深埋软岩隧洞让位支护原理及应用技术框架

张建平 黄 威 王环玲 王如宾 马建伟 徐卫亚

(1.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室, 南京 210098;2.河海大学 岩土工程科学研究所,南京 210098;3.中国电建集团 昆明勘测设计研究院有限公司, 昆明 650051)

隧洞穿越软岩地层时,存在软岩大变形、断层洞段涌水突泥等重大工程问题,特别是埋深较大、富水条件隧洞段的软岩大变形问题,对工程施工、支护方案及长期运行造成不利影响,是岩石力学界具有挑战性的重大问题,同时也是重大水利工程安全领域亟待解决的核心关键技术问题.

针对深埋隧洞软岩大变形问题,现在通常认为采用强支撑的方式是不经济、不科学的,在一些情况下甚至是不安全的,会出现支护开裂、破坏问题,Anagnostou等[1]强调通过衬砌来阻止围岩变形(即“硬顶”)将会诱发围岩的“真实压力”(即形变压力),其量值将超出结构安全范围,Kimura等[2]介绍了在隧洞中失效的系统锚杆,表明刚性支撑常无法抵抗过大的形变压力而失效,导致后期复杂的修复工作.

随着新奥法的提出,专家学者们逐步认同了让压支护的理念,即允许围岩发生一定的变形来降低围岩压力,发挥围岩自承能力而减少作用在支护结构上的压力.基于让压原理的支护结构最早由Jager[3]提出,称之为“锥体锚杆”,在南非的矿山中得以运用.国内让压锚杆最早见于采矿行业,相关理论研究和工程实践也取得了不错的成果.连传杰等[4]提出了一种让压吸能锚杆,验证其在工程地质环境恶劣、高地应力挤压大变形或有岩爆倾向的隧洞有较好效果.何满潮等[5]基于负泊松比结构研发了具有NPR 结构的新型恒阻大变形锚杆,在抗冲击、抗剪切及吸收能量等方面具有优异的性能.

Asef等[6]认为成功地在支护结构中使用让压来避免过高的应力,需要较好的理解其力学机制和设计原理,因为如果应用不当,这种方法可能会带来更大的危害.对于滇中深埋软岩大变形问题,隧洞开挖完后,围岩将产生较大的持续性变形,如使用以防止冲击地压和解决不均压问题的让压锚杆支护,将有一定的局限性,甚至无效.

本文提出深埋软岩隧洞让位支护理论与技术方法,其与让压支护理论基础和原理不同,不是以抵抗冲击地压为目标,而是让变形位移为核心,软岩隧洞施工中“持续变形、边支边让”为核心思想,在保证水工隧洞安全稳定的条件下释放岩体的主体变形能,保障软岩隧洞支护、衬砌的安全稳定,该理论方法可在变形力学机理上解决软岩大变形和高外水压力强作用的关键核心技术难题.

1 深埋隧洞软岩大变形

要科学、合理的解决软岩大变形问题,就要对软岩的变形特征、变形机理有清晰的认识,目前对于软岩的定义描述主要分为3种类型,描述性定义、指标化定义和工程定义,各有其应用场景[7].最早在1981年“国际软岩学术谈论会”规定“软弱、破碎和风化岩石”为软岩.国际岩石力学学会(ISRM)定义单轴抗压强度在0.5～25 MPa为软岩,我国在1984煤矿矿山压力名词讨论会上将软岩定义为“强度低、空隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性黏土矿物的松散软弱岩层”[8],而后孙钧将软岩定义为“在高地应力、地下水和强风化作用下,具有显著渗流、膨胀或崩解特性的软弱、破碎、风化和节理化围岩,简称为不稳定围岩岩体”[9].

最早Terzaghi将软岩变形分为挤压变形和膨胀变形,而后国际岩石力学学会将挤压变形定义为:挤压现象为一种在隧道开挖过程中与时间有关的大变形,与岩石材料的黏弹塑性行为及流变时效特性有相当程度的关联性,尤其当所承受的剪应力超过某极限值时,属于物理过程[10],Barla[11]将挤压变形定义为一种与岩石时效特性有关的大变形,隧道开挖期间发生挤压变形的必要条件是,当剪应力超过一定极限值时岩体发生流变而引起挤压变形.王建宇等[12]将高地应力软岩大变形分为松散型大变形和挤压型大变形.胡元芳等[13]按变形机理将软岩大变形分为围岩松动引起的大变形、膨胀性软岩引起的变形、高地应力引起的挤压大变形三类.姜云[14]提出围岩的挤出作用是一种物理破坏,而膨胀是与水参与的化学过程,两种作用通常是同时发生,并且挤出作用在软岩大变形中占有更为重要的位置,是大变形的主要变形机制.

表1统计了国内外软岩大变形工程实例,以滇中引水工程为例,线路大量穿越“滇中红层”分布区,经统计隧洞全线穿越的软岩长度占总长度的34%左右,约208 km.当隧洞埋深大、地质构造复杂及赋存地质物理高外水压力作用时,施工过程中将面临严重的软岩大变形问题[15],若处置不当,将造成衬砌开裂、变形侵限、钢拱架挤压变形等问题,如图1～2所示.

表1 国内外软岩大变形工程实例统计

图1 软岩大变形引起钢拱架弯曲混凝土脱落

图2 滇中红层大变形引起拱顶钢拱架扭曲

滇中红层软岩岩性主要有泥岩、粉砂质泥岩、泥灰岩、泥质粉砂岩等,外观以红色为主,属于碎屑岩沉积地层,成岩年代新,成岩胶结度差,最主要的是富含大量的亲水性矿物(蒙脱石、伊利石等).工程上表现为物理力学特性差、亲水性强、透水性弱,变形模量较小、软化系数较小及流变效应显著等.红层软岩因受水影响显著,失水易收缩或者崩解,遇水易膨胀或者软化.当遇到埋深高、赋存地质物理环境高外水压力作用及复杂地质构造,易发生以挤压变形为主,膨胀变形为辅,潜在松散变形的软岩大变形.

滇中引水工程大理Ⅱ段香炉山隧洞地质条件极其复杂,地下水发育丰富、岩体破碎且存在大量溶洞和断层破碎带,同时面临高埋深(最大埋深1 450 m)、高外水压力(1～3 MPa)等重大问题,其软岩厚度超过12 m,软岩变形范围大,5号支洞曾因约3 MPa的外水压力使80 cm 的混凝土底板上拱近30 cm,软岩大变形中高外水压力的影响是不容忽视的.

滇中引水工程楚雄段及昆明段隧洞开挖经历多次软岩大变形,大变形主要发生在富水地层环境第三系极软岩、围岩条件差的泥质岩洞段,如采取全断面开挖并支护不及时,将造成围岩向洞内巨大变形.

CX17+280～CX17+325洞段上台阶左侧壁大变形,在桩号CX17+303处最大变形量2.1 m,其他部位变形20～38 cm,围岩为粉砂质泥岩,按Ⅳ类(软)开挖支护后发生大变形.

CX18+639.128～CX18+648.128洞段上台阶拱顶范围整体沉降50.2cm,初期支护顶拱整体下沉,最大下沉量91 cm,围岩为第三系极软岩,弱胶结,强度低,具有中等压缩性,变形模量较小,掌子面大部分潮湿,局部见渗滴水,渗滴水处围岩软化呈泥状.

CX18+920.628～CX18+931.628洞段上台阶左侧拱顶下沉,最大累计沉降值为30 cm,围岩为第三系灰绿色、深灰色黏土岩夹粉砂岩,洞壁干燥～潮湿,局部见小股状流水.

CX19+020.628～CX19+054.128洞段施工至CX19+076.128桩号时发现该段拱顶范围整体沉降,最大累计沉降值为50.2 cm,最大侵限断面30.2 cm,围岩为第三系灰绿色黏土岩、灰黄色粉细砂岩,洞壁潮湿.

1号施工支洞进主洞的交叉洞段,收敛变形量最大58.6 cm,围岩为钙质泥岩、泥质粉砂岩,属较软岩.

大变形洞段后期通过采取超前支护、加强一次支护措施、加快初期支护封闭成环、布置灌浆圈和加强排水等措施,对围岩变形控制取得了较好的效果.

通过分析归纳国内外软岩大变形隧洞围岩变形特征主要为:

1)围岩初期变形快.隧洞开挖后如不采取支护,围岩从变形到松散破坏只需几分钟到几小时,因此采取超前支护或立即支护是必要的[16-17].

2)软岩变形位移大.在严重挤压隧洞中最终的变形量可能到达500 mm,如果支护不当或不及时,围岩变形甚至能达到1 m[18].

3)围岩收敛持续时间长.软岩由于其流变性,使得有些隧洞在运营期还未完成收敛,一般可持续1个月,最恶劣情况可能持续半年[19].

4)强刚度支护破坏.常规刚性支护允许的变形量很小,无法满足围岩的持续大变形,使其达到强度极限而破坏.

软岩隧洞产生大变形的共性主要在于:围岩埋深大且软弱、地应力较高、易发生大变形且持续时间较长,受水影响显著.解决大变形问题,支护手段不宜采用刚性支护且应重视高外水压力的影响.在工程上应该对软岩大变形中挤压变形、膨胀变形及松动变形进行针对性治理,才能有效解决深埋软岩大变形问题.

2 让位支护原理

2.1 让压支护

让压支护是基于新奥法理念,随着工程经验积累而提出的一种隧洞支护技术,其中让压锚杆是应用最早且最广泛的支护手段,它首先应用于巷道支护,对于深部地应力高的硬岩巷道,其面临着冲击地压问题.冲击地压是指井巷或工作面周围岩体,由于弹性变形能的瞬时释放而产生突然剧烈破坏的动力现象,常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等现象[20].

让压锚杆的技术原理是将锚杆锚固在稳定岩体上(及受开挖影响较小的区域内),当冲击地压突发,锚杆锚固力不变的同时,让压管发生挤压变形将围岩中过高的应力和能量释放,防止锚杆杆体过早进入屈服状态甚至被拉断[21].

对于不均压问题,由于复杂地质构造和开采扰动的影响,沿巷道周边围岩变形大小不一,不同位置锚杆变形和载荷不同,为了充分发挥每根锚杆的作用,让压构件可以让掉某根锚杆过大的压力,使支护体达到共同支护围岩的作用,支护体间压力传递的过程称为均压.

对于深埋软岩隧洞,围岩变形量大且流变效应显著,围岩变形量远远大于最大让压距离,围岩大变形使让压锚杆系统的应变能持续增加最终进入屈服状态,甚至破断.除此之外,现有让压锚杆通常采用端锚方式,当软岩变形范围较大时,一般让压锚杆无法锚固在塑性区外即受扰动小的区域,使锚杆稳定性较差,对围岩锚固作用甚微.

让压锚杆主要针对的是冲击地压和不均压问题,对处理深埋软岩大变形问题有局限性,甚至无效.

2.2 让位支护

让位支护是以让变形位移为核心,而不是让压支护中以抵抗冲击地压为核心,其关键点在于深埋软岩大变形的变形机理为软弱围岩在受到高外水压力作用下发生大范围、持续性大变形,让位支护的原理是通过支护系统与围岩紧密接触受力的情况下,允许软岩发生一定量的大变形让位后,充分发挥支护、加固作用.

从锚杆结构角度分析让压与让位的不同,在软岩隧洞支护中,软岩变形是大范围岩体整体变形,为了保证锚杆支护稳定性,一般采用全长黏结锚固,而非端锚型式,而对于让压锚杆在锚杆尾部增加一个独立让压构件的普遍结构型式,当采用全长注浆加固时,锚固力通过杆体与砂浆间的摩擦力提供,当压力增大到一定值时,杆体与砂浆脱离或锚杆杆体屈服甚至断裂,此时让压构件还未发挥作用,故从施工角度来说,让压锚杆与普通系统锚杆没有区别.对于让位锚杆,则需要设计诸如一种杆体前端带自攻螺纹的让位锚杆,螺纹长度可根据围岩强度进行设计,软岩支护时将自攻螺纹攻入岩体中,与围岩紧密接触,并预留一定长度自由段,通过杆体中空排出中周围的水,随着围岩变形,让位构件挤压变形,在此过程锚固力不变的同时释放围岩压力,提高支护结构的安全性.

从支护与围岩变形协调的角度分析让位支护机理如图3所示.

图3 软岩让位作用机理图

图3中,曲线1为围岩特性曲线,曲线2、3为支护特性曲线,从图3可以看出,2种支护的施作时机均相同(考虑及时支护),即U1相同.曲线2和3的支护刚度相同,即材料性能相同,对应图上DC重叠段,曲线3相对于2多了一个让位过程,即U3的位移量,到达C点后,刚性支护受力继续增加,直到与围岩特征曲线相交于A点,不断增加的支护力使得支护结构可能进入塑性阶段,整体结构处于不安全状态.而让位支护在保持受力不变的同时,支护结构与围岩共同变形,释放围岩中的形变压力,优化结构受力,与围岩特征曲线相交于B点,支护力与C点相同,支护结构处于弹性阶段,整个体系具有较好的安全性.

上述分析软岩隧洞支护理论的两种途径,一是如曲线2所示,即及时强支护,提高支护阻力以减小软岩隧洞的围岩变形;二是如曲线3所示,在材料性能一定的情况下,支护在对围岩提供抗力以阻止围岩变形的同时,适当释放围岩位移,以减少支护结构所受的围岩压力,使围岩-支护体系处于安全状态.比较两种支护方式可以看出,由于第二种支护具有让位功能,保持围岩稳定所需的支护阻力和刚度较第一种支护明显减弱,因而比较经济合理.

为了进一步理解让位锚杆的作用,讨论其与围岩共同承载的变形协调关系,即锚杆锚固力与围岩变形的关系,从功能转化关系的角度讨论,在达到让位点荷载之前,锚杆随着围岩持续变形发挥着锚固作用,围岩的变形能主要转化为锚杆的弹性应变能;当让位装置发挥作用后,锚杆轴向锚固力不增加,在此阶段,围岩变形能转化为让位装置的让位变形能,锚杆杆体不再增加应变能.当让位锚杆最大让位距离dmax≥围岩变形量△U,随着围岩变形,不断降低的围压压力与锚杆锚固力达到平衡,即围岩为达到平衡所需要变形能与锚杆系统的应变能平衡.

3 让位支护体系设计

考虑到软岩变形量大的问题,在让位支护技术的基础上进一步提出了让位支护体系,针对滇中引水工程软岩大变形问题,提出由让位锚杆、让位锚索、约束混凝土、可缩动钢架组成的让位支护体系.让位支护体系核心技术在于提供长期的变形能力及支护作用,可大量释放围岩主体变形能降低支护体系受力并保障围岩稳定,提升支护体系整体的长期稳定性及承载能力,在允许围岩产生较大变形的基础上保障支护体系在隧洞施工期及长期运行的安全稳定.

根据让位支护基本原理,绘制了让位支护体系图,如图4所示.

图4 让位支护体系示意图

图4中的让位支护体系由以下几部分组成:

1)让位锚杆

在锚杆尾端安装一种特定的让位构件,当围岩发生变形,锚杆承受的拉力超过其设计的让位力时,设计的让位构件将使锚杆支护体与岩体产生相适应的变形,此时,拉力值维持固定不变,直到为锚杆设定的让位量耗尽,此举是释放围岩中过大的变形能,减少作用在支护结构上的力,实现让位功能.可设计锚杆杆体中空,结合固结灌浆排出围岩中的水,减少高外水压力作用的影响.

2)让位锚索

将多股钢筋束分别锚于锚锭内,利用新型注浆材料将锚头锚固于受扰动较小的围岩内,张拉施加预应力后在尾端安装让位构件,当让位锚索拉力到达预定荷载时,让位构件挤压使锚索支护体变形与围岩体变形相适应,实现让位效果,相较于让位锚杆可以提高恒阻力,增加入岩深度,适用于地质情况复杂的Ⅳ-Ⅴ类围岩.

3)约束混凝土

在钢管等外部约束材料中充填混凝土的组合高强结构形式,约束混凝土在外部结构的约束作用下处于三向受压状态,强度得到有效提高,在混凝土的支撑作用下,约束材料避免了局部屈曲失稳,二者通过相互作用表现出力学性能上的共生.

4)可缩动钢拱架

具有让位功能的钢拱架主要分为3类:第1类为缓冲层技术,在衬砌和围岩之间填充可压缩材料让围岩产生部分的收敛变形;第2类为滑动摩擦型,在钢拱架的分段接头处设置滑动装置,通过滑动装置滑移来与围岩共同变形的效果,支护阻力由滑动摩擦力来提供;第3类是在钢拱架分段处设置可压缩构件,通过柔性结构受压实现让压功能.可缩动钢拱架利用分段处的可压缩构件实现让位,其基本原理是靠钢架接头之间卡缆预紧力产生摩阻力来实现钢架的恒阻滑移.

让位支护体系组合包括:①让位锚杆+可缩动钢拱架;②让位锚杆+约束混凝土+可缩动钢拱架;③让位锚杆+让位锚索+约束混凝土+可缩动钢拱架.其中组合体系①适用于轻微挤压变形洞段,如遇赋存地质物理环境高外水压力作用、地质条件复杂且围岩条件差的洞段,应考虑方案②或③结合固结灌浆和让位锚杆中空排水来进行支护方案设计.

4 软岩隧洞让位支护技术框架

4.1 让位支护应用技术框架

深埋软岩隧洞让位支护的工程应用首先要针对工程进行背景调查及地质资料收集,依据工程设计方案及围岩大变形的判定进行锚杆(锚索)结构型式的选择,基于已建立的让位支护准则和对软岩大变形的预测,确定让位支护体系中的让位起始荷载、让位量、让位时间、锚固深度等具体参数,再进行注浆材料、施工工艺、让位支护布置方案和施工方法的确定.建立监测预警体系,对支护体系受力、围岩位移、外水压力大小等进行数据监测与收集,结合数据进行长期稳定性分析,并以此反馈优化大变形预测方法、让位支护准则、注浆材料、施工工艺和让位体系布置.通过循环反馈流程,优化深埋软岩隧洞让位支护设计理论及方法.建立深埋软岩隧洞让位支护应用技术框架如图5所示.

图5 让位支护应用技术框架图

4.2 核心技术展望

针对富水环境软岩大变形问题,让位支护技术主要核心部分是锚杆(锚索)结构形式设计、灌浆材料和灌浆工艺、让位支护体系布置及施工方法、大变形判定与预测等.在工程试验和技术推广方面可强化以下方面的创新:

1)锚杆(索)的结构型式创新

结构型式的创新应该基于让位支护原理,强调锚杆与围岩的锚固效果和让位变形效果,结构型式的创新应该注重锚杆杆体与软岩之间的锚固效果以及排水作用.可设计自攻式螺纹加中空杆体的让位锚杆和锚索可以提高锚固力,排出杆体周围的水,实现围岩让位效果.

2)灌浆材料和灌浆工艺创新

灌浆材料及灌浆工艺能直接影响灌浆圈的防渗效果,并且能提高让位锚杆与围岩之间的锚固力,是让位支护中重要的技术部分.材料主要包括树脂材料、发泡材料、亲泥性注浆材料等,其锚固效果很好、同时也不易受水的影响,但使用成本太高,难以推广使用.材料的创新应着重既能提高锚固效果,解决高外水压力作用的问题,又要能满足易获取、低成本、生态环境友好等要求.

3)让位体系布置及施工方法创新

让位支护体系布置方式包括让位结构型式选择、布置位置、布置间距等参数,各种参数及施工方法应结合室内物理模型试验和现场原位试验,通过对监测数据的收集、处理,优化深埋软岩让位支护体系布置及施工方法,建立一套让位支护规范体系和设计理论方法和有效、合理并有针对性的让位体系布置规程.

4)大变形判定与预测理论创新

深埋软岩大变形判定与预测是对软岩大变形问题中复杂力学行为的科学认识,对解决软岩大变形问题具有重要意义,其在让位支护应用技术框架中起到判定、指导及反馈的作用,是极其重要的技术方法.

5 结 论

通过总结国内外软岩大变形特别是滇中红层大变形案例,提出滇中深埋软岩变形特征,结合支护理论的发展和适用条件,分析了让压锚杆在处理软岩大变形问题的局限性,并以此提出了一种以让围岩变形位移为核心的让位支护技术,从原理、作用机理及技术框架等方面建立了让位支护技术方法,并提出了让位支护体系.主要结论如下:

1)滇中引水工程楚雄段及昆明段隧洞开挖已经历了多次软岩大变形,大变形主要发生在富水地层环境第三系极软岩、围岩条件差的泥质岩洞段,最大变形量达2.1 m.通过分析红层软岩地质特征、变形特征,认为当遇到埋深高、复杂地质构造及赋存地质物理环境高外水压力作用,易遭遇以挤压变形为主,膨胀变形为辅,潜在松散变形的软岩大变形.

2)软岩隧洞产生大变形的共性在于围岩的埋深大且软弱、地应力较高、易发生大变形且持续时间较长,地下水作用显著.对于解决大变形问题,支护手段不宜采用刚性支护且应重视高外水的影响.在工程上应该对软岩大变形中的挤压变形、膨胀变形及松动变形进行针对性治理,才能有效解决深埋软岩大变形问题.

3)滇中深埋软岩大变形表现为隧洞开挖后,围岩将产生较大的持续性变形,从让压锚杆的工作原理及应用背景出发,采用防止冲击地压和解决不均压问题的让压锚杆支护,应用将有一定的局限性,甚至无效.提出深埋软岩隧洞让位支护理论与技术方法,以让变形位移为核心,软岩隧洞施工持续变形、边支边让为核心思想,在保证水工隧洞安全稳定的条件下释放岩体的主体变形能,保障软岩隧洞支护、衬砌的安全稳定.让位支护的原理是通过支护体系与围岩紧密接触受力的情况下,允许软岩发生一定量的大变形让位后,充分发挥支护体系支护、加固作用,该理论方法可在变形力学机理上解决软岩大变形和高外水压力强作用的关键核心技术难题.

4)构建了深埋隧洞软岩大变形让位支护体系,由让位锚杆(锚索)、约束混凝土、可缩动钢架组成,让位支护体系组合.包括让位锚杆+可缩动钢拱架、让位锚杆+约束混凝土+可缩动钢拱架.

5)深埋隧洞软岩大变形让位技术体系需强化创新,主要包括锚杆(锚索)结构形式设计创新、灌浆材料和灌浆工艺创新、让位支护体系布置及施工方法创新、大变形判定与预测理论和技术创新.