位移監測結果下圍巖松動圈變化特征

常天龍

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300251)

隧道開挖時,圍巖因受到擾動而產生應力重分布,這將使應力狀態由三維轉變為近似二維,且圍巖強度隨之下降,當圍巖強度低于重分布應力值時將被破壞,進而逐步形成一個松弛破碎帶,松弛破碎帶內巖體處于屈服狀態,這個松弛破碎帶稱之為松動圈。現有的研究表明,圍巖松動圈不是一成不變的,是隨著隧道開挖施工的進行而不斷變化的,最終達到穩定狀態[1-2]。國外對于松動圈的研究起步較早,主要的理論成果有蘇聯的不連續學說,于永江等[3]對深部巖體中圓形巷道的非線性漸進破壞特征、變形以及巷道周邊關鍵部位的位移和應力變化進行了分析,以巷道周邊應力是否超過巖石的強度極限作為判別準則,確定松動圈的范圍。趙彥缽等[4]則提出應用極限拉應變準則判別松動圈的位置。這兩種方法均以松動圈的定義為基礎,并在一定程度上考慮了巖體的受力和破壞特征,但缺乏定量標準,還需通過大量計算完善理論和量化標準。圍巖松動圈大小及其變化特征是隧道支護結構設計及圍巖穩定性評價的關鍵。通過理論計算所得的圍巖松動圈大小是在基于各種假設條件下,將整個開挖斷面圍巖視作均質體進行計算的,相對而言現場測試的方法能更加準確地獲得松動圈的大小,一般現場測量圍巖松動圈大小的方法主要有聲波法、地質雷達法、多點位移計法,使用聲波法和地質雷達法只能得到某一時間點圍巖松動圈大小,無法實現對圍巖松動圈變化的長時間觀測,使用位移計測量可以得到圍巖松動圈連續的變化特征,數據準確。本次采用LVDT位移傳感器,隧道爆破開挖后立即在拱頂、拱腰、邊墻埋入傳感器,測量不同位置不同深度圍巖位移變化,取得的位移數據連續準確,實現了圍巖松動圈的長時間監測。

1 松動圈現場測量

1.1 工程概況

現場測量依托于牡佳客專七星峰隧道,七星峰隧道位于黑龍江省佳木斯市,全長10 300 m,隧道最大埋深約420 m,為客運專線雙線隧道。隧址地形起伏,山勢陡峻,地表植被茂密,多為林地。隧道穿越的主要地層巖性為混合巖、片巖、變粒巖及大理巖。穿越多條斷層,地下水主要為基巖裂隙水。為一級高風險隧道。

1.2 現場測試

松動圈位移測量采用LVDT位移傳感器作為測量設備,LVDT位移傳感器具有防水、抗腐蝕、耐低溫,精度高的特點。位移計精度可達0.01 mm,工作溫度-25～85 ℃,采用不銹鋼外殼,全封閉結構。LVDT傳感器后部為電磁線圈主體,突出的為可動端。

隧道開挖后,在斷面拱頂、拱腰、邊墻布置測量孔。一般來說測點越密,得到的數據越多,松動圈測量越準確,但不能無限多地布置傳感器,為了減少不必要的浪費及工作量,根據開挖斷面大小,圍巖地質條件,參照同類工程預估松動圈大小,在預估松動圈范圍附近加密布設以滿足測量精度。

按照圖1所示在鉆孔內布設LVDT傳感器,以鋼筋作為測桿,孔底使用鋼筋錨固劑將鋼筋與目標深度圍巖固定成整體,LVDT傳感器通過固定支架固定于孔口,傳感器自由端通過連接桿與測桿連接,使用封孔蓋封孔,封孔蓋預留電纜孔及數據光纜孔。

圖1 LVDT傳感器安裝示意圖

1.3 現場測試結果

DK308+905圍巖級別Ⅳ級,埋深109.4 m,圍巖為混合巖,弱風化,節理裂隙較發育,巖體較破碎,開挖后易掉塊,掌子面自穩性一般,需加強支護,側壁部分位置存在點狀出水,水量一般,本次在拱頂、拱腰、邊墻位置埋設位移傳感器,總觀測時長25 d。位移傳感器埋設拱頂深度分別為1、1.5、2.5、3.5、4.5 m,邊墻埋設深度分別為0.5、1.2、1.5、1.8、2.5 m。

現場拱頂及邊墻實測位移數據如圖2、圖3所示。從實測位移數據上可以看到:邊墻位移變化時間較早,在開挖支護后第4天便開始大幅度位移變化,拱頂在第7天位移開始產生大幅變化,第10天開始變形逐漸穩定,在15天左右開挖的斷面基本趨于穩定,達到最大位移。監測數據反映:深度0.5 m的圍巖整體最大位移在2.6～3.5 mm,總位移形變由大到小排序為邊墻、拱頂、拱腰。綜合分析本斷面圍巖松動圈范圍在2 m左右,其中拱頂松動圈最小,邊墻處位移最大。

圖2 拱頂位移監測數據

圖3 邊墻位移監測數據

2 松動圈數值模擬分析

2.1 計算方法

七星峰隧道圍巖松動圈數值模擬計算采用midas有限元數值計算。midas GTS NX軟件中,可以通過“激活”和“鈍化”功能來模擬施工過程中初支混凝土、鋼拱架的施工和巖土體的開挖,當初支混凝土和鋼拱架被“激活”時,初支、鋼拱架施工得以實現,當巖土體被“鈍化”時,巖土體的開挖得以實現。DK308+905斷面圍巖級別為Ⅳ級,建模假設圍巖為均質巖體,連續介質,采用修正摩爾-庫倫準則進行計算,巖體物理力學參數根據現場勘察取樣試驗結果及相關規范取值。圍巖及支護結構計算參數見表1。

表1 圍巖及初支結構計算參數

2.2 計算模型

參考各種介質特點,將圍巖巖體定義為三維實體單元,噴射混凝土定義為二維板單元,錨桿定義為一維桿單元,其中混凝土根據其隨噴射凝固時間的變化,分為初噴軟質混凝土和初噴硬質混凝土單元。在計算過程中,首先進行巖體自身初始應力平衡驗算,計算只考慮自重應力,不考慮構造應力,計算得到重力場下的初始應力場,初始重力場條件下的應力、應變顯然與現實巖土體中的應力場存在偏差,因為實際條件下的初始位移已經結束,而軟件模擬中在自身重力條件下仍會發生位移,然后在后續計算中位移逐漸累加,所以在模擬過程中,應先使初始應力平衡下產生的位移歸零,然后隨著隧道開挖,逐步實現圍巖的位移累加,由此得來的計算結果與實際施工工況下的位移更接近,數值計算結果更準確。本次計算洞身上部圍巖采用自重應力進行模擬,代表不同埋深條件下的圍巖應力。隧道位于巖體介質中,應當把圍巖視為支護結構的共同承載部分,也就是說支護結構和圍巖共同組成靜力承載體系。

DK308+905四級圍巖開挖施工工法為臺階法施工,錨桿按照四級圍巖支護設計進行均勻布設,洞身網格寬度1 m采用四節點四邊形單元劃分網格,網格由洞身向外尺寸逐漸增大。設置15個開挖循環,每循環開挖進尺2.4 m,模型上邊界為開挖洞徑3倍,下邊界為洞徑4倍,左右邊界為洞徑3倍,模型尺寸80 m×70 m×36 m。選用位移邊界條件,對于模型四周采用位移約束。

2.3 數值模擬計算結果

通過數值模擬計算得到開挖后圍巖整體位移云圖、局部節點位移云圖。將拱頂1、1.5、2.5、3.5、4.5 m位置節點開挖-位移變化曲線提取如圖4所示。

隧道開挖后圍巖受徑向應力作用產生徑向位移,發生彈性變形。圍巖開挖后至第10個循環之間不同深度巖體位移逐步增加,在開挖至第10個循環后位移產生突變,隨后達到穩定。拱頂各個深度節點數值模擬位移大小與現場實測數據接近,略小于現場實測數據。造成數值模擬數據略小的主要原因是現場爆破開挖,每循環爆破施工會對圍巖產生振動影響,導致圍巖局部擾動,實際位移一部分來自于開挖爆破擾動造成。

3 結 論

(1)位移測量圍巖松動圈可獲得連續準確的監測數據,是一種判定圍巖松動圈范圍最有效、最直觀的方法,適用于任何地質條件下隧道圍巖松動圈的監測。

(2)LVDT位移傳感器具有抗腐蝕、抗低溫等特點,適用于各種施工環境,實踐證明可在隧道施工這種復雜環境條件下穩定工作,取得準確數據。

(3)圍巖松動圈由彈性變形到塑性變形穩定是一個長時間的過程,本次試驗結果顯示塑性變形穩定需要10 d以上,故隧道初期支護措施施作后要進行一段時間的觀測,建議保持密集觀測時間15 d以上。

(4)本次現場實測和數值模擬計算反映了圍巖巖體自開挖后至逐漸穩定的彈性變形至塑性變形的整個過程,開挖后巖體產生彈性變形,圍巖位移快速增加,隨后逐漸穩定進入塑性變形。本次實測和模擬計算得出DK308+905位置圍巖松動圈范圍在2 m以內。

(5)數值模擬結果與現場圍巖松動圈變化實測結果基本一致,證明數值模擬可以應用于圍巖松動圈的計算與評價中,可用于指導支護措施的設計及現場施工。