考慮拱部效應(yīng)的軟弱圍巖隧道掌子面穩(wěn)定性控制研究

張維明

(中鐵十六局集團(tuán)第一工程有限公司 北京 101300)

1 引言

隨著我國(guó)公路及鐵路交通工程迅猛發(fā)展，在大斷面隧道建設(shè)過(guò)程中常遇軟弱圍巖條件，圍巖變形較大，掌子面剝落破壞現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，給隧道工作面的開挖帶來(lái)安全隱患[1－3]。因此，深入研究大斷面隧道掌子面空間變形特性，提出軟弱圍巖及掌子面超前支護(hù)的有效控制方法，對(duì)豐富隧道工程理論及推動(dòng)大斷面山嶺隧道建設(shè)具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外眾多專家學(xué)者對(duì)隧道破碎軟弱圍巖大變形問題展開了探討，在軟巖隧道變形機(jī)理研究方面，孫鈞等[4]闡述了軟弱圍巖擠壓型大變形非線性流變問題的研究方法；聶利超[5]分析了不同開挖方法下圍巖變形特性；Laurits[6]研究軟黏土在應(yīng)力－滲流－溫度耦合作用下的應(yīng)變軟化特性，構(gòu)建了多場(chǎng)耦合下的應(yīng)變軟化模型；Sterpi等[7]以收斂約束法為基礎(chǔ)，提出“結(jié)構(gòu)軟化”及“材料軟化”模型分析方法；Callari[8]對(duì)隧道應(yīng)變軟化現(xiàn)象展開研究。在不良地質(zhì)隧道穩(wěn)定性控制研究方面，于天賜[9]以成蘭鐵路為工程背景，分析了隧道圍巖大變形破壞原因；關(guān)寶樹[10]對(duì)大量工程案例進(jìn)行了研究，總結(jié)了預(yù)控位移、加強(qiáng)初支、防控沉降的圍巖控制方法；董新平等[11－12]對(duì)軟弱圍巖超前加固方法中的超前管棚法進(jìn)行研究。綜上所述，局部取樣分析巖石性質(zhì)不能完全體現(xiàn)隧道圍巖變形特性，還需考慮隧道宏觀結(jié)構(gòu)；圍巖控制研究多以二維斷面為主，需進(jìn)一步開展掌子面預(yù)收斂變形研究工作。

本文以天庒高速清泉隧道為工程背景，基于新意法及非完全拱理論分析大斷面隧道軟弱圍巖空間變形機(jī)理及影響范圍，利用有限差分方法構(gòu)建三維隧道模型，對(duì)多種工況進(jìn)行模擬分析，研究不同加固方法對(duì)圍巖空間變形的控制效果，根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求的控制方案，通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證支護(hù)方案的可靠性。

2 不完全拱效應(yīng)的隧道圍巖變形特性

2.1 新意法基本原理

“新意法”是意大利學(xué)者Lunardi教授及其團(tuán)隊(duì)以新奧法及大量工程應(yīng)用為基礎(chǔ)，在不斷實(shí)踐中探索出來(lái)的隧道圍巖穩(wěn)定性控制方法。“新意法”全稱為“新意大利隧道施工法”(New Italian Tunnelling Method)，其不僅注重隧道臨空面圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)作用關(guān)系，還考慮到了掌子面與待成拱圍巖之間的受力變形特點(diǎn)，從三維空間角度詮釋了施工過(guò)程中圍巖變形規(guī)律[13]，新意法基本原理如圖1所示。

圖1 新意法隧道圍巖變形特征

新意法可分為三部分，一是“超前核心土”，超前核心土是隧道工作面前方一定范圍內(nèi)的待開挖土體，深度約為隧道最大跨度；二是“掌子面擠出變形”，隧道在開挖時(shí)由于應(yīng)力重新分布，待成拱圍巖擠壓超前核心土，使掌子面凸出，最終呈現(xiàn)為螺旋狀；三是“預(yù)收斂變形”，由于應(yīng)力重分布導(dǎo)致待成拱圍巖向隧道輪廓線內(nèi)收斂。通過(guò)將隧道掌子面的破壞特征進(jìn)行總結(jié)和統(tǒng)計(jì)，其破壞形式主要分為掌子面坍塌、掌子面巖塊脫落以及掌子面圍巖剝落。隧道掌子面的破壞特征如圖2所示。

圖2 隧道掌子面破壞形式

2.2 隧道圍巖拱部效應(yīng)

隧道工程從開挖到貫通是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，也是一個(gè)圍巖應(yīng)力不斷調(diào)整的過(guò)程，當(dāng)隧道輪廓線內(nèi)的巖體被挖移后，輪廓線外圍巖就會(huì)在原巖應(yīng)力作用下向自由面擠壓產(chǎn)生收斂變形。當(dāng)工程地質(zhì)條件較好時(shí)，隧道圍巖可通過(guò)自身強(qiáng)度及應(yīng)力調(diào)整達(dá)到新的平衡，但在施工過(guò)程中，多遇軟弱破碎圍巖條件，圍巖難以自穩(wěn)，則需施作支護(hù)結(jié)構(gòu)控制圍巖變形，所以正確認(rèn)識(shí)圍巖壓力分布規(guī)律成為處理圍巖－支護(hù)相互作用關(guān)系的關(guān)鍵。

隧道開挖后圍巖壓力通過(guò)調(diào)整形成類似水流通過(guò)橋墩的應(yīng)力狀態(tài)，即隧道輪廓線外形成應(yīng)力增大區(qū)，這種效應(yīng)稱之為拱效應(yīng)，如圖3所示。當(dāng)圍巖自承能力較強(qiáng)，斷面開挖后圍巖處于彈性狀態(tài)，那么拱部效應(yīng)貼近輪廓線，稱為“自然拱部效應(yīng)”；若斷面開挖后圍巖處于彈塑性狀態(tài)，輪廓線周圍將產(chǎn)生塑性區(qū)，拱部效應(yīng)則會(huì)向圍巖深部轉(zhuǎn)移而偏離輪廓線，稱為“轉(zhuǎn)移拱部效應(yīng)”；由于圍巖松散破碎，隧道掌子面出現(xiàn)滑移，此狀態(tài)的拱部效應(yīng)則很難形成，這種情況則稱為“無(wú)拱部效應(yīng)”。在軟弱圍巖隧道施工過(guò)程中，圍巖多為無(wú)拱效應(yīng)，根據(jù)新意法理論，為保障隧道掌子面能夠安全掘進(jìn)，應(yīng)在掌子面前采取預(yù)加固或預(yù)支護(hù)措施來(lái)增強(qiáng)掌子面－超前核心土體系的強(qiáng)度，促使拱效應(yīng)在輪廓線附近形成。

圖3 拱部效應(yīng)示意

3 清泉隧道圍巖力學(xué)特性

3.1 工程概況

清泉隧道位于甘肅省天水市清水縣紅堡鎮(zhèn)清泉村境內(nèi)，穿行于牛頭河左岸山體，為雙洞短隧道。隧道左線進(jìn)口樁號(hào)ZK134＋993，出口樁號(hào)ZK135＋283，隧道長(zhǎng)690 m。右線進(jìn)口樁號(hào)YK135＋002.7，出口樁號(hào)YK135＋270，隧道長(zhǎng)267.3 m。隧道最大埋深190 m。隧道進(jìn)口處表層為花崗巖及砂巖，大部分基巖裸露并且風(fēng)化嚴(yán)重，節(jié)理發(fā)育并且?guī)r層間軟弱夾層較多，洞口段地形條件較差，隧道中段巖體破碎，為較軟巖，自穩(wěn)能力差，對(duì)圍巖穩(wěn)定不利。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察調(diào)研發(fā)現(xiàn)，清泉隧道右洞掌子面在施工過(guò)程中出現(xiàn)較大擠出變形，由于未采取及時(shí)控制措施，導(dǎo)致掌子面發(fā)生局部剝落和坍塌失穩(wěn)。綜合考慮多方面因素，清泉隧道掌子面失穩(wěn)原因可總結(jié)為以下幾個(gè)方面:

(1)隧道地質(zhì)條件較差，圍巖節(jié)理發(fā)育、風(fēng)化嚴(yán)重和地應(yīng)力較大等因素是致使掌子面失穩(wěn)的根本原因。

(2)隧道圍巖自穩(wěn)能力差，斷面開挖后圍巖處于無(wú)拱效應(yīng)狀態(tài)，圍巖產(chǎn)生滑移破壞，導(dǎo)致掌子面發(fā)生坍塌。

(3)施工過(guò)程中重點(diǎn)考慮了隧道的徑向支護(hù)，忽略了沿隧道軸向?qū)φ谱用婕俺昂诵耐恋念A(yù)加固及預(yù)約束，是導(dǎo)致掌子面發(fā)生剝落坍塌失穩(wěn)的直接原因。

3.2 圍巖參數(shù)獲取

為進(jìn)一步研究清泉隧道掌子面變形失穩(wěn)特征及控制措施，現(xiàn)場(chǎng)鉆取圍巖巖樣，將巖樣密封送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行加工打磨，制成50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件，利用長(zhǎng)春朝陽(yáng)生產(chǎn)的TAW2000型電液伺服剛性試驗(yàn)壓力機(jī)開展力學(xué)參數(shù)測(cè)定試驗(yàn)。

在地下工程施工過(guò)程中，由于巖層中節(jié)理裂隙的存在，室內(nèi)試驗(yàn)獲得的巖石參數(shù)難以真實(shí)反應(yīng)工程中巖體特性，為獲取合理的圍巖參數(shù)，本文將Hoke-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則和E.Hoke提出的GSI圍巖評(píng)級(jí)系統(tǒng)相結(jié)合，對(duì)圍巖參數(shù)進(jìn)行弱化折減，其中GSI指標(biāo)是對(duì)巖體強(qiáng)度進(jìn)行折減的重要參數(shù)。

隧道軟巖段圍巖性質(zhì)為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，室內(nèi)圍巖試樣單軸抗壓強(qiáng)度σci＝21.5 MPa，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘探調(diào)查結(jié)果，分析計(jì)算獲得Hoke-Brown強(qiáng)度參數(shù)，如表1所示，其中GSIp為峰值地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)，GSIr為殘余地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)，m、s為Hoke-Brown常數(shù)。

表1 清泉隧道圍巖力學(xué)參數(shù)

4 隧道掌子面穩(wěn)定性分析及控制

4.1 新意法預(yù)支護(hù)計(jì)算

清泉隧道施工過(guò)程每1.2 m為一個(gè)循環(huán)，初期支護(hù)采用錨桿＋噴射混凝土＋鋼拱架支護(hù)方式，其中錨桿直徑為22 mm，長(zhǎng)度為2.5 m，間距為1.8 m×1.8 m，鋼拱架型號(hào)為 20a工字鋼，混凝土標(biāo)號(hào)為C30，但掌子面－超前核心土體系并無(wú)預(yù)支護(hù)。根據(jù)新意法原理，為控制掌子面穩(wěn)定性，促使拱效應(yīng)在臨近隧道輪廓線附近形成，采用玻璃纖維錨桿對(duì)工作面進(jìn)行預(yù)加固，利用超前管棚支護(hù)方式對(duì)待開挖圍巖進(jìn)行預(yù)約束。

假設(shè)施工過(guò)程中超前核心土為剪切破壞，并且遵循Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，破壞面與水平夾角為π/4＋φ/2，根據(jù)材料力學(xué)計(jì)算方法可得:

式中，Kbol為加固超前核心土抗拉剛度(N/m)；Gbol為剪切模量(Pa)；Mbol為剪切剛度(N/m)；Ebol為彈性模量(Pa)；v為泊松比；φ為巖體內(nèi)摩擦角(°)；A1為截面慣性矩(m4)；A2為受剪截面面積(m4)。

假設(shè)錨桿加固位置為梅花形等距布設(shè)，則錨桿間距S為:

式中，Pv為圍巖垂直壓力(Pa)；φ′為加固超前圍巖內(nèi)摩擦角(°)；δX為掌子面允許擠出變形量(m)；Lbol為錨桿加固長(zhǎng)度(m)，一般為1.5倍隧道跨度；Φ為錨桿直徑(m)；Q為錨桿端頭常數(shù)。

掌子面推進(jìn)過(guò)程中，預(yù)支護(hù)區(qū)域?qū)⒉粩鄿p小，為保證掌子面的穩(wěn)定性，需在支護(hù)區(qū)域完全被開挖之前進(jìn)行下一支護(hù)循環(huán)，此時(shí)兩個(gè)加固循環(huán)的最小搭接長(zhǎng)度為:

式中，L1為最小搭接長(zhǎng)度(m)；D為隧道開挖高度(m)。

通過(guò)計(jì)算獲得支護(hù)參數(shù)，如圖4所示。本文利用有限差分方法模擬清泉隧道施工及掌子加固，模型尺寸及邊界條件如圖5所示，側(cè)壓力系數(shù)為0.5。

圖4 掌子面－超前核心土預(yù)支護(hù)

圖5 清泉隧道模型

掌子面擠出變形計(jì)算結(jié)果如圖6所示，當(dāng)工作面不施加支護(hù)時(shí)，掌子面最大擠出變形為121.4 mm，出現(xiàn)在工作面中心；當(dāng)對(duì)掌子面進(jìn)行預(yù)約束支護(hù)時(shí)，掌子面最大擠出變形為81.1 mm；當(dāng)對(duì)掌子面進(jìn)行預(yù)加固支護(hù)時(shí)，掌子面最大擠出變形為39.6 mm，通過(guò)對(duì)比可知，掌子面經(jīng)過(guò)預(yù)加固或預(yù)約束后擠出變形量明顯減小。

圖6 不同支護(hù)條件下掌子面擠出變形曲線

隧道圍巖收斂變形計(jì)算結(jié)果如圖7所示，從圖中可知，隧道收斂變形可分為三區(qū)域，第一區(qū)域?yàn)轭A(yù)收斂階段，該區(qū)域影響范圍約為1.2倍隧道跨度；第二區(qū)域?yàn)榧铀偈諗侩A段，該區(qū)域影響范圍約為1倍隧道跨度；第三區(qū)域?yàn)榫徦偈諗繀^(qū)，影響范圍約為1.5～2倍隧道跨度，通過(guò)緩速區(qū)域后隧道變形趨于穩(wěn)定。

圖7 不同支護(hù)條件下圍巖收斂曲線

圖7曲線顯示臨近掌子面處的收斂變形明顯大于深部位置，并且在掌子面位置處變形發(fā)生驟降，這說(shuō)明超前核心土在掌子面處發(fā)生了剪切破壞，致使上方土體變形較大，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，對(duì)掌子面進(jìn)行預(yù)支護(hù)后圍巖整體收斂變形減小。通過(guò)上述分析可知，對(duì)掌子面－超前核心土進(jìn)行預(yù)支護(hù)能夠有效控制掌子面圍巖收斂變形，保障施工安全。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

現(xiàn)場(chǎng)采用預(yù)加固和預(yù)約束聯(lián)合加固的方式，支護(hù)方式及支護(hù)參數(shù)同上文所述。采用Horn-X2高精度激光測(cè)距儀和全站儀對(duì)隧道斷面及圍巖進(jìn)行觀測(cè)，在隧道斷面上利用十字分布法布置觀測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)記錄掌子面擠出變形并記錄最大數(shù)據(jù)值，掌子面擠出變形如圖8a所示。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

采用定制的CX-3D多段數(shù)顯測(cè)斜儀實(shí)施監(jiān)測(cè)掌子面收斂變形，埋設(shè)傳感器時(shí)先沿隧道輪廓線向掌子面內(nèi)部垂直鉆孔，鉆孔深度為4倍隧道跨度，傳感器長(zhǎng)度定制為2倍隧道跨度，將傳感器埋設(shè)到鉆孔底部，當(dāng)斷面向前掘進(jìn)2倍隧道跨度時(shí)傳感器開始采集圍巖沉降數(shù)據(jù)，圍巖收斂變形結(jié)果如圖8b所示。從圖中可以看到，在掌子面位置處無(wú)支護(hù)收斂曲線發(fā)生斷裂，這是由于此時(shí)掌子面發(fā)生坍塌破壞，圍邊變形突然增大，致使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)空缺，當(dāng)采用預(yù)支護(hù)措施后，圍巖收斂變形整體減小，隧道整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強(qiáng)。

通過(guò)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，無(wú)支護(hù)時(shí)隧道斷面擠出變形監(jiān)測(cè)曲線及圍巖收斂變形曲線均和數(shù)值計(jì)算結(jié)果接近，其中現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)掌子面最大擠出變形量為128.1 mm，數(shù)值計(jì)算結(jié)果為121.4 mm，圍巖最大收斂變形量為116.1 mm，數(shù)值計(jì)算結(jié)果為118.7，說(shuō)明有限差分法能夠合理分析掌子面穩(wěn)定性，為工程實(shí)踐提供可靠指導(dǎo)。通過(guò)對(duì)比還可以看到，針對(duì)隧道掌子面施作預(yù)約束和預(yù)加固聯(lián)合支護(hù)手段，其控制效果十分明顯，工作面擠出變形得到有效的控制，隧道圍巖整體變形控制在規(guī)定要求范圍內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)未出現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象，驗(yàn)證了掌子面預(yù)支護(hù)方案的可靠性。

5 結(jié)論

(1)若隧道地質(zhì)環(huán)境惡劣，掌子面圍巖軟弱破碎，其自穩(wěn)能力差，隧道斷面開挖后圍巖易產(chǎn)生滑移破壞，處于無(wú)拱效應(yīng)狀態(tài)，隧道掌子面－超前核心土體系在無(wú)支護(hù)前提下極易發(fā)生破壞。

(2)軟弱破碎圍巖縱剖面收斂變形曲線可分為預(yù)收斂變形、加速收斂變形、緩速收斂變形三部分，影響范圍分別為1.2倍、1倍和1.5～2倍隧道跨度。

(3)超前核心土預(yù)加固和預(yù)約束措施不僅能夠有效控制掌子面－超前核心土體系穩(wěn)定性，還能改善開挖后圍巖的收斂變形，為整體隧道結(jié)構(gòu)提供約束作用。