軟巖隧道穩(wěn)定性的影響因素及判別方法

何曉東 張廣軍

1 影響軟巖隧道穩(wěn)定性的因素

1.1 隧道工程地質(zhì)條件

影響軟巖隧道穩(wěn)定性的工程地質(zhì)條件主要有初始地應(yīng)力、巖石的破碎程度和結(jié)構(gòu)特征以及地下水等參數(shù)[1]。

1)初始地應(yīng)力。初始地應(yīng)力對(duì)軟巖隧道穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)為:軟巖隧道的失穩(wěn)是由于隧道開(kāi)挖引起的應(yīng)力重分布超過(guò)圍巖強(qiáng)度而導(dǎo)致圍巖過(guò)大變形造成的強(qiáng)度破壞。2)圍巖破碎程度及結(jié)構(gòu)特征。圍巖破碎程度在一定程度上反映了巖體遭受地質(zhì)構(gòu)造作用的強(qiáng)度與方式。圍巖破碎程度和結(jié)構(gòu)特征對(duì)軟巖隧道穩(wěn)定性的影響可以概括為:圍巖越破碎則隧道越不穩(wěn)定,越容易塌方。3)地下水。地下水對(duì)軟巖隧道穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)為:地下水的存在會(huì)使巖質(zhì)軟化、強(qiáng)度降低,穩(wěn)定性降低、巖塊易滑動(dòng)下掉。地下水的流動(dòng)也可能沖蝕構(gòu)造破碎帶或結(jié)構(gòu)面的充填物,在這種情況下,地下水對(duì)軟巖隧道穩(wěn)定性的影響往往是極其顯著的。

1.2 隧道工程結(jié)構(gòu)條件

影響軟巖隧道的工程結(jié)構(gòu)條件主要有隧道的方位、隧道的形狀、隧道的斷面大小和隧道的埋深等。

隧道方位的影響主要表現(xiàn)為:圍巖最大主應(yīng)力為自重應(yīng)力時(shí),隧道的縱軸線(xiàn)與最大主應(yīng)力方向近于正交,拱頂受到的垂直壓力較大,對(duì)圍巖穩(wěn)定不利;當(dāng)隧道的縱軸線(xiàn)平行或小角度相交最大主應(yīng)力方向則較為有利;而對(duì)大的斷層或軟弱夾層則正好相反,隧道縱軸線(xiàn)與之正交較為有利。

隧道形狀的影響主要表現(xiàn)為:在隧道建設(shè)過(guò)程中為了滿(mǎn)足自然成拱原則,經(jīng)常將隧道的形狀做成馬蹄形。當(dāng)水平應(yīng)力不大時(shí),隧道橫斷面兩側(cè)可簡(jiǎn)化為直邊墻。當(dāng)隧道底部無(wú)上鼓力時(shí),隧道橫斷面底部簡(jiǎn)化為直底板。

隧道斷面大小的影響主要表現(xiàn)為:對(duì)于不同的隧道尺寸,跨徑越大,開(kāi)挖空間越大,開(kāi)挖時(shí)釋放荷載也越大,因此開(kāi)挖后的二次應(yīng)力也相應(yīng)增大,圍巖變形也顯著,開(kāi)挖影響范圍也增大。

隧道埋深的影響主要表現(xiàn)為:隨著埋深的增加,隧道圍巖的力學(xué)特性將發(fā)生很大變化,對(duì)隧道的設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)很大影響。在軟巖隧道中,如果埋深小于500 m,且水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力,地應(yīng)力的變化將對(duì)軟巖隧道的變形與支護(hù)帶來(lái)諸多不利因素。

1.3 隧道工程施工條件

影響軟巖隧道穩(wěn)定性的施工技術(shù)條件主要有施工方法、施工速度、掌子面的支撐作用及掘進(jìn)方式等。

隧道施工方法對(duì)穩(wěn)定性的影響表現(xiàn)為:隧道開(kāi)挖方式的不同,應(yīng)力重分布的次數(shù)就不同,應(yīng)力重分布的次數(shù)越多,對(duì)圍巖的穩(wěn)定性就越不利。

隧道施工速度對(duì)穩(wěn)定性的影響表現(xiàn)為:施工速度對(duì)圍巖的穩(wěn)定性有著明顯的影響,所以,在軟巖隧道的開(kāi)挖過(guò)程中,應(yīng)該盡量保證開(kāi)挖速度與支護(hù)速度協(xié)調(diào)一致。

掌子面的支撐作用對(duì)穩(wěn)定性的影響表現(xiàn)為:軟巖隧道在開(kāi)挖過(guò)程中,其掌子面的變形很大,一般情況下,對(duì)于軟巖隧道在開(kāi)挖完掌子面,隧道的變形已基本完成總變形量的1/3或更大。所以在變形較大的軟巖中開(kāi)挖隧道,應(yīng)很好地控制掌子面的變形,從而對(duì)隧道的穩(wěn)定性起到很大的作用(Llunardi,2000年)[2]。

隧道掘進(jìn)方式對(duì)穩(wěn)定性的影響表現(xiàn)為:開(kāi)挖破巖時(shí)的沖擊力和振動(dòng)強(qiáng)度越大,對(duì)圍巖的擾動(dòng)程度就越大,對(duì)圍巖就越不利,而且圍巖越破碎,影響就越大。

2 軟巖隧道穩(wěn)定性的判別方法

2.1 變形速率比值判別法

李世輝(1992年)[3]將該方法用于判斷隧道開(kāi)挖與初期支護(hù)穩(wěn)定性的判別,稱(chēng)之為比值判別法。該方法假定預(yù)設(shè)計(jì)的初期支護(hù)全部施加后的圍巖變形速率 v1與相應(yīng)斷面實(shí)測(cè)圍巖變形速率最大值v0的比值v1/v0不應(yīng)大于典型工程監(jiān)控量測(cè)統(tǒng)計(jì)的最大值。

2.2 極限位移判別法

用極限位移判別隧道的穩(wěn)定性,就是從隧道出現(xiàn)的各種極限狀態(tài)入手,找出在某種極限狀態(tài)下各控制點(diǎn)的位移,即極限位移,作為穩(wěn)定性判別依據(jù)。

法國(guó)M.Louls指出最大容許位移隨埋深而異,他認(rèn)為隧道的極限位移值約為埋深的1‰[4]。日本“新奧法設(shè)計(jì)施工技術(shù)指南草案”提出采用圍巖類(lèi)別的容許凈空收斂值。前蘇聯(lián)學(xué)者通過(guò)大量觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的整理,得出了用于計(jì)算隧道周邊容許最大變形值的計(jì)算公式[5]:

其中,f為普氏系數(shù),其取值一般在0.5～1之間;b0為隧道跨度;H為邊墻高度。

實(shí)際上,由于每個(gè)隧道所處地質(zhì)條件、隧道埋深、斷面形狀和尺寸以及初期支護(hù)性狀等各不相同,隧道極限位移量的確定并不是一件容易的事情。所以在實(shí)際工程應(yīng)用中,必須從工程實(shí)際出發(fā),結(jié)合已有的工程經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際工程施工進(jìn)展情況確定具體的極限位移值。

2.3 經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法

對(duì)于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法,前人的研究方法主要有經(jīng)驗(yàn)數(shù)值法和經(jīng)驗(yàn)公式法兩種思路[6],一般規(guī)范中給出的極限位移值在思路上與此類(lèi)似。

Singh(1992年)基于39個(gè)隧道實(shí)例得出了如下的結(jié)論:如果H≥350Q1/3則發(fā)生大的擠壓變形,反之則不會(huì)。Goel(1995年)得出的結(jié)論:如果H≥(275N0.33)B-1(m)則發(fā)生大的擠壓變形,反之不會(huì)(其中,N=(Q)SRF=1,Q為巖石質(zhì)量指標(biāo);H為隧道埋深;B為隧道跨度)。Singh和Goel(1999年)提出了擠壓程度的分級(jí)。具體分為以下三級(jí):

1)輕微擠壓變形,隧道變形量一般為直徑的1%～3%;2)中等擠壓變形,隧道變形量一般為直徑的3%～5%;3)大擠壓變形,隧道變形量一般為大于直徑的5%。

巖體單軸抗壓強(qiáng)度σcm與初始地應(yīng)力p0的比值對(duì)隧道收斂變形的影響如圖1所示。

從圖1可以得出,圍巖初始應(yīng)力對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響顯著。在圖1中,隨著巖體強(qiáng)度與圍巖初始應(yīng)力比值的下降,軟巖隧道的變形不斷增加,而且當(dāng)此比值下降到0.2時(shí),軟巖隧道的變形將很快增大,隧道坍塌的可能性增大。在修建軟巖隧道的過(guò)程中,可以結(jié)合監(jiān)控量測(cè),利于此比值判斷圍巖的穩(wěn)定性。一般地,此比值大于0.4,圍巖的穩(wěn)定性較好,反之,應(yīng)該注意采取措施。

為了分析上述三種穩(wěn)定性判別方法在軟巖隧道中的實(shí)用性,以新嶺格隧道為例,予以對(duì)比分析。

從數(shù)據(jù)可以看出,變形速率比值判別法對(duì)于評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性有著很好的直觀(guān)性。極限位移法對(duì)于判別隧道穩(wěn)定性有著快速直觀(guān)、計(jì)算簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì),但是由于每個(gè)隧道的極限位移的量值不同給判別帶來(lái)了一定的難度。Singh和Goel法以及Hoek法對(duì)于判別隧道穩(wěn)定性有著更為直觀(guān)和簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì),但是Singh和Goel法所判定的位移相對(duì)于我國(guó)的隧道設(shè)計(jì)規(guī)范所建議的相對(duì)位移限制值相比較小,而Hoek法的結(jié)果與JTG D70-2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范的相應(yīng)值接近。在判斷隧道圍巖穩(wěn)定性時(shí),應(yīng)綜合各因素,選擇一個(gè)(或多個(gè))合適的判別準(zhǔn)則對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行判定。

3 結(jié)語(yǔ)

1)影響隧道圍巖穩(wěn)定性的因素有以下三大類(lèi):隧道工程地質(zhì)條件、隧道工程結(jié)構(gòu)條件和隧道施工條件。其中,隧道工程地質(zhì)條件表現(xiàn)為:初始地應(yīng)力、圍巖破碎程度及地下水;隧道工程結(jié)構(gòu)條件表現(xiàn)為:隧道方位、隧道形狀、斷面大小及埋深;隧道施工條件表現(xiàn)為:施工方法、施工速度、掌子面的支撐作用及掘進(jìn)方式等。同時(shí)對(duì)各影響因素進(jìn)行了較為深入的論述。2)三種常用的判別隧道穩(wěn)定性的方法:變形速率比值判別法、極限位移判別法及Hoek判別法。以新嶺格隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例,分析了各判別方法的實(shí)用性,通過(guò)將所得值與規(guī)范值作對(duì)比,認(rèn)為Hoek判別法較其他方法有較好的實(shí)用性。

[1] Hoek E,Brown E.T.巖石地下工程[M].連志升,田良燦,王偉德,譯.北京:冶金工業(yè)出版社,1986.

[2] Llunardi P.Design&constructing tunnels-ADECO-RS approach.Tunnels and Tunnelling International[J].special supplement,2000(15):30-33.

[3] 李世輝.隧道支護(hù)設(shè)計(jì)新論[M].北京:科學(xué)出版社,1999.

[4] 景詩(shī)庭,朱永全,宋玉香.隧道結(jié)構(gòu)可靠度[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2002.

[5] Decoster A,M.Louls.Collisional ExcitationX-rayLaser Experimentsin Plasmas Produced by 0.53-pmand 0.35-pm Laser Light,1990,50(5):257-264.

[6] Giovanni Barla.Tunnelling under squeezing rock conditions[J].Department of Structural and Geotechnical Engineering,1995(30):20-22.