弱節理小凈距隧道合理凈距及圍巖穩定性研究

孫 闖，敖云鶴，張家鳴

(遼寧工程技術大學 土木工程學院，遼寧 阜新 123000)

0 引言

我國公路隧道建設迅速發展，小凈距公路隧道因經濟、社會和環境效益顯著，逐漸成為山區狹窄地形條件下修建隧道的主要結構形式之一。在弱節理復雜地質條件下對小凈距隧道進行設計、施工及安全穩定性研究，具有十分重要的現實意義[1-2]。

在弱節理小凈距隧道研究中，關鍵科學問題是合理確定弱節理圍巖的力學參數，提出準確的計算分析方法并采取可行的支護和加固措施。針對以上問題，國內外學者已經開展了系列研究。孫闖等[3]采用超前地質預報和圍巖評級系統相結合的方法，合理確定了隧道節理巖體的GSI并獲得符合工程實際的圍巖力學參數；在數值計算方面，王康[4]修正了已有的摩爾-庫倫屈服接近度，并基于彈塑性有限差分數值模擬，對不同圍巖等級的隧道給出了合理的施工方案建議；O.Jenck[5]等采用數值分析方法分析了淺埋小凈距隧道開挖過程中對既有線襯砌結構的變形和內力的影響。在中夾巖柱研究方面，周佳媚等[6]采用三維數值模擬的手段，得出小凈距隧道中夾巖柱應力狀態與其凈距的關系；應國剛[7]等通過預留支護界面上的正應力和剪應力分布表達式，計算中夾巖柱的平均應力和附加彎矩從而得到其應力分布規律。目前，在小凈距隧道相關研究方面已經獲得了一定的成果，但在弱節理小凈距隧道合理凈距及圍巖穩定性方面仍待深入研究。

本研究在前人的基礎上，以大荒溝小凈距隧道工程為研究背景，基于量化GSI圍巖評級系統，確定圍巖力學參數，基于Hoek-Brown強度準則的應變軟化模型，采用 FLAC3D數值模擬得到不同凈距隧道中夾巖柱塑性區分布，確定最小合理凈距，理論計算合理凈距條件下的圍巖壓力，并進行支護結構設計，對比分析不同開挖方式下小凈距隧道圍巖變形量，確定合理的開挖及支護方案。

1 弱節理隧道圍巖參數及力學模型

1.1 工程概況

大荒溝隧道位于丹東市寬甸縣青山溝鄉彎溝村與本溪市桓仁縣向陽鄉和平村之間，走向南西212°～238°左右。隧道最大埋深330 m，隧道長度1 130 m。通過現場地質勘察及隧道工作面觀察可知，大荒溝隧道小凈距段巖石主要為砂質泥巖，節理裂隙發育，屬于弱節理巖層，巖體整體強度較差，巖層節理分布特征如圖1所示。

圖1 構造破碎帶及節理Fig.1 Structural fracture zone and joint

1.2 量化GSI圍巖評級系統

合理確定弱節理小凈距隧道圍巖的力學參數，在工程設計中起著至關重要的作用。E.Hoek和Brown在大量的工程實踐中發現，對于軟弱、破碎的巖體結構，GSI圍巖評級系統能夠較為理想的反應節理巖體特征。隨著GSI圍巖評級系統的廣泛使用，M.Cai等[8]提出了量化GSI 系統的方法，其中包括結構面條件因子Jc和塊體尺寸Vb，量化的GSI方法可以讓工程師在現場更客觀的對節理巖體參數的進行取值。具體方法如圖2所示。

圖2 量化GSI圍巖評級系統Fig.2 Quantitative GSI surrounding rock rating system

結合現場勘查、工作面觀測結果，估算該區段弱節理圍巖峰值GSI在52～55之間，峰后殘余GSI在31～34之間，如圖3中峰值區域及殘余強度區域所示。現場對隧道內砂質泥巖進行取樣，室內采用朝陽GAW-2000微機控制電液伺服剛性壓力試驗機開展試驗，通過現場取樣獲得隧道工作面砂質泥巖巖樣，實驗獲得砂質泥巖的單軸抗壓強度σci=15 MPa，彈性模量為E=1.1 GPa，泊松比υ=0.3。

1.3 應變軟化力學模型

基于Hoek-Brown(H-B)屈服準則[9]，即：

(1)

式中，σ1，σ3分別為巖體破壞時最大、最小主應力；σci為巖塊單軸抗壓強度；mb，s，a均為常數，其中mb為mi的折算值，s反映巖體破壞程度，其取值范圍在0～1之間。該準則將擾動系數D引入到巖體強度計算當中，各參數可由下式表示：

(2)

若假設H-B常數中的mb，s隨η值線性衰減，則可得到H-B應變軟化模型，其關系式為：

(3)

式中，ωp為峰值參數;ωr為殘余參數；ω可以代替H-B模型中的mb；s常數。

將軟化參數η定義為塑性剪切應變，通過最大主塑性應變和最小主塑性應變的差值獲得，即

(4)

根據現場掌子面節理巖體特征及觀測結果，取GSIp=52，GSIr=32，確定基于量化GSI系統的圍巖力學參數如表1所示。隧道弱節理圍巖的彈性模量根據Hoek提出的方法確定[10]，即

表1 弱節理巖體力學參數Tab.1 Mechanical parameters of weak jointed rock mass

2 弱節理小凈距隧道合理凈距的確定

本研究以FLAC3D有限差分軟件為工具，基于Hoek-Brown強度準則的應變軟化模型，建立三維小凈距隧道數值模型，數值分析小凈距隧道中夾巖柱的塑性區分布特征及塑性區的突變規律，綜合確定隧道合理凈距，計算工況分別取小凈距為0.9B～1.7B等9種，其中B為隧道的跨度。

2.1 弱節理小凈距隧道數值計算模型

大荒溝小凈距隧道建筑限界寬10.25 m，凈高5 m，雙車道隧道。內輪廓采用曲墻三心圓形式，寬10.84 m，高8.9 m。計算模型力學邊界條件采用位移邊界條件，上邊界為自由邊界，左右兩邊邊界采用水平位移+應力約束，更加準確地還原隧道的原巖應力狀態，固定縱向方向的位移，底部邊界為固定邊界，根據公式P=λγh可知，P1=6.8 MPa，P2=3.4 MPa，側壓力系數λ為0.5。

圖3 隧道數值模型及邊界條件Fig.3 Tunnel numerical model and boundary conditions

2.2 數值計算結果分析

本研究以FLAC3D數值模擬軟件計算0.9B～1.7B凈距條件下，雙洞開挖后圍巖塑性區分布情況。對小凈距隧道合理凈距的判定條件，主要包括兩個方面，一是小凈距隧道中夾巖柱不出現塑性區貫通[11-12]，二是塑性區頂部不能出現突變情況，若出現上部塑性區突變則說明中夾巖柱易產生塌方隱患，通過計算獲得不同凈距隧道中夾巖柱的塑性區分布如圖4所示。由數值計算結果可知，當隧道小凈距D取 0.9B～1.1B時，塑性區在中間巖柱位置全部處于貫通狀態，說明在這種條件下不滿足小凈距隧道的施工要求；當隧道小凈距D取 1.2B～1.4B時，隧道中夾巖柱的塑性區并沒有貫通，圍巖具有一定的自穩能力，但是隧道的肩部出現明顯突變現象，說明在這種條件下開挖時，隧道中夾巖柱仍然存在塌方隱患；當D=1.5B時，塑性區頂部突變現象明顯減小，且兩硐室塑性區處于分離狀態，隧道圍巖趨于穩定。根據綜合分析大荒溝隧道地質條件和數值計算結果，將其最小合理凈距取值確定為D=1.5B較為適宜。

圖4 不同凈距隧道中夾巖柱的塑性區分布Fig.4 Distribution of plastic zone of middle rock pillar in tunnels with different clear distances

3 弱節理小凈距隧道支護結構設計

小凈距隧道雙洞內側應力狀態較單洞情況復雜[13-15]，其影響因素不僅包括隧道尺寸和埋深等工程條件，還包括圍巖參數等地質條件，本研究以松散介質平衡理論(普式理論)為基礎，計算深埋隧道開挖后圍巖的垂直壓力及兩側水平壓力[16]。

3.1 小凈距隧道圍巖壓力

(1)垂直壓力

深埋隧道垂直壓力由基本松散壓力q1和附加松散壓力q2組成，可按下式計算：

外側：q外=q1+q2=γ(hq1+hq2)=68.37 kPa,

(6)

內側：q內=q1+q′2=γ(hq1+h′q2)=102.92 kPa,

(7)

式中，q1為小凈距隧道的基本垂直壓力荷載，單側洞室形成的穩定平衡拱下部的土壓力, 假定其為均布荷載；q2為小凈距隧道的附加垂直壓力荷載。左右洞室共同形成的極限平衡拱下部松散土壓力減去基本松散土壓力及中夾巖柱體上部土壓力荷載后的荷載, 假定為梯形分布荷載,如圖5所示。hq1為基本荷載高度；hq2為附加荷載高度；γ為拱頂附近巖體的平均容重。

圖5 小凈距隧道荷載分布計算示意圖Fig.5 Schematic diagram of load distribution calculation of small clear distance tunnel

(2)兩側水平壓力

(8)

(9)

3.2 支護結構設計

(1)錨桿支護設計

系統錨桿長度和間距應根據圍巖的破碎程度、隧道寬度，采用工程類比法確定，經驗公式：

① 錨桿長度：L=1/5Bt～1/3Bt=2.17～3.61，取L=3 m；

② 錨桿間距：P=0.4L～0.7L=1.2～2.1，取P=1.2 m。

式中，L為錨桿長度；Bt隧道開挖寬度，Bt=10.84 m；P為錨桿的設置間距。使用HRB400直徑為25 mm的錨桿，矩形排列縱向間距和排距為1.2 m 和HRB235的鋼墊。根據文獻[17]可知，錨桿所能提供的最大承載力為0.139 MPa。錨桿參數如表2所示。

表2 錨桿參數Tab.2 Parameters of rock bolts

(2)噴射混凝土支護設計

選取C30普通硅酸鹽水泥，支護噴射混凝土厚度為20 cm。根據文獻可知，混凝土所能提供的最大承載為1.071 MPa。混凝土參數如表3所示。

表3 混凝土參數Tab.3 Parameters of concrete

(3)中夾巖柱的支護設計

本隧道凈距為D=16.26 m，根據現場的地質條件選取中夾巖柱加固措施，即使用直徑為25 mm的HRB400預應力錨桿在中夾巖柱區域連接兩個洞室，以達到對中巖墻的加固，選用C30混凝土對上盤巖、下盤巖進行注漿加固。

4 圍巖開挖方案優化及穩定性分析

采用FLAC3D軟件分別對支護條件下大荒溝小凈距隧道采用二臺階法、單側壁導坑法、雙側壁導坑法、CD法、CRD法、環形開挖預留核心土法進行數值模擬，分析不同工況下圍巖拱頂位移及水平位移的分布特征，選擇合理的施工方法，開挖方法如圖6所示。其中二臺階法采用短臺階開挖，臺階步距為0.9B，單側壁導坑法、雙側壁導坑法的開挖步距為0.6B，CD法、CRD法的開挖步距為0.5B，環形開挖預留核心土法的上部開挖步距為0.1B，下部臺階開挖步距為0.4B。

圖6 小凈距隧道不同開挖方法圖Fig.6 Different excavation methods for small clear distance tunnel

從圖7中可以看出不同的開挖方法對小凈距隧道拱頂沉降量有一定的影響，環形開挖預留核心土法對拱頂沉降量控制最為明顯。而隧道左洞、右洞之間的沉降量無較大差別，保持為1 mm左右。

從表4中可以看出，拱頂最終沉降量環形開挖預留核心土法最小，然后分別是雙側壁導坑法、單側壁導坑法、CD法、CRD法、二臺階法。

圖7 不同開挖方法時后方拱頂沉降曲線Fig.7 Settlement curves of rear vault using different excavation methods

圖8為不同工況下中間巖柱水平位移變化曲線(向左為負值，向右為正值)，由文獻[18]中提出的小凈距隧道中間巖柱的分布及加固法可知，中間巖柱的穩定性對小凈距隧道施工起著至關重要的作用，對中間巖柱進行加固可減小隧道圍巖變形，控制圍巖塑性區發展，提高隧道圍巖的穩定性。無論是中間巖柱的左側還是右側，環形開挖預留核心土法施工時中間巖柱的水平位移最小，二臺階法水平位移最大，由此可知在應用環形開挖預留核心土法施工時對隧道圍巖造成的擾動最小。對比巖柱向左和向右移動的水平位移可知，隧道開挖時，中間巖柱向左洞移動趨勢明顯大于右洞，圍巖有先向左洞移動的趨勢。

表4 隧道拱頂最終沉降量(單位：mm)Tab.4 Final settlement of tunnel vault (unit: mm)

圖8 不同工況中間巖柱的水平位移曲線Fig.8 Horizontal displacement curves of middle rock column under different working conditions

5 小凈距隧道施工方案及監測分析

5.1 施工方案的選擇

通過對不同工況的數值模擬分析可知，環形開挖預留核心土法、雙側壁導坑法、CRD法引起的隧道圍巖擾動較小。從整體上來看，環形開挖預留核心土法在控制圍巖變形方面優于后兩者。而環形開挖留有核心土支撐著開挖面，能夠及時進行初期支護，所以開挖面穩定性好，其次核心土和下部開挖是在初期支護保護下進行的，施工安全性好。故選擇環形開挖預留核心土法進行隧道施工。

5.2 現場監測分析

為驗證數值模擬的可靠性，對大荒溝小凈距隧道采用環形開挖預留核心土法施工，采用國產XB338-B型智能數顯滑動式沉降儀對拱頂沉降進行量測，采用激光斷面儀對水平收斂進行量測，觀測點布置如圖9所示。

圖9 隧道現場監測點布置圖Fig.9 Layout of tunnel field monitoring points

圖10 現場監測變形量變化曲線Fig.10 Curves of field monitoring deformation

圖10為DK424+205～+255段拱頂沉降及水平收斂位移隨測點距掌子面距離的變化曲線。從圖10中可以看出，隧道拱頂沉降量在初始階段迅速增大，隨著隧道的掘進，拱頂沉降量逐漸趨于穩定，在距掌子面35 m處趨于穩定，達到8.02 mm，小于數值分析結果。從圖10中還可以看出，水平收斂量隨著隧道掘進逐漸增大，在距掌子面35 m左右趨于穩定，達到3.71 mm。現場監測數據值與數值模擬分析的最終結果基本吻合，從圖中還可以看出，隧道開挖造成的擾動范圍大約為1.5B洞跨。

通過對現場監測結果及數值模擬的分析可知，環形開挖預留核心土法在施工安全方面具有可行性，環形開挖預留核心土法能夠更加有效的控制隧道圍巖的穩定性，結合實際工程，選擇1.5B凈距及環形開挖預留核心土法施工更加合理。

6 結論

(1)采用量化GSI圍巖評級系統，能夠確定合理的節理巖體力學參數，基于Hoek-Brown強度準則的應變軟化模型，采用 FLAC3D數值模擬軟件計算確定最小合理凈距，合理凈距的判定條件為小凈距隧道中夾巖柱不出現塑性區貫通，塑性區頂部不能出現突變情況。

(2)按照規范理論計算圍巖壓力后，進行支護結構設計，采用FLAC3D數值模擬軟件對小凈距隧道不同開挖方式進行計算，確定了環形開挖法為理想的施工方法；得出錨噴支護與中夾巖柱長錨桿共同作用，能夠有效控制小凈距隧道中夾巖柱松動圈的擴展。

(3)通過現場監測驗證了施工方案的合理性，在計算小凈距隧道穩定性方面，未考慮巖體的時效變形特性，可能導致計算結果存在偏差，這方面內容需進一步研究。