高地應(yīng)力隧道軟巖大變形預(yù)測(cè)分析及控制措施

韓會(huì)軍 喬棟磊 何 聰 梁 斌

(1.中鐵十五局集團(tuán)第五工程有限公司,天津 300133;2.河南科技大學(xué)土木工程學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471000)

軟巖大體上可以從三個(gè)方面定義,即巖性指標(biāo)范疇、工程范疇以及地質(zhì)學(xué)描述范疇[1]。巖石工程學(xué)界從巖石力學(xué)特性出發(fā)將其單軸抗壓強(qiáng)度處于0.5～30 MPa、彈性模量小且變形較大的巖層定義為軟巖[2]。隨著鐵路、公路、水利工程建設(shè)的不斷發(fā)展,我國(guó)中西部地區(qū)隧道建設(shè)呈現(xiàn)出特長(zhǎng)、深埋等特點(diǎn)。目前長(zhǎng)隧道施工雖然不再是工程建設(shè)的難題,但是在圍巖軟弱、高地應(yīng)力的地質(zhì)條件下,圍巖大變形仍是開挖過程中面臨的最主要的地質(zhì)災(zāi)害之一。如川藏鐵路的折多山隧道、寶中線上的木寨嶺隧道、麗香鐵路的中義隧道等,給工程建設(shè)順利實(shí)施造成極大困難[3-5]。因此,在隧道開挖前對(duì)其進(jìn)行大變形預(yù)測(cè),并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果制定相應(yīng)的控制措施可以促進(jìn)隧道施工安全順利進(jìn)行。

關(guān)于隧道圍巖大變形的定義,目前還尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)和標(biāo)準(zhǔn)[6]。現(xiàn)階段學(xué)術(shù)界從其發(fā)生機(jī)制和破壞特征出發(fā),定性地認(rèn)為圍巖大變形是一種因剪應(yīng)力達(dá)到極限失穩(wěn)蠕變而導(dǎo)致的具有時(shí)效性的圍巖變形行為,這種具有明顯時(shí)間效應(yīng)的塑性破壞活動(dòng)與圍巖坍塌、巖爆等圍巖破壞活動(dòng)存在顯著差異[7]。針對(duì)圍巖大變形分類和預(yù)測(cè)等問題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究工作。王成虎等[8]根據(jù)大變形發(fā)生原因?qū)⑵浞譃閼?yīng)力型、材料型和結(jié)構(gòu)型3 類,并改進(jìn)了應(yīng)力型大變形的預(yù)測(cè)公式。周航等[9]分析了典型大變形隧道的發(fā)生規(guī)律,全面選取了圍巖最大主應(yīng)力等13 項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo),通過理想點(diǎn)法理論建立了組合賦權(quán)—理想點(diǎn)大變形預(yù)測(cè)模型。何樂平等[10]基于15 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)將圍巖大變形分為4 級(jí),通過主客觀權(quán)重建立博弈論—云模型,得到了一種新的大變形風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。劉振銳等[11]在改進(jìn)的云模型理論的基礎(chǔ)上,將大變形指標(biāo)進(jìn)行融合,提出了一種可以充分考慮到不確定因素的圍巖大變形評(píng)價(jià)方法即改進(jìn)云模型評(píng)價(jià)方法。雖然大變形預(yù)測(cè)方法較多,但由于大變形理論研究尚不成熟,加之現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件復(fù)雜[12],因此,目前緊密結(jié)合工程地質(zhì)分析及開挖后圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)的準(zhǔn)確且實(shí)用的大變形分析預(yù)測(cè)方法卻較少。

基于現(xiàn)有研究成果,結(jié)合圍巖大變形發(fā)生機(jī)制對(duì)大變形類型做進(jìn)一步劃分:圍巖應(yīng)力控制型大變形、巖體成分控制型大變形、巖體結(jié)構(gòu)控制型大變形和采空區(qū)擾動(dòng)控制型大變形,基于此建立隧道圍巖大變形預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。以筆架山深埋公路隧道為例,在地應(yīng)力測(cè)試基礎(chǔ)上結(jié)合已有地質(zhì)調(diào)查結(jié)果,建立3D 地質(zhì)計(jì)算模型,將反演所得隧道工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)作為開挖模型邊界條件,計(jì)算分析開挖后圍巖變形特征及二次應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境。綜合工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)特征應(yīng)用所建大變形預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)大變形類型、機(jī)制及破壞模式進(jìn)行綜合分析預(yù)測(cè),基于開挖后圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境及巖體性質(zhì)結(jié)合大變形分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)大變形程度進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果結(jié)合工程地質(zhì)特征為各區(qū)段制定科學(xué)合理的隧道開挖支護(hù)方案以控制圍巖變形。

1 隧道工程區(qū)地質(zhì)環(huán)境概況

1.1 工程概況

筆架山公路隧道位于巫溪縣白鹿鎮(zhèn)境內(nèi),為雙向分離式隧道,隧道全長(zhǎng)約5 000 m,為特長(zhǎng)公路隧道。左線起訖歷程為ZK23+248.0～ZK28+245.0,右線起訖里程為YK23+266.0～YK28+265.0。隧道工程區(qū)位于秦嶺山脈南麓,山脊走向呈東西向,隧道軸線走向N13°W,隧道橫穿山脊。工程區(qū)內(nèi)以高中山區(qū)為主,沿線山頂高程多在1 000 m 以上,山脊最高海拔高程為1 972 m,進(jìn)口設(shè)計(jì)隧道路面高程為539 m,出口設(shè)計(jì)隧道路面高程為637 m,隧道線路縱坡坡度1.95%,筆架山隧道最大埋深為1 382 m。

1.2 工程地質(zhì)條件

隧道沿線地處四川盆地邊緣山區(qū),區(qū)內(nèi)巖溶地貌為主,地形地貌形態(tài)復(fù)雜。區(qū)域內(nèi)地下水分布不均,以基巖裂隙水和碳酸鹽巖類裂隙溶洞水為主,K24+484～K24+701 與K25+792～K26+565 區(qū)段為巖溶水子系統(tǒng)區(qū)段,地下水發(fā)育,水量受季節(jié)影響較大。工程區(qū)所處的秦嶺山脈褶皺構(gòu)造聚集,區(qū)域內(nèi)斷層不發(fā)育,隧道穿越2 個(gè)向斜、2 個(gè)背斜,由北向南依次為貓兒籠背斜、貝母淌向斜、橙子巖背斜以及秀登城向斜,區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造作用復(fù)雜。隧道主要穿越地層巖性由老到新為:志留系下統(tǒng)雙河場(chǎng)組(S1sh)、志留系中統(tǒng)徐家壩群(S2xj)、二疊系中統(tǒng)棲霞組(P2q)、二疊系上統(tǒng)吳家坪組(P3w)、二疊系中統(tǒng)茅口組(P2m)以及三疊系下統(tǒng)大冶組(T1d1),筆架山隧道地質(zhì)構(gòu)造縱斷面見圖1。

圖1 地質(zhì)構(gòu)造縱斷面Fig.1 Longitudinal section of geological structure

2 地應(yīng)力場(chǎng)反演

圍巖應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境是大變形發(fā)生與否的重要影響因素,為準(zhǔn)確地進(jìn)行圍巖大變形預(yù)測(cè),基于工程區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境,結(jié)合地應(yīng)力實(shí)測(cè)資料通過Midas GTS NX 反演區(qū)域內(nèi)完整的地應(yīng)力場(chǎng),分析隧道沿線應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律,為圍巖大變形預(yù)測(cè)奠定基礎(chǔ)。

2.1 工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)分布

2.1.1 地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

在區(qū)域內(nèi)貝母淌向斜核部采用水壓致裂法進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試,這種方法是在同一測(cè)點(diǎn)3 個(gè)不同方向的鉆孔中獨(dú)立進(jìn)行的,以此測(cè)量各方向應(yīng)力分量,進(jìn)而得到三維初始應(yīng)力狀態(tài)[13],為研究地應(yīng)力場(chǎng)特征,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 測(cè)孔初始應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果Table 1 Measured results of initial stress in measuring hole

根據(jù)地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果:最大水平主應(yīng)力σH方向在N22°～35°W 范圍內(nèi),與隧道軸線方向N13°W 呈小角度相交,隧道布置方向有利于圍巖穩(wěn)定。在埋深601.7～846.9 m,σH值為15.7～24.4 MPa,豎向應(yīng)力σv值為13.2～23.3 MPa,最小水平主應(yīng)力σh值為8.8～14.9 MPa,故σH>σv>σh,區(qū)域內(nèi)該埋深范圍內(nèi)構(gòu)造作用較強(qiáng),最大水平主應(yīng)力方向側(cè)壓力系數(shù)λH為1.06～1.34,故豎向應(yīng)力與最大水平主應(yīng)力相近,鉆孔附近地應(yīng)力場(chǎng)由構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)及自重應(yīng)力場(chǎng)聯(lián)合作用形成。

2.1.2 地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)

巖體自重和地質(zhì)構(gòu)造作用共同構(gòu)成區(qū)域內(nèi)地應(yīng)力場(chǎng),對(duì)構(gòu)造作用下形成的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行研究可以整體把握地應(yīng)力場(chǎng)的大致規(guī)律,其可為地質(zhì)計(jì)算模型應(yīng)力邊界的確定提供依據(jù)。基于該地區(qū)震源機(jī)制解提取工程區(qū)最大水平主應(yīng)力走向,如圖2 所示,由圖2 可知,區(qū)域內(nèi)構(gòu)造作用引起的σH方向總體表現(xiàn)為NNW 向[14]。

圖2 區(qū)域最大主應(yīng)力方向分布Fig.2 Regional maximum principal stress direction distribution

2.2 有限元地質(zhì)模型建立

對(duì)區(qū)域內(nèi)不同地層單元共選取62 組巖樣進(jìn)行試驗(yàn),巖樣見圖3。根據(jù)巖樣試驗(yàn)值確定有限元模型巖體物理力學(xué)參數(shù),如表2 所示。

表2 筆架山地層巖體力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of rock mass in Bijiashan strata

圖3 鉆孔巖芯Fig.3 Drill hole rock core

適當(dāng)擴(kuò)大地質(zhì)模型邊界范圍以減少邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的影響,最終在區(qū)域內(nèi)沿隧道走向選擇一塊5 000 m×1 000 m 的矩形區(qū)域作為數(shù)值計(jì)算區(qū)域。以隧道軸線走向N13°W 為x軸,模型底部高程為150 m,上部取至地層表面,隧道位于地質(zhì)模型中央,地層采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型進(jìn)行模擬。根據(jù)筆架山隧道地質(zhì)構(gòu)造縱斷面圖,考慮褶皺構(gòu)造及地層巖性影響,基于區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境,采用直接調(diào)整邊界條件的方法結(jié)合實(shí)測(cè)地應(yīng)力結(jié)果,確定邊界條件,建立隧道工程區(qū)地質(zhì)模型,3D 數(shù)值計(jì)算模型見圖4。

圖4 有限元地質(zhì)模型Fig.4 Finite element geological model

2.3 地應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果分析

提取地質(zhì)模型在向斜地應(yīng)力測(cè)試處埋深601.7～846.9 m 范圍內(nèi)x向應(yīng)力σx、y向應(yīng)力σy以及xy平面內(nèi)剪應(yīng)力τxy值,豎向應(yīng)力為14.1～24.5 MPa,由式(1)、式(2)計(jì)算得σH為14.4～23.9 MPa,最大水平主應(yīng)力方向α0為N18°～33°W,并與初始應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果作對(duì)比,最大水平主應(yīng)力量值范圍誤差在3.2%～8.3%,豎向應(yīng)力量值范圍誤差在4.9%～7.8%。對(duì)比可知,初始應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果與初始應(yīng)力場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果方向近似,且在量值上相近,驗(yàn)證了地質(zhì)模型反演所得初始應(yīng)力場(chǎng)的準(zhǔn)確性。

根據(jù)地質(zhì)模型提取隧道沿線最大主應(yīng)力σmax、z向應(yīng)力σz和σx,如圖5 所示。由圖5 可知:隧道沿線σx量值范圍為4.17～8.03 MPa,處于較穩(wěn)定狀態(tài);豎向應(yīng)力在里程K25+907 區(qū)段附近最大為29.00 MPa,與隧道最大埋深段相對(duì)應(yīng)。在隧道埋深較小處,σz值較小,其與水平向應(yīng)力相近,此時(shí)地應(yīng)力場(chǎng)由構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)以及自重應(yīng)力場(chǎng)聯(lián)合作用產(chǎn)生;埋深超過720 m 時(shí),σz值超過水平向應(yīng)力,隨著隧道埋深的增加,地應(yīng)力場(chǎng)逐漸由自重應(yīng)力場(chǎng)主導(dǎo)。計(jì)算所得σH方向?yàn)镹20°～36°W,其與隧道走向夾角較小,對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定有利。

依據(jù)《GB/T 50218—2014 工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[15],采用Rc/σmax初始應(yīng)力狀態(tài)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)對(duì)隧道沿線應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行劃分,劃分標(biāo)準(zhǔn)如下:當(dāng)Rc/σmax<4 時(shí),處于極高應(yīng)力狀態(tài);當(dāng)4≤Rc/σmax≤7 時(shí),處于高應(yīng)力狀態(tài);當(dāng)Rc/σmax>7 時(shí),處于正常應(yīng)力狀態(tài)。基于圖5 隧道各區(qū)段最大主應(yīng)力結(jié)合巖體Rc值計(jì)算Rc/σmax,計(jì)算結(jié)果如圖6 所示,Rc/σmax在0.35～4.83范圍內(nèi),故隧道沿線處于高到極高應(yīng)力狀態(tài)。

圖5 隧道沿線應(yīng)力分布圖Fig.5 Stress distribution diagram along the tunnel

圖6 隧道沿線各里程Rc/σmax 值Fig.6 Rc/σmax value of each mileage along the tunnel

3 圍巖大變形綜合分析預(yù)測(cè)

為更精準(zhǔn)進(jìn)行大變形預(yù)測(cè),基于現(xiàn)有研究成果,從其發(fā)生機(jī)制出發(fā)對(duì)圍巖大變形類型做進(jìn)一步劃分:受圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)控制的大變形、受圍巖材料成分控制的大變形、受巖體結(jié)構(gòu)控制的大變形和受采空區(qū)擾動(dòng)控制的大變形,在此基礎(chǔ)上建立圍巖大變形地質(zhì)預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。本文研究基于所建大變形預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)采用數(shù)值模擬與地質(zhì)分析預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)2 種方法對(duì)筆架山隧道圍巖大變形類型、機(jī)制、破壞模式以及變形程度進(jìn)行綜合分析預(yù)測(cè)。

3.1 大變形預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)建立

基于上述圍巖大變形分類及大變形典型隧道實(shí)例分析,選擇圍巖應(yīng)力、巖體性質(zhì)以及工程地質(zhì)條件作為地質(zhì)綜合分析預(yù)測(cè)的預(yù)測(cè)參數(shù),建立圍巖大變形預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的判別標(biāo)準(zhǔn),見表3,依此進(jìn)行圍巖大變形超前預(yù)測(cè)。

表3 圍巖大變形地質(zhì)預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Geological prediction standard for large deformation of surrounding rock

3.2 地質(zhì)綜合分析預(yù)測(cè)

3.2.1 巖體性質(zhì)分析

筆架山隧道巖體性質(zhì)如下:

(1)隧道穿越地層中,T1d1灰?guī)r、S2xj 頁(yè)巖、S2xj泥巖以及S1sh 頁(yè)巖為軟弱圍巖。

(2)根據(jù)試驗(yàn)所得巖樣軟化系數(shù)判斷:S2xj 頁(yè)巖軟化系數(shù)為0.73,S1sh 頁(yè)巖軟化系數(shù)為0.70,S2xj 泥巖軟化系數(shù)為0.76,3 類巖體為遇水易軟化軟巖,在地下水發(fā)育區(qū)段,地下水軟化作用明顯,圍巖強(qiáng)度大大降低。

(3)區(qū)域內(nèi)無斷層破碎帶,在勘察期間對(duì)隧址區(qū)巖體節(jié)理裂隙進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)并對(duì)各控制性鉆孔進(jìn)行了聲波測(cè)井,綜合2 項(xiàng)結(jié)果資料,對(duì)巖體完整程度進(jìn)行判定,區(qū)域內(nèi)普遍發(fā)育層面裂隙,但大部分區(qū)段結(jié)構(gòu)面組數(shù)不超過3 組,巖體較完整,局部區(qū)段圍巖巖體較破碎。該類巖性具備圍巖大變形發(fā)生的基本條件。

3.2.2 地應(yīng)力環(huán)境分析

工程區(qū)內(nèi)地應(yīng)力的高低是大變形發(fā)生與否的關(guān)鍵性因素,其為大變形的發(fā)生提供能量。筆架山隧道最大埋深為1 382 m,根據(jù)地應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果,隧道沿線圍巖應(yīng)力處于高到極高應(yīng)力狀態(tài),最大主應(yīng)力值為7.68～34.41 MPa,滿足圍巖大變形發(fā)生所需的能量條件。

3.2.3 采空區(qū)影響性分析

隧道沿線與一“U”煤礦采空區(qū)在平面上兩次相交,但采空區(qū)位于隧道設(shè)計(jì)標(biāo)高之上約500 m,見圖7。兩者相距較遠(yuǎn),根據(jù)圣維南原理,區(qū)域內(nèi)采空區(qū)對(duì)隧道開挖變形影響較小可忽略。天然地質(zhì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的空洞在施工開挖過程中通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)確定位置及大小,防止擾動(dòng)控制型大變形的發(fā)生。

圖7 采空區(qū)與隧道標(biāo)高位置關(guān)系Fig.7 Location relation diagram of goaf and tunnel

3.2.4 大變形類型、機(jī)制及破壞模式分析預(yù)測(cè)

根據(jù)上述地質(zhì)特征分析,由A1 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行大變形類型、機(jī)制以及破壞模式預(yù)測(cè),區(qū)域內(nèi)大變形為二次應(yīng)力控制型大變形。軟弱巖層的單軸抗壓強(qiáng)度較低,其自身承載能力較弱,隧道沿線軟弱圍巖區(qū)段圍巖應(yīng)力處于高—極高應(yīng)力狀態(tài)。隧道開挖卸荷后,圍巖從三向應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槎驊?yīng)力狀態(tài),圍巖峰值強(qiáng)度隨圍壓減小而下降,且地應(yīng)力重分布產(chǎn)生高水平二次應(yīng)力,超過軟巖的抗載能力,部分圍巖發(fā)生塑性流動(dòng)變形。塑性變形的發(fā)展使得巖體閉合的結(jié)構(gòu)面張開滑移,圍巖強(qiáng)度參數(shù)不斷減少,同時(shí)區(qū)域內(nèi)地下水沿張開裂隙滲流入巖體內(nèi)部,地下水對(duì)S2xj 頁(yè)巖及S1sh 頁(yè)巖軟化作用加強(qiáng),圍巖強(qiáng)度的軟化又進(jìn)一步加劇了大變形的發(fā)展[16]。此類環(huán)境下,發(fā)生擠出或彎曲鼓出型變形的可能性較大,最終圍巖巖體因拱頂下沉或邊墻內(nèi)鼓變形發(fā)生剪切破壞。

3.3 有限元計(jì)算預(yù)測(cè)分析

選取隧道軟弱圍巖區(qū)段18 個(gè)不同巖性、不同埋深開挖斷面,通過有限元軟件建立隧道開挖模型,分析圍巖變形特征,研究開挖后圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境,為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)隧道圍巖大變形級(jí)別奠定基礎(chǔ)。

3.3.1 有限元開挖模型建立

隧道施工開挖對(duì)圍巖影響范圍為3～5 倍洞徑,根據(jù)隧道斷面尺寸確定開挖模型x、z向尺寸為80 m×80 m,沿隧道走向即y向選取10 m。為提升網(wǎng)格劃分質(zhì)量,模型使用混合四面體網(wǎng)格;在隧道開挖斷面處進(jìn)行尺寸控制,提高開挖模型計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性。從地質(zhì)模型中提取隧道高程處應(yīng)力σx與σz,為開挖模型添加應(yīng)力邊界,邊界由圖5 確定。開挖模擬采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型,圍巖參數(shù)由表2 確定。三維隧道開挖模型如圖8 所示。

圖8 隧道開挖模型Fig.8 Tunnel excavation model

3.3.2 圍巖變形部位及應(yīng)力特征

在隧道開挖施工后,斷面內(nèi)主要變形出現(xiàn)在拱頂與拱底,最大位移變形均為拱頂沉降變形;相較于豎向變形,埋深較小時(shí)兩側(cè)壁水平向擠壓變形并不顯著。選取計(jì)算得到的不同埋深典型斷面位移變形云圖,列舉具有代表性的斷面K23+376 和K25+300 進(jìn)行說明,K23+376 埋深約為90 m,σx=4.5MPa,σz=3.8 MPa;K25+300 埋深約為1 260 m,σx=5.9 MPa,σz=28.0 MPa。豎向位移云圖見圖9,水平位移云圖見圖10,最大主應(yīng)力云圖見圖11。

由圖9 可知:隧道圍巖在豎向應(yīng)力較大情況下,圍巖發(fā)生較大變形,拱頂變形量值可達(dá)0.50 m。在實(shí)際施工過程中若不及時(shí)施加支護(hù),將會(huì)發(fā)生大變形地質(zhì)災(zāi)害。由圖10 可知,隨著隧道埋深的增加,圍巖側(cè)壁總體表現(xiàn)為外側(cè)擠壓,但在豎向應(yīng)力遠(yuǎn)大于水平應(yīng)力的情況下,隧道邊墻小范圍內(nèi)出現(xiàn)內(nèi)鼓變形,且遠(yuǎn)大于圍巖深部外側(cè)擠壓變形。由圖11 可知,不同埋深下,隧道左右邊墻及拱腳處存在不同程度的最大主應(yīng)力集中,最大主應(yīng)力峰值出現(xiàn)在隧道邊墻,故該部位亦為變形破壞部位,且埋深越大,壓應(yīng)力集中程度越高。在高應(yīng)力環(huán)境下,開挖后隧道邊墻可能產(chǎn)生塑性內(nèi)鼓變形破壞。隧道拱頂及仰拱部分區(qū)域最大主應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力,與圍巖較大沉降、隆起變形相對(duì)應(yīng)。綜合圖9、圖10 及圖11,隧道圍巖水平位移相較于豎向位移較小,故圍巖總體的位移變形趨勢(shì)以拱頂、仰拱豎向位移為主,但在高初始應(yīng)力區(qū)段,邊墻內(nèi)鼓大變形亦會(huì)發(fā)生。

圖9 典型斷面豎向位移比較Fig.9 Comparison of vertical displacement of typical sections

圖10 典型斷面水平位移比較Fig.10 Comparison of horizontal displacement of typical sections

圖11 最大主應(yīng)力云圖Fig.11 Maximum principal stress nephogram

3.4 圍巖大變形程度預(yù)測(cè)

圍巖大變形程度預(yù)測(cè)借鑒賈學(xué)斌[17]綜合國(guó)內(nèi)外典型大變形隧道發(fā)生大變形時(shí)應(yīng)力環(huán)境及巖體特征,最終確定的強(qiáng)度應(yīng)力比大變形分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表4 所示。

表4 圍巖大變形分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Classification standard for large deformation of surrounding rock

依靠強(qiáng)度應(yīng)力比分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí),試驗(yàn)所得巖石的強(qiáng)度與圍巖強(qiáng)度并不等同,圍巖強(qiáng)度主要指受地質(zhì)構(gòu)造作用影響的巖體強(qiáng)度,地質(zhì)構(gòu)造對(duì)圍巖強(qiáng)度影響程度如表5 所示。

表5 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)圍巖強(qiáng)度影響程度Table 5 Influence degree of geological structure on surrounding rock strength

隧道沿線的P3w 灰?guī)r、P2m 灰?guī)r、P2q 灰?guī)r以及S2xj 砂巖區(qū)段巖體為硬質(zhì)巖,大變形發(fā)生可能性不大。根據(jù)上述地質(zhì)條件對(duì)區(qū)域內(nèi)圍巖大變形程度進(jìn)行綜合預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)過程如下:首先根據(jù)試驗(yàn)所得巖石單軸抗壓強(qiáng)度以及地質(zhì)構(gòu)造條件得出轉(zhuǎn)化后的巖體強(qiáng)度,地下水發(fā)育區(qū)段考慮地下水的軟化;隧道開挖后,圍巖應(yīng)力重分布,為保證大變形預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性,提取各軟巖區(qū)段開挖模型最大主應(yīng)力,結(jié)合大變形分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行預(yù)測(cè),提取結(jié)果見表6,最終預(yù)測(cè)結(jié)果見表6、圖12。

圖12 軟巖大變形程度預(yù)測(cè)結(jié)果餅狀圖Fig.12 Pie chart of prediction results of large deformation degree of soft rock

3.5 圍巖大變形結(jié)果綜合分析

數(shù)值計(jì)算所得圍巖變形特征和地質(zhì)分析預(yù)測(cè)法所得結(jié)果保持一致,綜合2種預(yù)測(cè)方法所得結(jié)果:圍巖因拱頂下沉發(fā)生破壞概率較大,并且在高初始應(yīng)力區(qū)段,隧道邊墻應(yīng)力集中程度較高,σ1峰值亦出現(xiàn)在該部位,根據(jù)圍巖變形特征分析,圍巖側(cè)壁小范圍深度內(nèi)會(huì)出現(xiàn)塑性內(nèi)鼓變形破壞。由表6、圖12 可知,區(qū)域內(nèi)大變形發(fā)生區(qū)段長(zhǎng)度約2 814 m,占隧道總長(zhǎng)56.3%,發(fā)生范圍較廣;K25+631～K25+909、K26+535～K26+602 區(qū)段發(fā)生嚴(yán)重大變形,占隧道總長(zhǎng)8.8%。因此在施工過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這些區(qū)段邊墻及拱頂位置位移變形情況,及時(shí)采取控制措施,避免大變形災(zāi)害的發(fā)生。

表6 隧道軟巖段大變形預(yù)測(cè)結(jié)果Table 6 Prediction results of large deformation in soft rock section of tunnel

4 軟弱圍巖大變形控制措施

在高地應(yīng)力隧道中,應(yīng)力釋放效應(yīng)產(chǎn)生的變形難以避免,因此筆架山隧道支護(hù)措施遵循“剛?cè)岵?jì)”和“先讓后抗”的支護(hù)理念。允許圍巖產(chǎn)生一定的塑性變形進(jìn)行一定程度的應(yīng)力釋放以充分發(fā)揮圍巖自身的抗載能力,當(dāng)塑性變形發(fā)展到一定程度后,通過支護(hù)措施提高圍巖抵抗變形能力。

針對(duì)筆架山隧道沿線大變形以中等、嚴(yán)重大變形為主的特征,為避免圍巖大變形災(zāi)害的發(fā)生,在借鑒國(guó)內(nèi)外隧道典型軟巖大變形控制措施的基礎(chǔ)上,采用以下變形控制措施:

(1)針對(duì)區(qū)域內(nèi)圍巖破碎段、富水區(qū)段,采用超前預(yù)注漿措施,預(yù)加固地層,封堵水源,降低變形過程中地下水對(duì)巖體的軟化作用。

(2)針對(duì)高地應(yīng)力環(huán)境,加深仰拱深度,改善結(jié)構(gòu)受力,斷面尺寸為12 m×9.6 m;提高仰拱回填混凝土強(qiáng)度,由C25 混凝土提高至C30 混凝土。

(3)采用雙層初期支護(hù),并適當(dāng)增加預(yù)留變形量。總預(yù)留變形量增加至24 cm,其中第一層14 cm,第二層10 cm。配合雙層I20b 鋼架支護(hù),分階段提高支護(hù)強(qiáng)度與剛度,逐步釋放圍巖應(yīng)力。既有效減少了大變形的發(fā)生,又充分發(fā)揮了圍巖的自穩(wěn)能力。

(4)初支后,通過加密監(jiān)測(cè)斷面、加大監(jiān)測(cè)頻率,加強(qiáng)圍巖變形監(jiān)測(cè)工作,二次襯砌施作在初期支護(hù)穩(wěn)定后進(jìn)行[18]。

5 結(jié)論

(1)綜合地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及有限元反演計(jì)算所得隧道沿線應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境,區(qū)域內(nèi)σH方向與隧道走向N13°W 夾角為7°～23°,夾角較小,從地應(yīng)力角度來看,隧道方向?qū)鷰r穩(wěn)定有利。最大主應(yīng)力量值范圍為7.68～34.41 MPa,根據(jù)地應(yīng)力狀態(tài)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),隧道沿線圍巖處于高到極高應(yīng)力狀態(tài),具備發(fā)生圍巖大變形的外部環(huán)境條件。

(2)在給出大變形分類的基礎(chǔ)上建立的一套圍巖大變形地質(zhì)預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)可為相關(guān)隧道未開挖段大變形預(yù)測(cè)提供依據(jù),且文中考慮隧道開挖后形成的二次應(yīng)力場(chǎng)所使用的大變形預(yù)測(cè)研究體系是將工程地質(zhì)分析、實(shí)際應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境與預(yù)測(cè)方法緊密結(jié)合的更為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)方案。

(3)基于所建大變形預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn),筆架山隧道圍巖大變形主要受高地應(yīng)力、巖體性質(zhì)控制,屬于圍巖應(yīng)力控制型大變形,地下水軟化作用是加劇圍巖大變形的重要因素;其中拱頂、仰拱豎向變形最為顯著,各區(qū)段隧道邊墻存在不同程度的最大主應(yīng)力集中,在高初始應(yīng)力區(qū)段邊墻會(huì)發(fā)生內(nèi)鼓彎曲變形,最終圍巖因拱頂下沉或邊墻鼓出變形發(fā)生剪切破壞的可能性較大。

(4)隧道沿線56.3%區(qū)段圍巖會(huì)發(fā)生大變形,其中K25+631～K25+909、K26+422～K26+602 區(qū)段地下水發(fā)育,在地下水軟化作用影響下,出現(xiàn)嚴(yán)重大變形風(fēng)險(xiǎn)較大,隧道開挖施工過程中需特別注意。

(5)開挖施工時(shí)遵循“剛?cè)岵?jì)”的支護(hù)理念進(jìn)行大變形防治。采用超前預(yù)注漿,封堵水源,降低地下水軟化作用,預(yù)加固地層;加深仰拱深度,回填混凝土強(qiáng)度由C25 提高至C30,強(qiáng)化結(jié)構(gòu)剛度;采用雙層初期支護(hù),增加預(yù)留變形量至24 cm,并在初期支護(hù)后做好變形監(jiān)測(cè)工作。研究結(jié)果可為同類工程大變形防治提供參考。