考慮施工步影響的層狀圍巖隧道力學響應特性研究*

王 慶 楊永斌 焦衛(wèi)寧 高偉政 薛文飛

(中交第二公路工程局有限公司 西安 710065)

層狀圍巖極大影響隧道現(xiàn)場施工人員與支護結構安全。關于層狀軟巖隧道支護結構的力學響應機理及支護措施已成為當下相關學者研究的熱點課題。文獻[1-2]通過現(xiàn)場測試及數(shù)值模擬研究了層狀圍巖下共和隧道結構穩(wěn)定性。文獻[3]采用數(shù)值模擬方法分析層狀非均質(zhì)巖體下隧道結構力學響應情況。文獻[4]依托數(shù)值模擬探究錨桿非對稱支護措施對層狀圍巖隧道結構的有利影響。文獻[5]采用數(shù)值模擬方法研究錨桿注漿加固方案對層狀圍巖下折多山隧道結構的有效影響。文獻[6]依托某高速公路隧道建立了層狀圍巖隧道頂板力學模型。文獻[7]以鷓鴣山隧道為依托，采用數(shù)值模擬方法研究層狀圍巖隧道在連續(xù)-離散耦合效應下力學響應。文獻[8]依托數(shù)值模擬方法研究深埋層狀圍巖的巖爆安全控制技術。文獻[9-10]采用數(shù)值模擬研究水平層狀圍巖的變形機理與支護時機效應。

本研究擬以層狀軟巖隧道施工為切入點，進行以下研究：①構建H隧道三維計算模型，研究各施工步下支護結構力學響應；②考慮不同圍巖級別、地應力強度、側壓力系數(shù)、層間摩阻對支護結構受力影響；③計算加強型、雙層初期支護方案對層狀軟巖隧道施工的影響。

1 依托工程概況

以彭水縣共和鄉(xiāng)H隧道為依托，隧址區(qū)位于大婁山脈西北側，隧道行進方向左側靠山，右臨烏江。隧道全長4 779 m，最大埋深1 000 m，為單向雙洞特長隧道，雙洞間距20～23 m。隧址區(qū)穿越地層為志留系上統(tǒng)羅惹坪組砂質(zhì)頁巖、局部夾粉砂巖。圍巖呈泥質(zhì)結構，層理較發(fā)育，巖層為單斜構造，產(chǎn)狀為300°～325°∠24°～52°。巖體裂隙面平直光滑，且多呈閉合狀，鈣薄膜充填或無充填，層厚0.3～1.1 m，中厚～厚層構造，圍巖級別為V級。基巖大部分呈裸露狀態(tài)，地表沖、切溝發(fā)育。山體自然坡度為25°～45°，無大型地質(zhì)構造。

2 建立三維計算模型

參數(shù)選取與模型建立具體如下。

1) 錨桿設置。已有研究表明：錨桿對圍巖內(nèi)摩擦角影響較小，錨固體黏聚力可根據(jù)Dulacska公式進行計算，計算方法見式(1)。

(1)

式中：d0為錨桿直徑，取24 mm；σs為錨桿抗拉強度，Pa；sa、sc為錨桿軸、環(huán)向間距，均取1 m。

2) 拱架設置。Eg為型鋼彈性模量，取210 GPa；E0為素混凝土彈性模量，GPa，Ag、Ac分別為鋼筋與混凝土的截面積，m2，則初期支護混凝土等效彈性模量E為

(2)

3) 層理面設置。層理面法、切向剛度kjn、kjs，是層狀圍巖重要力學參數(shù)，kjn、kjs計算公式[5]為

(3)

(4)

式中：Em、Er為巖體、巖塊彈性模量，Pa；Gm、Gr為巖體、巖塊剪切模量，Pa；s為節(jié)理間距，m。

剪切模量G與彈性模量E滿足如式(5)的關系

(5)

巖體層理面采用TARGET170-CONTACT174接觸對。根據(jù)現(xiàn)場施工情況及已有文獻，圍巖層厚考慮取0.6 m，傾角為45°。巖體層理面法、切向剛度分別取1.12，0.35 GPa/m，容許穿透系數(shù)取0.1，容許彈性滑動取0.1。

4) 幾何模型及參數(shù)設置。模型上、下覆土層厚度分別取隧道凈高5、3倍，左、右側土體厚度分別為隧道凈寬4倍。模型縱向長度50 m，對模型底面各節(jié)點進行UX、UY、UZ3個方向全約束，模型上表面為自由端面，結構采用SOLID185單元(便于通過INISTATE命令添加初始地應力)。無、有層狀圍巖分別采用MAPPED、FREE命令進行網(wǎng)格劃分，對隧道結構、層狀圍巖區(qū)域進行網(wǎng)格加密。Drucker-Prager準則屬廣義Mises準則，屈服面見圖1，采用D-P準則模擬圍巖體材料。計算模型見圖1。

圖1 三維數(shù)值計算模型

5) 施工步及監(jiān)測點設置。每循環(huán)施工進尺布設兩榀拱架，相鄰兩榀拱架間距取0.8 m。圍巖等級為V級，施工安全步距小于70 m。按上下臺階法考慮每循環(huán)開挖過程施工步：上臺階開挖(S1)-上臺階支護(S2)-下臺階開挖(S3)-下臺階支護(S4)-仰拱開挖(S5)-仰拱支護(S6)，計算過程取6個開挖循環(huán)(S1-1)～(S6-6)，共36項施工步。應力與位移監(jiān)測點位于第1環(huán)支護結構內(nèi)側拱頂、左(右)拱肩位置。

3 數(shù)值計算與現(xiàn)場監(jiān)測結果分析

3.1 數(shù)值計算結果分析

3.1.1圍巖強度敏感性

分別從圍巖級別、地應力大小、側壓力系數(shù)、層間摩擦系數(shù)四方面著手[6]，探究圍巖力學特性及施工步對層狀圍巖隧道支護結構的影響。

參考《公路隧道設計規(guī)范》，按表1取圍巖計算參數(shù)和初期支護參數(shù)。

表1 圍巖計算參數(shù)

對層狀軟巖隧道S1-1～S6-6施工步進行模擬計算。圖2～3為層狀圍巖條件下，第六環(huán)施工步初期支護應力云圖。可見在S6-1～S6-6施工過程中，左側拱肩、右側邊墻處均呈應力集中。由此可得，與層理走向呈90°方向拱圈位置往往最易被擠壓破壞。這是由于鋼筋混凝土拱圈具備彈性受力特點，當右側拱腰受到層狀巖體擠壓后，垂直于擠壓方向拱圈會產(chǎn)生較大受拉變形。

圖2 施工步應力云圖(第六環(huán))

圖3 初期支護應力云圖(第六環(huán))

圖4為不同級別圍巖條件下，左拱肩單元應力隨施工步變化曲線。由圖4可見，當圍巖級別由II級變?yōu)閂級時，拱肩單元應力呈逐步上升趨勢，II級～V級圍巖峰值應力分別為1.19，1.34，1.58，1.71 MPa。同等V級圍巖條件，無層狀圍巖拱圈應力峰值為1.19 MPa，前者為后者1.44倍。對某一級別圍巖，拱肩應力會在首環(huán)施工期間產(chǎn)生較大波動，在S2-1施工步達到峰值，此后每循環(huán)第1施工步會出現(xiàn)應力小波峰，各應力峰值會逐步衰減，這是由于上臺階開挖“攔斷”掌子面懸臂支撐作用。可見層狀軟巖對支護結構受力影響較大，需著重注意靠近掌子面2環(huán)支護結構安全性，每循環(huán)第1施工步宜快速施工并及時支護成環(huán)。

圖4 不同級別圍巖左拱肩單元應力

圖5為不同級別圍巖條件下，拱頂沉降值隨施工步變化曲線。

圖5 不同級別圍巖拱頂單元沉降

由圖5可見，圍巖強度越差拱頂沉降越大，II～V級圍巖峰值位移依次為5.41，7.28，8.76，9.93 cm。同等V級圍巖，無層狀圍巖拱頂沉降峰值為1.41 cm，前者為后者7.04倍。對某一等級圍巖，首個循環(huán)拱頂沉降增長迅速，此后以輕微震蕩形式緩慢增長，至第5循環(huán)步達到峰值后保持穩(wěn)定。

3.1.2地應力強度敏感性分析

圖6為0，10，20，30 MPa地應力條件下，左拱肩應力隨施工步變化曲線。可見左拱肩應力隨地應力強度增加而呈逐級增加趨勢，各工況在S2-1時到達峰值，依次為1.57，1.89，2.11，2.53 MPa，為無層狀圍巖拱圈峰值應力(1.19 MPa)的1.32，1.59，1.77，2.13倍。首環(huán)開挖與支護時應力震蕩較明顯。

圖6 不同地應力強度左拱肩單元應力

3.1.3側壓力系數(shù)敏感性分析

圖7為側壓力系數(shù)λ=0.5，1.0，1.5條件下，左拱肩單元應力隨施工步變化曲線。

圖7 不同側壓力系數(shù)左拱肩單元應力

由圖7可見，隨側壓力系數(shù)逐步增加，襯砌左拱肩單元應力亦會隨之增加。首環(huán)施工過程拱肩應力快速上升，S2-1施工步時達到峰值，依次為1.67，2.23，2.52 MPa，此后應力曲線以震蕩形式逐步下降并趨于平穩(wěn)。故上臺階開挖施工會對支護結構受力產(chǎn)生較大影響，施工時宜加強管理。

3.1.4層間摩擦系數(shù)敏感性

圖8為層間摩擦系數(shù)μ=0.25，0.5，0.75工況下，左拱肩單元應力變化曲線。

圖8 不同摩擦系數(shù)左拱肩單元應力

由圖8可見，圍巖層間摩阻系數(shù)會對襯砌結構受力影響產(chǎn)生較大影響。當層間摩阻增加時，圍巖結構整體性會增強，致左側拱肩單元應力逐步下降。首環(huán)施工過程中左拱肩單元應力波動較大，至S2-1施工步時應力達到峰值狀態(tài)，此后應力以震蕩形式逐步降低并趨于平穩(wěn)。

3.2 數(shù)值計算結果驗證

3.2.1施工現(xiàn)場病害定性描述

隧道現(xiàn)場施工過程中，從K40+900樁號開始，初期支護右側拱肩、左側邊墻處出現(xiàn)大范圍的明顯開裂及鋼拱架屈曲病害現(xiàn)象，其現(xiàn)場案例見圖9。上述結果均與本節(jié)定性研究結論一致。

圖9 右拱肩開裂+鋼拱架變形

3.2.2施工現(xiàn)場典型斷面應力、位移監(jiān)測結果

圖10為隧道典型斷面K41+179處的拱頂、右拱肩應力現(xiàn)場監(jiān)測曲線。

圖10 典型斷面右拱肩應力

由圖10可見，由于存在層狀圍巖條件，右側拱肩處應力值達1.91 MPa，高于拱頂應力1.07 MPa，約為拱頂應力1.79倍，并超過C25混凝土極限抗拉強度。前10 d監(jiān)測期間右拱肩應力快速增長，此后應力曲線逐步趨于平穩(wěn)。

圖11為典型斷面K41+480處的實測變形量。

圖11 典型斷面變形量

由圖11可見，前30 d監(jiān)測期間內(nèi)，周邊收斂、拱頂沉降值持續(xù)快速增加，最大變形量分別可達13.4，11.5 cm。可見無論是累計變形量、變形速率、變形時間，均遠超常規(guī)隧道情況與規(guī)范允許最大值。圖10～11測試結果與數(shù)值計算結果相互吻合。

4 加強支護措施效果分析

4.1 加強支護方案與模型建立

依托H隧道工程病害，計算2種加強支護措施效果：①加強型初期支護方案。即通過提升初期支護厚度與強度來增強支護結構受力效果；②雙層初期支護方案。即在原設計斷面基礎上進行擴挖，按臺階法施作第一層襯砌，繼而一次性施作完成二層初期支護結構。

初期支護噴射混凝土(加強型初期支護)厚度為24 cm(30 cm)，型號為C25(C30)，拱架間距為0.8 m(0.6 m)。拱架型號取I20a(I22a)，截面積為35.5 cm2(46.5 cm2)，支護結構參數(shù)見表2，計算模型見圖12。

表2 支護結構參數(shù)

圖12 加強支護措施計算模型

4.2 計算結果分析

圖13為雙層支護措施下第六環(huán)施工步應力云圖。由圖13可見，在各計算施工步下，支護結構右側拱肩及左側邊墻處仍會形成應力集中，但相較而言，此時應力水平整體明顯偏小。S6-7步即第二層支護結構施作完畢后，支護結構應力值大幅減小。

圖13 雙層支護應力云圖(第六環(huán))

圖14為無層狀圍巖、有層狀圍巖、加強型支護、雙層支護方案工況下，右拱肩單元應力變化曲線。

圖14 不同支護方案右拱肩應力對比

由圖14可見，有層狀圍巖計算結果整體大于無層狀圍巖。加強型支護方案計算結果大幅降低，雙層支護方案應力值最低。各工況應力值、應力震蕩幅度均滿足：雙層支護<加強型支護<常規(guī)支護，加強型方案應力曲線變化規(guī)律基本與常規(guī)支護保持一致，其應力曲線震蕩幅度一般，峰值應力由1.93 MPa降至1.61 MPa，降幅16.58%，小于C30混凝土極限抗拉強度值。雙層支護措施的應力值、曲線平穩(wěn)度均屬最優(yōu)，峰值應力降至1.28 MPa，降幅達33.68%，各施工步支護結構所受抗拉強度均滿足C25混凝土極限抗拉強度。

圖15為2種加強支護措施下拱頂沉降值變化曲線。

圖15 不同支護方案拱頂沉降對比

由圖15可見，拱頂沉降峰值、峰值時間整體上均呈現(xiàn)：常規(guī)支護方案>加強型支護>雙層支護，沉降位移峰值分別為9.19，6.24，3.54 cm，加強型、雙層支護措施降幅分別為32.1%、61.48%。可見加強型、雙層支護措施可對層狀圍巖隧道支護結構受力特性起到較好的改善效果，且后者改良效果更為明顯。現(xiàn)場聯(lián)合實施換拱、錨桿注漿、控制初期支護強度、厚度與支護時機等措施，實現(xiàn)了層狀圍巖工區(qū)病害處置及安全順利施工，驗證了本文加強支護措施的有效性及數(shù)值計算結果的可靠性。

5 結論

1) 與層理呈90°方向的支護結構拱圈位置處最易產(chǎn)生擠壓破壞。圍巖強度越差、地應力強度越大、側壓力系數(shù)越大、摩擦系數(shù)越小，支護結構拱頂、拱肩單元應力將會越大。

2) S1-1～S1-6施工步的應力與位移震蕩幅度均較大，并在S2-1時達到峰值。掌子面向前施工推進，監(jiān)測點處應力與位移以震蕩形式逐步下降，每施工循環(huán)第1步形成小波峰現(xiàn)象。

3) 加強型、雙層初期支護方案改良措施的拱肩應力、拱頂沉降均呈現(xiàn)：常規(guī)襯砌>加強型支護>雙層支護。加強型、雙層支護方案下結構應力最大降幅達16.58%、33.68%。數(shù)值計算與現(xiàn)場監(jiān)測結果吻合度較好。