軟弱破碎炭質板巖地層隧道施工受力研究★

盧 穎，易鵬豪，何 平，胡 躍，劉大華，陳 松，張 東

(1.四川公路橋梁建設集團有限公司公路二分公司,四川 成都 610200;2．西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室,四川 成都 610031)

隨著我國對西南地區的大規模開發,出現了眾多高地應力軟巖大變形隧道,軟弱圍巖在高地應力以及地下水的作用之下會對隧道的施工造成諸多困難,同時也會在施工過程中產生許多安全問題,研究高地應力軟巖隧道大變形控制技術對目前我國高速發展的交通建設具有重大意義。隧道軟巖大變形控制技術在保障軟巖隧道安全施工過程中起著十分重要的作用,因此,許多學者對隧道軟巖大變形問題進行了相關研究[1-4]。張廣澤等[5]通過系統分析國內外隧道圍巖大變形案例,并根據大變形的構造控制理念與發生機理,對隧道構造軟巖大變形分類進行了重新界定;馬時強[6]計算了某單線鐵路隧道開挖后在無支護條件下洞周發生不同變形量后施作彈性支護結構的最大壓應力,并以此間接反映圍巖壓力,得到了圍巖壓力隨圍巖變形的釋放關系曲線;楊成忠等[7]以長城嶺軟巖隧道為背景,分析了隧道施工過程中圍巖變形的三維空間演化規律,得出了不同施工工法、斷面尺寸和圍巖等級對隧道開挖面空間效應的影響;王治才等[8]為揭示軟巖大變形隧道支護結構的響應規律,以某長大埋深軟巖大變形隧道作為研究對象,根據各支護體系間接觸壓力的斷面分布模式分析了軟巖大變形隧道支護結構的協同作用機理。

綜上,對于軟巖大變形的研究已經十分深入了,但是針對具體某個隧道,由于地質條件、斷面形式、支護參數、開挖方法等的不同,隧道在實際施工過程中多憑借施工經驗并結合現場具體情況來選擇具體的施工方式和支護參數。因此,為進一步研究深埋軟巖(炭質板巖)隧道的大變形控制技術,依托金口河隧道炭質板巖段工程,利用數值模擬和現場監控量測等方式對比研究不同開挖工法引起的隧道變形和控制技術,研究結論可為高地應力軟巖隧道大變形控制技術積累經驗。

1 工程概況

金口河隧道為樂漢高速的控制性工程之一,位于四川省西南部樂山市峨邊彝族自治縣和金口河區交界處的中高山峽谷區,隧道全長8 107 m,屬于特長隧道,最大埋深1 317 m。隧道地質復雜,圍巖極差,Ⅴ級圍巖占47.74%,Ⅳ級圍巖占46.84%。本文研究隧道段圍巖主要為中風化碳質板巖、板巖夾片巖、砂質板巖等,受構造作用影響,巖體結構面發育,結合程度差,完整性差;據物探解譯成果,該段為富水區,洞內地下水以淋雨狀出水為主,局部可能出現呈股或大雨狀出水;圍巖自穩能力差,隧道拱頂開挖無支護時易發生較大—大坍塌,側壁易發生小坍塌。隧道最大開挖跨度為12.6 m,初期支護厚度為24 cm,主要采用噴錨支護、鋼筋網和鋼拱架,錨桿長3.0 m,鋼筋網由Φ8 mm鋼筋構成,鋼筋間距為20 cm(環向)×20 cm(軸向),鋼拱架由Ⅰ18型鋼制成,間距80 cm。二次襯砌厚度為45 cm的C30鋼筋混凝土,隧道橫斷面如圖1所示。

2 隧道模型建立

本文以金口河隧道軟弱破碎炭質板巖段為研究背景,利用數值模擬軟件建立模型,模擬分析隧道施工全過程,對比分析軟弱破碎炭質板巖段隧道以環形開挖留核心土法(工況1)和上下臺階開挖法(工況2)兩種開挖方式的地層變形控制效果。

2.1 數值計算模型及材料參數

軟弱破碎炭質板巖段隧道計算模型水平方向(x向)長度為120 m,縱向(y向)長度為100 m,豎向(z向)長度為100 m。地層采用六面體單元(brick element)模擬,使用Mohr-Coulomb模型;初期支護和二次襯砌采用實體單元模擬,使用Elastic模型。計算模型左、右、前、后和下部邊界均施加法向約束,上部地表為自由邊界。隧道地層及襯砌物理力學參數見表1。計算模型如圖2所示。

表1 隧道地層及支護結構物理力學參數

2.2 大變形控制方案及測點布置

在軟弱破碎圍巖段隧道施工的過程中,開挖工法的選擇對于控制軟巖隧道大變形來說十分重要,選擇合適的開挖工法是保障隧道安全施工的必要前提。根據該隧道軟弱破碎炭質板巖的地質特點,結合施工能力等條件,擬對比分析環形開挖留核心土法(工況1)和上下臺階開挖法(工況2)兩種開挖方式的地層變形控制效果。

根據金口河隧道施工方法及工程特點,設計了隧道變形監控量測方案,主要監測內容為拱頂沉降以及洞周收斂。其中,拱頂沉降監測主要針對拱頂下沉變化規律進行監測分析,根據量測數據,確認圍巖的穩定性,判斷支護效果,指導施工工序預防坍塌,保證隧道施工安全;洞周收斂監測是通過對隧道上、下臺階的周邊收斂量及收斂速度進行觀察分析,判斷圍巖的穩定程度,選擇適當的二次襯砌支護時機,指導現場施工。

為了使模擬結果更加接近實際現場施工情況,開挖進尺設為2 m,初期支護延后掌子面2 m施加,二襯延后掌子面50 m施加。在模型縱向50 m處設置監測斷面,監測斷面上布置5個測點,用于監測隧道開挖對圍巖的擾動,拱頂沉降以及上下臺階邊墻的收斂。

環形開挖留核心土法縱斷面圖、開挖工序橫斷面圖及監測點布置如圖3所示。

上下臺階開挖法縱斷面圖、開挖工序橫斷面圖及測點布置如圖4所示。

3 研究結果對比與分析

3.1 隧道拱頂下沉分析

監測斷面拱頂下沉隨掌子面推進進程曲線如圖5所示。

從圖5中可以看出,在隧道開挖初期,兩種工況的測點沉降均緩慢增加。待掌子面到達目標監測斷面時,工況一拱頂沉降值迅速增加,最大沉降速率達到0.82 mm/m;工況二的拱頂沉降速度較為緩慢,最大沉降速度為1.25 mm/m;掌子面通過監測斷面后,隨著掌子面的繼續推進,兩工況下拱頂沉降值增加速度均降低,沉降值緩慢增加最終趨于穩定,且工況一的拱頂最終沉降值小于工況二,工況一拱頂最終沉降值為16.07 mm,工況二最終沉降值為17.47 mm,工況一相較于工況二在拱頂最終沉降值上降低了8.01%,最大沉降速率降低了34.4%,說明工況一在拱頂沉降控制上優于工況二。

3.2 隧道周邊收斂分析

監測斷面洞周收斂隨掌子面推進進程曲線圖見圖6。

從圖6中可以看出,在隧道開挖初期,兩種工況的洞周收斂均緩慢增加。待掌子面到達目標監測斷面時,洞周收斂值(測線SL1和SL2)均迅速增加,掌子面通過監測斷面后,隨著掌子面的繼續推進,兩工況下洞周收斂值增加速度均減低,收斂值緩慢增加最終趨于穩定。

兩工況監測斷面洞周收斂情況一覽表見表2。

表2 監測斷面洞周收斂情況一覽表

由表2可知,工況一相較于工況二在SL1收斂值上降低了4.98%,最大收斂速率上降低了26.23%;在SL1收斂值上降低了4.81%,最大收斂速率降低了25.83%,兩測線的收斂值與收斂最大速率之間的差異均說明工況一在洞周收斂控制上優于工況二。

4 隧道施工現場監測數據反饋分析

根據數值模擬的結果以及對比分析,隧道施工采用環形開挖預留核心土法。

4.1 監測點布置

根據金口河隧道施工方法及工程特點,設計了隧道變形監控量測方案,主要監測內容為拱頂沉降以及洞周收斂。位移監測點布置如圖7所示。

4.2 隧道變形監測結果分析

限于篇幅,本文選取隧道左線炭質板巖區段Ⅳ級,Ⅴ級圍巖典型斷面ZK65+507進行隧道變形對比分析和支護結構受力特性分析。

4.2.1 拱頂沉降分析

斷面ZK65+507隧道拱頂下沉時程曲線及其沉降速率如圖8所示。

斷面ZK65+507在隧道上臺階開挖后,拱頂沉降急劇增長,初期沉降速率最高達到了9.4 mm/d,累計沉降量達到42.6 mm(見圖9)。在開挖一周時間左右,沉降速率逐漸降低至0.8 mm/d(見圖9),直到下臺階開挖后,拱頂沉降速率有短暫回升,達到了1.8 mm/d,隨后沉降速率再次減小,在仰拱施作后,初期支護閉合成環,拱頂沉降速率趨于穩定,說明隧道在仰拱施作后整體結構安全可控。

4.2.2 洞周收斂分析

斷面ZK65+507的周邊收斂隨時間變化曲線和收斂速率如圖10,圖11所示。

斷面ZK65+507在隧道上臺階開挖后,SL1收斂曲線迅速增加,初期收斂速率最高達到9.4 mm/d。開挖5 d后,收斂速率明顯降低,但仍持續收斂。下臺階開挖及施作后,SL1收斂速率沒有明顯變化,直至仰拱施作后,初期支護閉合成環,穩定發揮作用,收斂速率大大降低,SL1收斂量增長平緩。

SL2收斂曲線在下臺階開挖后,初期收斂量迅速增加,收斂速率最高達到4.6 mm/d。仰拱開挖施作后,隨著初期支護閉合,收斂速率明顯降低,收斂增長平緩。

5 結論

基于有限元數值模擬分析對比了炭質板巖地層隧道Ⅳ級,Ⅴ級圍巖段采用環形開挖預留核心土法施工過程中的圍巖變形特征,并結合現場監控量測數據獲得了以下結論:1)在此工程背景下,與傳統的二臺階開挖相比,環形開挖預留核心土法隧道圍巖變形最大速率降低了25.8%～34.4%,變形最大值降低了4.81%～8.01%,采用環形開挖預留核心土法施工更加合理。2)同種工況下,隧道拱頂沉降值較拱腰以及拱腳的收斂值高出12.7%～15.9%,上臺階收斂值高出下臺階收斂值5.68%～5.87%,施工時應重點關注拱頂以及上臺階側壁。3)現場監測數據表明在施工過程中圍巖初期變形速率高,達到10 mm/d～20 mm/d,且持續時間在一周左右,隨后沉降速率減小,在仰拱施作后,初期支護閉合成環,拱頂沉降速率趨于穩定,說明隧道在仰拱施作后整體結構安全可控。