軟巖隧道施工地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理研究

王永恒

（山西長(zhǎng)興路橋工程有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000）

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高速公路建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大，并逐步向地形地貌、水文地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)邁進(jìn)。因此，高速公路隧道穿越軟弱破碎帶、斷裂帶、富水地層等軟巖情況越來(lái)越多。由于軟巖隧道在施工過(guò)程中對(duì)圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)，使得圍巖呈現(xiàn)破碎狀態(tài)，進(jìn)而產(chǎn)生支護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、滲漏水、掉塊、塌方、冒頂、底板隆起等施工地質(zhì)災(zāi)害，且其通常呈現(xiàn)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、發(fā)展速度較快、累計(jì)變形較大的狀態(tài)，嚴(yán)重威脅施工人員及機(jī)械的安全，并導(dǎo)致工期滯后，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

目前，軟巖隧道的病害機(jī)理及工程防治措施是隧道工程界的一大研究熱點(diǎn)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們針對(duì)該問(wèn)題開(kāi)展了大量深入的研究工作，取得了一系列的研究成果。魏星[1]等人針對(duì)軟巖隧道突泥涌水病害，利用室內(nèi)模型試驗(yàn)深入研究了隧道病害的影響因素及破壞規(guī)律，為軟巖隧道的施工提供了技術(shù)支撐；鄒[2]等人依托高地應(yīng)力軟巖隧道的工程案例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)手段對(duì)比分析了超前導(dǎo)洞法和三臺(tái)階法施工條件下的圍巖變形規(guī)律；任建喜[3]依托馬鞍子梁軟巖隧道，利用數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段對(duì)臺(tái)階法施工條件下圍巖變形情況進(jìn)行研究，并提出了相應(yīng)的支護(hù)措施；周藝[4]等人依托某破碎軟巖隧道的工程案例，通過(guò)深入研究隧道的工程特點(diǎn)及圍巖位移規(guī)律，提出了軟巖隧道圍巖位移控制基準(zhǔn)。然而，隧道工程具有獨(dú)特性，尤其是各軟巖隧道面臨不同的地質(zhì)條件，其變形機(jī)理及力學(xué)特性并不相同。鑒于此，本文依托某高速公路軟巖隧道，總結(jié)分析其工程地質(zhì)災(zāi)害，利用室內(nèi)試驗(yàn)研究其圍巖物理性質(zhì)，并利用數(shù)值模擬手段分析其力學(xué)特性，從而全面揭示其地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理，為類(lèi)似工程提供理論指導(dǎo)。

1 工程概況

某隧道為一座分離式雙向四車(chē)道高速公路特長(zhǎng)隧道，其走向?yàn)闁|西向，隧道起訖樁號(hào)左線ZK9+390—ZK12+880，長(zhǎng) 3490 m；右線 K9+360—K12+830，長(zhǎng)3470 m。隧道最大埋深為150 m。隧址區(qū)位于深切溝谷斜坡地貌區(qū)，隧道與山脈走向基本呈正交狀態(tài)，隧址區(qū)內(nèi)山勢(shì)陡峭，山坡的坡度一般為38°～43°，地形條件復(fù)雜。在地質(zhì)構(gòu)造方面，隧址區(qū)內(nèi)分布有褶皺及斷裂帶，其褶皺主要為背斜構(gòu)造，其出露地層主要為第四系殘坡積碎石土。隧址區(qū)內(nèi)褶皺及斷裂帶導(dǎo)致隧道圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體極為破碎。隧址區(qū)內(nèi)圍巖主要為強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，其中強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖呈紫紅色，中厚層狀構(gòu)造，呈半巖半土狀態(tài)，巖層結(jié)構(gòu)極為疏松；而弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖局部夾有泥灰?guī)r，呈灰綠色，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，局部有溶蝕現(xiàn)象。隧址區(qū)內(nèi)地下水主要類(lèi)型有松散層類(lèi)孔隙水和節(jié)理裂隙水，主要受大氣降水入滲補(bǔ)給，由于隧道圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水入滲條件較好，隧道圍巖受地下水影響后強(qiáng)度較差。可見(jiàn)該隧道圍巖為典型的富水軟弱圍巖。

該隧道設(shè)計(jì)施工均采用新奧法原理，為復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)采用“鋼拱架+錨桿+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土”的結(jié)構(gòu)型式，在局部地質(zhì)條件較差的隧道段，輔以超前小導(dǎo)管注漿加固措施。二次襯砌為C25模筑鋼筋混凝土。

2 隧道施工地質(zhì)災(zāi)害情況

由于隧址區(qū)內(nèi)松散層類(lèi)孔隙水、節(jié)理裂隙水較為發(fā)育，且隧道圍巖節(jié)理裂隙較為發(fā)育；因此，該隧道地下水下滲量較大。地下水的下滲嚴(yán)重影響圍巖的工程性質(zhì)，導(dǎo)致其在施工過(guò)程中出現(xiàn)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)滲水、掉塊、開(kāi)裂、大變形、底板隆起等災(zāi)害，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，增加施工成本。初期支護(hù)滲水掉塊病害主要發(fā)生在拱肩部位，呈滴漏狀態(tài)，并伴隨有混凝土剝落現(xiàn)象；初期支護(hù)結(jié)構(gòu)裂縫主要分布在拱腰部位，其裂縫走向基本平行于隧道軸向，裂縫寬度為1.5～2.5 mm；隧道底板隆起導(dǎo)致其隧道仰拱部位開(kāi)裂、錯(cuò)臺(tái)，其最大錯(cuò)臺(tái)高度達(dá)到20 cm，錯(cuò)臺(tái)長(zhǎng)度橫貫整個(gè)仰拱部位。該隧道的施工地質(zhì)災(zāi)害具體情況如圖1～圖3所示。

圖1 初期支護(hù)拱頂部位滲水掉塊

圖2 初期支護(hù)拱肩開(kāi)裂、大變形

圖3 隧道底板隆起

3 隧道圍巖抗壓性能試驗(yàn)研究

為全面揭示軟巖隧道地質(zhì)災(zāi)害的形成機(jī)理，結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際情況，利用室內(nèi)試驗(yàn)研究軟巖隧道圍巖在受地下水影響條件下的抗壓性能[5]。單軸抗壓性能是隧道圍巖最主要的力學(xué)特性，其能夠全面反映軟巖隧道圍巖破壞時(shí)的基本特性。本文采用電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、電阻應(yīng)變片、靜態(tài)電阻應(yīng)變儀等儀器設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，其具體情況如圖4、圖5所示。

圖4 電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)

圖5 靜態(tài)電阻應(yīng)變儀

為對(duì)比分析不同含水量情況下的軟巖應(yīng)力應(yīng)變情況，本文結(jié)合依托項(xiàng)目，有針對(duì)性地進(jìn)行取樣，經(jīng)測(cè)試后其含水量分別為1.0%、2.5%、3.4%；并選取5×30 mm的電阻應(yīng)變片，分別粘貼在試樣中相互垂直的表面，即軸向、橫向應(yīng)變片，其具體情況如圖6所示，所得試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖6 圍巖單軸抗壓性能試驗(yàn)

圖7 不同含水量軟巖單軸抗壓強(qiáng)度-應(yīng)變關(guān)系曲線

從圖7中可以看出，不同含水量情況下軟巖應(yīng)力應(yīng)變曲線基本呈現(xiàn)相同的規(guī)律，即在受力的初始階段，隨著應(yīng)力的不斷增加，應(yīng)變緩慢增加，且其斜率逐漸增大，此原因在于軟巖內(nèi)部存在節(jié)理裂隙，在受力后其節(jié)理裂隙逐漸閉合，進(jìn)而呈現(xiàn)出非線性的變化曲線。隨著軟巖所受應(yīng)力的不斷增加，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線逐步進(jìn)入直線階段，表明軟巖變形進(jìn)入彈性變形階段，圍巖抗壓強(qiáng)度隨變形的增加而不斷增加。隨后，圍巖進(jìn)入裂隙的非穩(wěn)定發(fā)展階段，由于其體積壓縮逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)容，抗壓強(qiáng)度增加值與應(yīng)變?cè)黾又抵仍龃螅嚇拥某休d力達(dá)到最大值，即圍巖的單軸抗壓強(qiáng)度，其值分別為25.7 MPa、21.8 MPa、20.7 MPa。圍巖所受荷載超過(guò)單軸抗壓強(qiáng)度后，其內(nèi)部節(jié)理裂隙逐步發(fā)展為宏觀斷裂，其承載力快速下降，但仍保持一定的承載力，并未完全喪失。

通過(guò)上述試驗(yàn)可知，不同含水量的軟巖隧道圍巖抗壓強(qiáng)度差異較大，含水量1.0%的圍巖抗壓強(qiáng)度為 25.7 MPa，含水量 3.4%的圍巖抗壓強(qiáng)度為20.7 MPa，其降幅為19.5%。可見(jiàn)，該軟巖隧道圍巖在地下水浸泡作用下產(chǎn)生了較為明顯的軟化作用，嚴(yán)重影響圍巖的抗壓強(qiáng)度。

4 隧道施工力學(xué)特性研究

4.1 建立數(shù)值模型

為深入分析軟巖隧道在施工過(guò)程中的力學(xué)特性，同時(shí)揭示軟巖隧道圍巖受地下水影響作用下的變形特性，本文采用大型數(shù)值分析軟件建立模型，并結(jié)合依托項(xiàng)目的實(shí)際情況，針對(duì)軟巖隧道在初始狀態(tài)及浸水狀態(tài)分別進(jìn)行模擬。

為準(zhǔn)確掌握依托工程圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)，提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣，利用動(dòng)三軸試驗(yàn)、重度試驗(yàn)等一系列室內(nèi)試驗(yàn)手段測(cè)取其基本物理力學(xué)參數(shù)，所得結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 軟巖隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

利用上述數(shù)值分析模型，對(duì)軟巖隧道初始狀態(tài)及浸水狀態(tài)下的隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、圍巖塑性區(qū)等情況進(jìn)行模擬，所得結(jié)果如圖8～圖11所示。

圖8 初始狀態(tài)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移（單位：mm）

圖9 浸水狀態(tài)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移（單位：mm）

圖10 初始狀態(tài)圍巖塑性區(qū)

圖11 浸水狀態(tài)圍巖塑性區(qū)

從圖8、圖9中可以看出，軟巖隧道在初始狀態(tài)和浸水狀態(tài)下的初期支護(hù)變形規(guī)律基本相同，均表現(xiàn)出拱頂、仰拱部位豎向沉降相對(duì)較大。初始狀態(tài)下支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移最大值產(chǎn)生在仰拱處，最大值達(dá)到79.5 mm；而在浸水狀態(tài)下，支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移最大值達(dá)到了215.0 mm，增加幅度達(dá)170%。可見(jiàn)，在地下水作用下，軟巖隧道圍巖承載力明顯下降，導(dǎo)致隧道基底承載力不足，仰拱部位產(chǎn)生大變形。

從圖10、圖11中可以看出，軟巖隧道圍巖在初始狀態(tài)和浸水狀態(tài)下的塑性區(qū)分布情況基本相同，隧道仰拱及邊墻部位圍巖塑性區(qū)分布明顯大于其他部位；但浸水狀態(tài)下的圍巖塑性區(qū)范圍分布較初始狀態(tài)的明顯較廣，尤其在仰拱部位，其分布范圍為初始狀態(tài)的2～3倍。此原因在于，地下水下滲后，迅速匯集到軟巖隧道兩側(cè)邊墻及仰拱處，引起該部位的圍巖承載力迅速下降，進(jìn)而增加了圍巖塑性區(qū)的分布范圍，對(duì)隧道的整體穩(wěn)定性極為不利。

5 結(jié)論

本文依托某軟巖隧道為工程實(shí)例，總結(jié)分析了其地質(zhì)災(zāi)害的基本特性，并利用室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬手段分析了軟巖隧道圍巖的抗壓強(qiáng)度變化情況及施工力學(xué)特性，從而全面揭示了軟巖隧道地質(zhì)災(zāi)害的形成機(jī)理，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

a）通過(guò)圍巖單軸抗壓性能試驗(yàn)可知，含水量3.4%的圍巖抗壓強(qiáng)度較含水量為1.0%的圍巖抗壓強(qiáng)度降幅為19.5%，地下水對(duì)軟巖隧道圍巖產(chǎn)生了明顯的軟化作用，嚴(yán)重影響其抗壓強(qiáng)度。

b）浸水狀態(tài)下軟巖隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移較初始狀態(tài)下增幅達(dá)到170%，可見(jiàn)地下水使得軟巖隧道承載力下降，導(dǎo)致基底承載力不足。

c）浸水狀態(tài)下軟巖隧道圍巖塑性區(qū)明顯大于初始狀態(tài)，尤其在仰拱部位圍巖塑性區(qū)分布范圍為初始狀態(tài)的2～3倍。地下水的下滲導(dǎo)致邊墻及仰拱處圍巖承載力降低，對(duì)隧道整體穩(wěn)定性極為不利。