主,膨脹變形為輔,潛在松散變形的軟巖大變形.

2)軟巖隧洞產(chǎn)生大變形的共性在于圍巖的埋深大且軟弱、地應(yīng)力較高、易發(fā)生大變形且持續(xù)時間較長,地下水作用顯著.對于解決大變形問題,支護(hù)手段不宜采用剛性支護(hù)且應(yīng)重視高外水的影響.在工程上應(yīng)該對軟巖大變形中的擠壓變形、膨脹變形及松動變形進(jìn)行針對性治理,才能有效解決深埋軟巖大變形問題.

3)滇中深埋軟巖大變形表現(xiàn)為隧洞開挖后,圍巖將產(chǎn)生較大的持續(xù)性變形,從讓壓錨桿的工作原理及應(yīng)用背景出發(fā),采用防止沖擊地壓和解決不均壓問題的讓壓錨桿支護(hù),應(yīng)用將有一定的局限性,甚至無效.提出深埋軟巖隧洞讓位支護(hù)理論與技術(shù)方法,以讓變形位移為核心,軟巖隧洞施工持續(xù)變形、邊支邊讓為核心思想,在保證水工隧洞安全穩(wěn)定的條件下釋放巖體的主體變形能,保障軟巖隧洞支護(hù)、襯砌的安全穩(wěn)定.讓位支護(hù)的原理是通過支護(hù)體系與圍巖緊密接觸受力的情況下,允許軟巖發(fā)生一定量的大變形讓位后,充分發(fā)揮支護(hù)體系支護(hù)、加固作用,該理論方法可在變形力學(xué)機(jī)理上解決軟巖大變形和高外水壓力強(qiáng)作用的關(guān)鍵核心技術(shù)難題.

4)構(gòu)建了深埋隧洞軟巖大變形讓位支護(hù)體系,由讓位錨桿(錨索)、約束混凝土、可縮動鋼架組成,讓位支護(hù)體系組合.包括讓位錨桿+可縮動鋼拱架、讓位錨桿+約束混凝土+可縮動鋼拱架.

5)深埋隧洞軟巖大變形讓位技術(shù)體系需強(qiáng)化創(chuàng)新,主要包括錨桿(錨索)結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)創(chuàng)新、灌漿材料和灌漿工藝創(chuàng)新、讓位支護(hù)體系布置及施工方法創(chuàng)新、大變形判定與預(yù)測理論和技術(shù)創(chuàng)新.