深埋碳質(zhì)板巖隧道采用不同開挖方法時圍巖及初期支護變形特征

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(1.中鐵隧道局集團有限公司 勘察設(shè)計研究院，廣東 廣州 511400； 2中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

近年來，我國不斷加大基礎(chǔ)設(shè)施投資建設(shè)力度，使得我國鐵路、公路、地鐵隧道工程的建設(shè)規(guī)模不斷擴大，隧道工程的施工技術(shù)和機械化均得到了迅猛提高。目前，我國的鐵路、公路隧道逐漸向中西部、深埋和長大方向發(fā)展。對于深埋碳質(zhì)板巖隧道來說，一方面圍巖較破碎、松散，承載能力較低，另一方面深埋隧道施工過程中應(yīng)力較大，隧道開挖后圍巖變形明顯且受力不斷變化[1-3]，如木寨嶺隧道累計最大沉降達171cm[4]。宜巴高速峽口隧道在25d內(nèi)洞頂下沉達23cm[5]。因此，研究隧道開挖及初期支護變形特征尤為重要。

不少學(xué)者對板巖隧道變形機理和支護變形特征進行研究。王建軍[6]提出碳質(zhì)板巖隧道開挖后應(yīng)力重分布，變形分為應(yīng)力擴容型和結(jié)構(gòu)變形型2類。王云龍等[7]提出在板梁彎曲變形機制下層狀巖體失穩(wěn)破壞。劉陽等[8]提出了木寨嶺隧道碳質(zhì)板巖段變形是塑性流變、節(jié)理面滑移、壓桿失穩(wěn)和板梁彎曲多因素作用的結(jié)果。李志平等[9]提出了板巖段支護體系的綜合評價指標(biāo)，對不同支護剛度和不同開挖斷面形式下的板巖段隧道支護體系進行了評價。張咪等[10]提出圍巖強度越小，隧道埋深越大，其開挖后的變形量越大。本文采取數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，對高黎貢山隧道1#斜井碳質(zhì)板巖段隧道的開挖、變形進行研究，通過分析拱頂沉降、水平收斂、圍巖壓力和鋼拱架應(yīng)力的變化探討隧道開挖變形規(guī)律，為工程施工提供指導(dǎo)。

1 工程概況

高黎貢山隧道1#斜井施工起訖里程為XJ1ZK0+000—XJ1ZK3+646。里程XJ1ZK2+855附近為碳質(zhì)板巖段，埋深600 m。隧道采用多功能作業(yè)臺架全斷面開挖，高度7.5 m，跨度8.6 m，斷面54.3 m2。隧道采用直徑22 mm，長度3.5 m的砂漿錨桿，全環(huán)I20工字鋼，25 cm厚的C25混凝土初期支護。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

圖1 二維平面應(yīng)變彈塑性計算模型

鋼拱架的作用采用等效方法予以考慮[11-12]，隧道圍巖及支護材料參數(shù)見表1。

表1 隧道圍巖及支護材料參數(shù)

2.2 工況的設(shè)置

工況1：隧道先含仰拱全斷面開挖，然后打錨桿，立鋼拱架，噴混凝土。

工況2：隧道先不含仰拱全斷面開挖，然后上部打錨桿，立鋼拱架，噴混凝土；之后開挖仰拱，下部立鋼拱架，噴混凝土。

2.3 模擬結(jié)果與分析

圖2為工況1和工況2圍巖變形和應(yīng)力分布云圖。可知：工況1的圍巖拱頂沉降、水平收斂、最大有效塑性應(yīng)變和最大剪應(yīng)力分布規(guī)律和工況2基本一致，最大有效塑性應(yīng)變出現(xiàn)在左側(cè)仰拱靠近拱腳處，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳。

圖2 工況1和工況2變形和應(yīng)力分布云圖

從拱頂沉降最大值來看，工況1為45.1 mm，工況2為44.8 mm，二者差值僅為0.3 mm，相差0.67%。從水平收斂最大值來看，工況1為53.0 mm，工況2為56.7 mm，二者差值為3.7 mm，相差6.98%。從塑性應(yīng)變最大值來看，工況1為1.79%，工況2為7.99%，工況2比工況1大346%。從最大剪應(yīng)力最大值來看，工況1為19.53 MPa，工況2為22.25 MPa，二者差值為2.72 MPa，相差13.93%。綜合考慮4項指標(biāo)，含仰拱全斷面開挖在控制圍巖變形和剪切破壞方面更有優(yōu)勢。

3 現(xiàn)場監(jiān)測

3.1 監(jiān)測點的布置

現(xiàn)場采用含仰拱全斷面開挖法施工。為了解深埋碳質(zhì)板巖隧道初期支護變形特征，在里程XJ1ZK2+855處布置監(jiān)測斷面，進行圍巖壓力、鋼拱架應(yīng)力、拱頂沉降和水平收斂監(jiān)測。根據(jù)隧道開挖揭示，監(jiān)測斷面XJ1ZK2+855處圍巖巖性為碳質(zhì)板巖，巖體較破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育，方解石充填，地下水不發(fā)育，局部滲水。在拱頂、左拱腰、右拱腰、左拱腳、右拱腳5個特征點布置了JTM-V2000C型振弦式土壓力盒和CL-XZ-B鋼筋應(yīng)變計。鋼筋應(yīng)變計在全環(huán)鋼拱架拼裝完成之后焊接，焊接在鋼拱架的上下翼緣。土壓力盒在圍巖爆破出砟立拱后埋設(shè)，壓力盒與圍巖緊密接觸。

3.2 結(jié)果分析

1)圍巖壓力

圖3 圍巖壓力分布(單位:MPa)

圍巖壓力分布見圖3，壓為正。可知：圍巖壓力并不是均勻分布在支護結(jié)構(gòu)上，由于各種因素的影響支護結(jié)構(gòu)不同部位圍巖壓力相差較大，表現(xiàn)出明顯的不對稱性，甚至出現(xiàn)了圍巖壓力集中。最大圍巖壓力出現(xiàn)在拱頂處，其值為3.422 MPa，說明在構(gòu)造應(yīng)力作用下豎直方向的力占據(jù)主導(dǎo)地位。最小圍巖壓力為0.133 MPa，出現(xiàn)在右拱腳處。除去拱頂圍巖壓力，監(jiān)測斷面上右拱腰、左拱腳圍巖壓力較大，其值分別為2.606，1.503 MPa，出現(xiàn)右上左下的偏壓現(xiàn)象。

圍巖壓力隨監(jiān)測時間變化曲線見圖4。

圖4 圍巖壓力隨監(jiān)測時間變化曲線

從圖4可知，隨著監(jiān)測的進行圍巖壓力分為急劇增長、增速變緩和趨于穩(wěn)定3個階段。急劇增長階段最大圍巖壓力占整體最大圍巖壓力的70%～85%。拱頂圍巖壓力在監(jiān)測前6 d增長速度非常快，達到拱頂圍巖壓力最大值的82.23%，在第12 d達到最大值。從第15 d開始，拱頂圍巖壓力逐漸減小。拱頂圍巖壓力一直比右拱腰和左拱腳大，在第14 d左右右拱腰和左拱腳圍巖壓力達到最大值。監(jiān)測斷面內(nèi)豎向力占據(jù)主導(dǎo)地位，存在右上左下的偏壓現(xiàn)象。

2)鋼拱架應(yīng)力

在二次襯砌施作前，由鋼拱架和初支混凝土共同承擔(dān)圍巖壓力。鋼拱架應(yīng)力分布見圖5，壓為正。

圖5 鋼拱架應(yīng)力分布(單位:MPa)

由圖5可知：鋼拱架應(yīng)力也不是均勻分布在拱架上，鋼拱架應(yīng)力分布和圍巖壓力分布規(guī)律基本一致，表現(xiàn)出明顯的不對稱性。鋼拱架監(jiān)測點均受壓。拱頂鋼拱架應(yīng)力最大，其值為183.353 MPa。右拱腰、左拱腳鋼拱架應(yīng)力較大，其值分別為170.390，163.294 MPa，出現(xiàn)右上左下的偏壓現(xiàn)象。

鋼拱架應(yīng)力隨監(jiān)測時間變化曲線見圖6。

圖6 鋼拱架應(yīng)力隨監(jiān)測時間變化曲線

從圖6可知：隨著監(jiān)測的進行，鋼拱架應(yīng)力分為急劇增長、增速變緩和趨于穩(wěn)定3個階段。急劇增長階段最大拱架應(yīng)力占整體最大拱架應(yīng)力的60%～85%。拱頂測點在測試過程中發(fā)生破壞，最終值為第16 d的183.305 MPa，前7 d鋼拱架應(yīng)力急劇增長，達到拱頂最大拱架應(yīng)力的83.01%。

3)圍巖變形

對拱頂沉降和水平收斂進行監(jiān)測。圍巖累計變形隨監(jiān)測時間變化曲線見圖7。

圖7 圍巖累計變形隨監(jiān)測時間變化曲線

從圖7可知：拱頂沉降最大值為50.8 mm，水平收斂最大值為64.8 mm，與數(shù)值模擬計算的工況1拱頂沉降最大值45.1 mm和水平收斂最大值53.0 mm相比，分別增大了12.63%和22.26%。考慮有以下2個原因：①巖體破碎，有少量滲水，使得巖體更加松軟。②各鎖腳錨管和系統(tǒng)錨桿打設(shè)不及時。

拱頂沉降和水平收斂整體上先急劇增大，然后增速變緩，變形至最大值，之后稍有回彈，變形趨于穩(wěn)定。拱頂沉降在第23 d達到最大值，水平收斂在第22 d 達到最大值。拱頂沉降小于水平收斂，表明圍巖在水平方向上承受更大的荷載，與現(xiàn)場測試中應(yīng)力較大值出現(xiàn)在右拱腰和左拱腳的情況相對應(yīng)。

4 結(jié)論

1)深埋碳質(zhì)板巖隧道含仰拱全斷面開挖比不含仰拱全斷面開挖在控制圍巖變形和剪切破壞方面有一定優(yōu)勢。

2)圍巖壓力和鋼拱架應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，表現(xiàn)出明顯的不對稱性，圍巖壓力和鋼拱架應(yīng)力的較大值均出現(xiàn)在右拱腰和左拱腳，出現(xiàn)右上左下偏壓現(xiàn)象。

3)圍巖壓力和鋼拱架應(yīng)力時程曲線均先急劇增長、而后增速變緩，最后趨于穩(wěn)定。圍巖壓力和鋼拱架應(yīng)力急劇增長階段的最大值分別占到整體最大值的70%～85%和60%～85%。