第1卷 第5期地下空间与工程学报Vol.1
2005年10月ChineseJournalofUndergroundSpaceandEngineeringOct.2005
文章编号:1673-0836(2005)05-0685-04
深埋隧道煤层区围岩内部位移特征
王建华,靳晓光,曾 杰,高 永
(重庆大学土木工程学院,重庆 400045)
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摘 要:隧道围岩内部位移为研究围岩变形、确定围岩松弛范围和检验支护参数是否合理的重要依据。通过采用多点位移计对通渝深埋隧道C1煤层围岩深部位移的量测,分析了围岩深部位移-时间特征、位移-深度特征和围岩松弛范围,预测了围岩的变形发展趋势,并对围岩的稳定性和支护参数的合理性进行了评价,对深埋隧道的设计和施工具有重要的指导意义。
关键词:深埋隧道;煤层区;内部位移;变形预测中图分类号:TD325 文献标识码:A
InteriorDisplacementCharacterofSurroundingRockin
CoalSeamSectionofDeepTunnel
WANGJian-hua,JINXiao-guang,ZENGJie,GAOYong
(CollegeofCivilEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400045P.R.China)
Abstract:Interiordisplacementcharacteroftunnelsurroundingrockprovidesanimportantbasisforstudyingthesur-roundingrockdeformation,confirmingthesurroundingrockloosenessextensionandverifyingthevalidityofsupportingpa-rameter.Inthisarticle,accordingtomeasurementresultsofinteriordisplacementofsurroundingrockinC1coalseamsec-tionofTONGYUdeeptunnelbymult-ipointdisplacementmeter,theinteriordisplacemen-ttimecharacter,displacemen-tdepthcharacterandloosenessextensionhavebeenanalyzed,thedeformationtrendshavebeenforecasted,andthestabilityofsurroundingandvalidityofsupportingparameterhavebeenestimated,ithascertainsignificancetodesignandconstruc-tionofdeeptunnel.
Keywords:deeptunnel;coalseamsection;interiordisplacement;deformationforecast
1 概述
通渝隧道位于重庆市城口县与开县交界处,为山岭重丘二级越岭公路隧道,呈人字形斜坡,全长4279m,最大埋深1030m,属双向行驶的单洞两车道越岭特长隧道。隧址区位于四川盆地边缘的雪
宝山区,属强烈切割的溶蚀高中山地形,山岭走向呈NWW-SEE向,地形坡度在50b左右,槽谷两侧/V0字型冲沟发育。隧道穿越寒武系)三叠系大冶组(T1d)及第四系松散层,地质构造复杂,自北而南穿越八台山-大宁厂向斜和甘泉背斜。隧址区
岩溶发育,地应力水平高,且煤层发育,对隧道围岩稳定性有重要的影响。因此在埋深达900m多的C1煤层附近的K22+182处左、右侧埋设了单孔多点位移计,量测隧道围岩内部不同深度处位移,了解高地应力软弱围岩及大变形围岩的径向位移分布和松弛范围,优化锚杆参数,指导施工。测点附近节理发育,挤压破碎强烈,按II类围岩施工,药包锚杆长3.5m,间距为1.0m@1.0m。
2 围岩内部位移量测及成果分析
2.1 多点位移计原理
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收稿日期:2005-03-03(修改稿)作者简介:王建华(1978-),男,四川安岳人,硕士研究生,主要从事隧道与地下结构科研设计。基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(50334060),重庆大学引进人才资助项目。686
地下空间与工程学报 第1卷
多点位移计由测点锚头、位移传递杆和测量端头组成。埋设在钻孔内的各测点锚头(1#、2#、3#、4#)与孔壁紧密连接,岩层移动时能够带动各
测点锚头一起移动,测点的位移状态通过与之固定的位移传递杆(1、2、3、4)引至岩体外部,以便进行量测,如图1所示。
图1 多点位移计测孔结构示意图
Fig.1 Thesketchmapofmult-ipointdisplacementmeterstructure
设变形前各测点位移传递杆在孔口的读数为Si0,变形后第n次测量时各测点在孔口的读数为Sin,则第n次测量时,测点4相对于孔口的总的位移量为S4n-S40=D4n,测点3相对于孔口的总位移量为S3n-S30=D3n,测点i相对于孔口总的位移量Sin-Si0=Din,于是测点i相对于测点4(最深测点)的位移量是$Sin=Din-D4n。结合相应的水平收敛和拱顶下沉位移,还可算出各测点的绝对位
移值。
2.2 测试结果及分析2.2.1 测试结果
隧道开挖后,在左右两侧距底板1.7m处及时钻孔安设多点位移计,用锚固剂将位移计全长锚固在围岩内,保证各测点锚头与围岩一起移动。经过十几次的跟踪量测,左、右侧各测点与最深测点4的相对位移$Sin结果如表1所列。
表1 左、右侧各测点位移$Sin量测结果
Table1 Measuredresultsof$Sindisplacementsatrightandleftmeasurementpoints
日期2003.6.20
2003.6.202003.6.212003.6.222003.6.222003.6.232003.6.242003.6.252003.6.262003.6.272003.6.282003.6.29
时间11:0018:009:4011:3015:0015:0011:4016:0010:009:0019:0017:30
左侧各测点位移$Sin(mm)2.7m0.000.230.450.781.973.724.625.416.186.456.516.91
1.8m0.000.390.730.842.123.924.665.716.476.687.177.37
0.9m0.000.561.20.914.265.576.056.947.167.227.337.76
孔口0.000.691.426.014.385.936.027.167.527.98.098.31
2.7m0.000.330.50.851.83.5.184.845.395.755.816.19
右侧各测点位移$Sin(mm)
1.8m0.000.961.241.111.854.834..56.116.366.566.71
0.9m0.001.532.832.963.85.956.697.78.278.448.779.08
孔口0.002.0.024.16.6313.2213.14.5214.8715.0615.2715.39
各测点位移-时间关系曲线如图2和图3所示。
2.2.2 位移-时间特征
根据表1和图1、图2可以看出:
(1)左、右侧围岩的变形在其相邻部位的开挖卸荷完毕后并不是马上停止,而是随着时间的增长和开挖的推进持续发展;
(2)随时间的增长,左、右两侧不同深度各测点的位移值总体上逐渐增大;变化曲线呈平缓-上
升-平缓的特征,即变形速率在开挖的初期较小,随后增大,最后又逐渐变小。这是由于开挖初期测点
距掌子面较近,掌子面约束作用明显,随着开挖的推进,掌子面约束作用逐渐减弱,最后由于随着变形的释放和应力的重分配,围岩逐渐趋于稳定;(3)左侧围岩深部各点的变形位移和速率比较接近,表明左侧围岩松弛范围\\2.7m。右侧围岩深部各点的变形位移和速率除1.8m和2.7m测点相差较小外,其余测点相差较大,表明右侧围岩
2005年第5期 王建华,等:深埋隧道煤层区围岩内部位移特征
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响,使量测数据具有一定的离散性。因此,预测围岩变形的发展趋势和最终变形量具有重要的工程意义。这里对量测数据进行了求残差平方和最小的一条曲线方程的回归计算,即利用最小二乘原理求其最佳拟合曲线。
选择的回归函数记为u=f(t,A1,A2,,,An)最小二乘目标函数则为
n
2
Q=mini=61[ui-f(ti,A1,A2,,,Am)]
图2 左侧各测点变形值-时间曲线
Fig.2 Displacemen-ttimecurvesofleftmeasurementpoints
曲线拟合采用了以下几种形式,选择精度最高的作为其回归方程
指数函数 u=A1e
-A
2t对数函数 u=A1+A2/lg(1+t)双曲函数 u=t/(A1+A2t)式中:A1,A2,,,An为回归系数
u、t为位移值和相应的时间
根据表1中的数据进行回归计算,得左侧各测
点的拟合方程为:
2.7m,u(t)=8.97exp(-2.58/t);1.8m,u(t)=8.72exp(-2.47/t);0.9m,u(t)=9.01exp(-1.60/t);孔口,u(t)=8.99exp(-1.55/t)。
图3 右侧各测点变形值-时间关线
ig.3 Displacemen-ttimecurvesofrightmeasurementpoints
2.7m和孔口处的实测位移-时间曲线和拟合曲线分别如图4和图5所示。
松弛范围在1.8m左右。
(4)个别测点出现反向位移波动。2.2.3 位移-空间特征
(1)围岩径向位移方向指向隧道内,即向临空面移动,说明岩体主要受卸荷及地应力的影响;
(2)变形量和变形速率随深度的增加逐渐减小,后期变形速率很小,属蠕变变形;
(3)从变形与开挖进程的关系看,随着掌子面开挖的推进,变形增大,变形速率呈先增大后减小的趋势,表明掌子面约束作用明显;
(4)从整体变形趋势看,随着表面位移的增长,深部一定范围的位移也增大;
(5)左侧围岩深部各点的位移值比较接近,最大位移差即孔口与2.7m处的位移差值为2.41mm,右侧围岩深部各点的位移值除1.8m和2.7m测点外相差较大,最大位移差即孔口与2.7m处的位移差值为9.71mm。2.2.4 围岩变形发展趋势
由于地下工程得复杂性及量测偶然误差的影图4 左侧2.7m处拟合与实测位移-时间曲线Fig.4 Fittingandrealdisplacement-timecurveson
left2.7mdeeppoint
根据拟合曲线方程可以预测出孔口、0.9m、1.8m、2.7m处的最终位移分别为8.99mm、9.01mm、8.72mm和8.97mm,进一步证明了左侧孔口至2.7m深度范围变形比较一致的正确性。对各方程求导,可以看出其发展趋势是减速蠕变并最终趋于稳定。
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地下空间与工程学报 第1卷
稳定。
图5 左侧孔口处拟合与实测位移-时间曲线Fig.5 Fittingandrealdisplacemen-ttimecurves
onleftoutsidepoint
图7 右侧孔口处拟合与实测位移-时间曲线Fig.7 Fittingandrealdisplacemen-ttimecurves
onrightoutsidepoint
右侧各测点的拟合方程为:
2.7m,u(t)=7.88exp(-2./t);1.8m,u(t)=6.97exp(-2.09/t);0.9m,u(t)=t/(0.48+0.08t);
孔口,u(t)=16.18exp(-1.37/t)。
1.8m和孔口处的实测位移-时间曲线和拟合曲线分别如图6和图7所示。
右侧各测点的最终位移预测值相差较大,孔口最大,达16.18mm;0.9m处次之,为12.5mm;1.8m和2.7m处较小,不到8mm。外测点的位移值相
对次外测点有突发性的较大增长,表明该深度范围内的围岩已发生松动扩容变形;深部两测点的位移差较小,围岩仍处于承载能力较高的弹塑性状态。右侧松动区范围[1.8m。目前孔口处位移值基本接近最终预测值,围岩趋于稳定。表明长达3.5m的较密布置的锚杆能有效阻止围岩变形,起到了很好的锚固效果,支护结构是安全的。
4 结论
围岩深部变形特征是地质构造、地应力、岩石强度、岩体结构、围岩类别、断面形状、围岩变形动态及支护效果的综合反应。根据煤层内部量测位移的分析,左侧围岩松动范围\\2.7m,右侧松动圈
图6 右侧1.8m处拟合与实测位移-时间曲线Fig.6 Fittingandrealdisplacemen-ttimecurves
onright1.8mdeeppoint
深度在1.8m左右;3.5m长的锚杆在左侧偏短,没有起到很好的加固效果,在右侧起到了很好的支护
作用。监测位移的回归分析表明,围岩变形的释放程度已大于85%,围岩已处于稳定状态。
参考文献:
[1] 李晓红.隧道新奥法及其量测技术[M].北京:科学出
版社,2001
[2] 重庆交通科研设计院,等.城(口)黔(江)路燕子河至
大进段通渝隧道两阶段施工图设计文件[R].重庆:重庆交通科研设计院,重庆市公路勘察设计研究院,2002
[3] 成都兴蜀基础工程公司.城(口)黔(江)路燕子河至大
进段通渝隧道工程地质勘察报告[R].成都:成都兴蜀基础工程公司,2002根据拟合的曲线方程可以预测出孔口、0.9m、1.8m、2.7m处的最终位移分别为16.18mm、12.5mm、6.97mm和7.88mm。对各方程求导,可以看出其发展趋势是减速蠕变,并最终趋于稳定。
3 隧道稳定性与支护效果评价
根据以上的回归曲线方程,可以预估出左侧孔口的最终位移椎约为9mm,其内部围岩的最终位移值略微偏小。隧道开挖的影响已达到或超过监测的围岩深度,围岩松弛范围\\2.7m,锚杆没有起到很好的加固作用。但目前该侧围岩变形已趋于
