淺埋隧道穿越軟弱破碎圍巖變形控制研究

摘要：淺埋隧道穿越軟弱破碎圍巖時，施工風險極高。軟弱破碎巖體物理力學指標降低，自穩(wěn)能力差，隧道可能會產生較大的變形，甚至塌方。如果不能采取有效的處理措施，將會延長施工工期，甚至會造成安全事故，大大的增加施工成本。文章結合實際淺埋隧道工程，在隧道穿越軟弱破碎，采取了有效的控制措施，并結合數(shù)值分析模擬計算了圍巖的變形量，保證了隧道施工的安全，為類似工程提供指導和借鑒。

Abstract： When the shallow tunnel passes through the soft and broken surrounding rock， the construction risk is very high. The physical and mechanical indexes of weak and broken rock mass are reduced， the self stability is poor， and the tunnel may produce large deformation or even collapse. If effective treatment measures are not taken， the construction period will be prolonged， even safety accidents will be caused， and the construction cost will be greatly increased. Combined with the actual shallow tunnel project， the paper takes effective control measures when the tunnel passes through the soft fracture， and calculates the deformation of surrounding rock by numerical analysis and simulation， which ensures the safety of tunnel construction and provides guidance and reference for similar projects.

關鍵詞：淺埋隧道;軟弱破碎圍巖;數(shù)值模擬

Key words： shallow tunnel;weak and broken surrounding rock;numerical simulation

中圖分類號：U 451.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）22-0123-03

0? 引言

當巖體因地殼運動產生斷層、褶皺、節(jié)理時，巖體的完整性就會受到破壞，抗剪強度會大幅度降低，承載能力會大大的下降，此時圍巖的自穩(wěn)能力較差，對工程會產生一定的危害[1]。

軟弱破碎圍巖降低了巖體的完整性及整體穩(wěn)定性，隧道開挖后圍巖的自穩(wěn)能力降低，易產生較大的變形，甚至掉塊。斷裂帶巖體破碎，上下盤巖體物理性能也可能存在較大的差異，隧道開挖后可能會產生不均勻沉降。軟弱破碎巖體，圍巖松散，密實度低，容易形成地下水的流經通道，隧道施工中，當?shù)叵滤^豐富時，容易產生涌水問題[2-3]。

軟弱破碎巖體的各種力學指標下降，給隧道施工帶來極高的風險，如果不能采取有效的處理措施，將會延長施工工期，甚至會造成安全事故，大大的增加施工成本。因此當淺埋隧道穿越軟弱破碎圍巖時，研究如何能夠控制圍巖變形使隧道安全施工是非常具有工程價值。

1? 軟弱破碎圍巖處置原則

1.1 總體思路

施工中要遵循加強超前地質預報、做好超前預支護、分部開挖、快速封閉的原則[4]。①做好超前地質預報工作是隧道安全施工的基本保障，隨時掌握掌子面前方圍巖的特征。②根據(jù)預報結果，在軟弱破碎圍巖段采取全斷面或局部注漿、小導管或中管棚超前支護。③隧道開挖方采取分部開挖，減少對圍巖的擾動。④開挖后，快速施作初期支護封閉，使圍巖處于三向受力狀態(tài)，增加圍巖的穩(wěn)定性。

1.2 具體施工措施

1.2.1 開挖方法

軟弱破碎圍巖自穩(wěn)能力差，圍巖會產生較大變形，當?shù)叵滤S富時易產生涌水突泥，施工風險極高。采取帷幕注漿進行超前加固堵水，開挖前采用小導管或中管棚進行超前支護。開挖方法選取兩臺階預留核心土、雙側壁導坑法、CRD法或CD法，光面爆破開挖。

1.2.2 初期支護

隧道開挖后，應力發(fā)生重新分布，圍巖產生變形，同時在爆破荷載的作用下會加速圍巖的變形，因此需要盡快施作初期支護，初期支護應滿足以下特點[5]。①初支緊跟開挖部，及時封閉。②初支應有良好的伸縮性，適應圍巖的收斂變形。③初支應有足夠的強度，滿足承載力的需求。④經濟合理，施作方便。

2? 工程實例

2.1 工程概況

毛栗隧道位于安順市西秀區(qū)揚武鄉(xiāng)杉木村毛栗組與沙地組之間，設計為分離式隧道起訖樁號左線長428m;右線長422m。線路大致沿東西方向橫穿山脊;進洞口設計標高為1247m，出洞口設計標高為1251m;隧道最大埋埋深約68m，屬淺埋短隧道。工程區(qū)域屬構造剝蝕、溶蝕低中山地貌，地面高程1230～1333m，相對高差約103m，自然坡度一般25°～60°，大多陡峭，局部形成陡崖，出口處存在危巖體。山體上覆土層很薄，地表植被較發(fā)育，主要為雜草灌木，隧道山體東側1.2km有村莊，有鄉(xiāng)村小路與村屋相連，隧道施工的交通條件較為不便。隧道左線V級圍巖長度共55m，IV級圍巖280m，III級圍巖長度93m，隧道右線V級圍巖長度共55m，IV級圍巖279m，III級圍巖長度88m。其中V級圍巖段落為淺埋段，圍巖軟弱破碎，自穩(wěn)能力差，施工風險較高。Ⅴ級圍巖段落隧道初期支護參數(shù)見表1所示。

2.2 數(shù)值分析

2.2.1 建立模型

采用FLAC3D數(shù)值分析軟件進行三維建模分析，假定圍巖為各項同向材料，巖體分布比較均勻，本構模型為Mohr-Coulomb，同時忽略地下水對圍巖的影響[6-7]。

隧道模型高11.8m，寬12.9m。整體模型大小，隧道洞跨方向模型長90m，隧道頂部向上取50m，隧道底部向下取50m，隧道縱向取60m。模型的上邊界為自由邊界，左右邊界約束水平方向位移，下邊界約束豎直方向位移。圍巖級別為Ⅴ級，采用上下臺階預留核心土法開挖，每個循環(huán)進尺為0.6m，上下臺階間隔12m 。三維模型圖如圖1～圖2所示。

2.2.2 計算參數(shù)選取

本模型圍巖采用Mohr-Coulomb本構模型進行模擬，參數(shù)E、μ、C、？漬、γ見表2所示。

在FLAC3D數(shù)值計算中所需參數(shù)分別是體積模量K和剪切模量G，根據(jù)以下公式進行參數(shù)換算可以得到體積模量和剪切模量[8-9]。

混凝土的計算參數(shù)做以下處理。Ⅴ級圍巖考慮鋼拱架的作用，在先提高一級混凝土強度到C30，然后再按等效法，將鋼架的彈性模量折算給噴混凝土，具體計算公式為：

式中：E——折算后混凝土的彈性模量;E0——原混凝土的彈性模量;Sg——鋼拱架截面面積;Eg——鋼材的彈性模量;Sc——混凝土的截面面積。

2.2.3 變形計算分析

隧道開挖后，圍巖的變形大小見圖3～圖4所示。

由圖3～圖4分析，得出隧道開挖后，水平位移最大收斂變形量10.1mm，拱頂沉量為11.6mm。根據(jù)《鐵路隧道監(jiān)控量測技術規(guī)程Q/CR9218-2015》，跨度7m

2.3 現(xiàn)場監(jiān)控量測

選取V級圍巖某一斷面進行監(jiān)測圍巖的變形，測點布置見圖5所示，圍巖變形數(shù)據(jù)見表4所示。

對上述監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行分析，分析結果見圖6～圖8所示。

由圖6～圖8可以得出，隧道開挖14d左右時，圍巖累計變形已經達到了總變形量的90%以上，變形速率小于0.2mm/d，圍巖變形穩(wěn)定，隧道施工處于安全狀態(tài)。

3? 結束語

淺埋隧道穿軟弱破碎圍巖時，風險極高，必須要采取相應的技術，確保隧道安全施工。文章對毛栗淺埋隧道Ⅴ級圍巖段落進行了數(shù)值模擬分析，隧道拱的沉降和周邊收斂均在規(guī)范要求的范圍內。通過對現(xiàn)場監(jiān)控量數(shù)據(jù)進行分析，在隧道開挖14d左右后，圍巖變形速率小于0.2mm/d，變形趨于穩(wěn)定，隧道施工處于安全狀態(tài)。

參考文獻：

[1]王曉.斷層破碎帶地段隧道穩(wěn)定性分析與施工參數(shù)優(yōu)化研究[D].北京：北京交通大學，2017.

[2]周凱.斷層帶深埋隧道圍巖穩(wěn)定性影響因素分析及施工方案優(yōu)化[D].長沙：長沙理工大學，2016.

[3]張東明.山區(qū)隧道施工中塌方處治的分析與研究[D].上海：華中科技大學，2011.

作者簡介：黃武林（1982-），男，貴州甕安人，本科，工程師，主要從事隧道施工與管理工作。