貴州某隧道淺埋段圍巖大變形成因分析

汪金育

(貴州高速公路集團(tuán)有限公司，貴州貴陽 550000)

1 概述

大變形是在地應(yīng)力、工程擾動(dòng)和地下水活動(dòng)等綜合作用下，圍巖體發(fā)生塑性破壞，變形得不到有效約束的一種災(zāi)害現(xiàn)象，具有明顯的累進(jìn)性和時(shí)間效應(yīng)［1］。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)圍巖大變形的研究主要有［2-15］:1)判定方法:圍巖變形是否超出初期支護(hù)的預(yù)留變形量、初期支護(hù)位移值和支護(hù)破壞現(xiàn)象、不同側(cè)壓力系數(shù)下的應(yīng)力比臨界值。2)誘發(fā)原因:高地應(yīng)力、軟巖、地下水作用、淺埋、偏壓、開挖擾動(dòng)、支護(hù)不及時(shí)、支護(hù)剛度不足等。3)作用機(jī)制:軟巖塑流及膨脹變形、板梁的彎曲變形、塑性楔體、結(jié)構(gòu)性流變、累進(jìn)松脫擴(kuò)展等。4)等級(jí)劃分:根據(jù)變形量和相對(duì)變形量分級(jí);以洞壁相對(duì)位移為參數(shù)，根據(jù)彈塑性力學(xué)計(jì)算，對(duì)嚴(yán)重程度不同的大變形進(jìn)行分級(jí);采用相對(duì)應(yīng)變判別圍巖的擠出程度并劃分等級(jí);綜合圍巖抗壓強(qiáng)度、地應(yīng)力、彈性模量及側(cè)壓力系數(shù)等因素，提出了綜合系數(shù)a劃分等級(jí)等。5)預(yù)測(cè)方法:基于模糊層次綜合評(píng)判的預(yù)測(cè)方法、地質(zhì)綜合分析預(yù)測(cè)、切應(yīng)變預(yù)測(cè)等。6)治理措施:施作臨時(shí)仰拱、施作套拱、施作環(huán)向錨桿、注漿、地表處理等加固措施;置換支護(hù)結(jié)構(gòu)、調(diào)坡修改隧道標(biāo)高等侵限措施。7)數(shù)值模擬:基于施工監(jiān)測(cè)的數(shù)值模擬、基于變形破壞機(jī)制的圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬等。

貴州某隧道在施工過程中，右線出口淺埋段的初期支護(hù)發(fā)生了較大的沉降變形。在對(duì)圍巖大變形有整體了解的基礎(chǔ)上，本文將結(jié)合該隧道的施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)淺埋段圍巖大變形進(jìn)行成因分析。

該隧道為分離式隧道，內(nèi)輪廓均采用R=5.55 m的單心圓，凈寬10.25 m、凈高5.00 m。隧道右線出口淺埋段為Ⅴ級(jí)圍巖，近洞口一帶淺地表為殘坡積碎石土、強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，深部為中風(fēng)化灰?guī)r，巖體破碎;開挖方式采用上下臺(tái)階法(見圖1);襯砌方式采用復(fù)合式襯砌，即初期支護(hù)由工字鋼鋼拱架、系統(tǒng)錨桿、鋼筋網(wǎng)及噴射混凝土組成，并輔以超前小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)，二次襯砌為鋼筋混凝土。結(jié)合對(duì)出口淺埋段圍巖變形的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，選取YK90+479斷面進(jìn)行圍巖沉降變形研究(沉降測(cè)點(diǎn)布設(shè)見圖1)。

圖1 隧道開挖方式及拱頂沉降測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置示意圖

2 拱頂沉降分析及圍巖大變形判定

2.1 拱頂沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)YK90+479斷面處的監(jiān)測(cè)結(jié)果，繪制拱頂沉降隨時(shí)間增長(zhǎng)的變化曲線(見圖2)，曲線整體呈“下降～平緩”的特征，結(jié)合圍巖變形速率和具體施工步驟，可將變形過程詳細(xì)分為以下4個(gè)階段:

1)階段Ⅰ(急劇變形階段):上臺(tái)階開挖完成及支護(hù)初期，圍巖應(yīng)力釋放較快，變形速率較大;該階段末期，隨著上臺(tái)階繼續(xù)開挖約10 d，掌子面掘進(jìn)至2倍洞徑距離時(shí)，變形曲線較為平穩(wěn)，圍巖內(nèi)部暫時(shí)趨于平衡狀態(tài)。

圖2 隧道出口右幅YK90+479初支沉降監(jiān)測(cè)變化曲線圖

2)階段Ⅱ(快速變形階段):下臺(tái)階左半部分開挖，破壞了圍巖內(nèi)部趨于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，但此時(shí)下臺(tái)階右部未開挖的巖體具有一定的支撐能力，使得該階段圍巖變形較上臺(tái)階開挖時(shí)相比，變形持續(xù)時(shí)間較短，變形速率及變形量較小。

3)階段Ⅲ(緩慢變形階段):下臺(tái)階右半部分開挖，對(duì)圍巖產(chǎn)生新的擾動(dòng)，導(dǎo)致拱頂出現(xiàn)新的下沉過程，但由于受先行洞開挖而產(chǎn)生擾動(dòng)的影響較小，該階段較上階段相比，圍巖的變形速率也相對(duì)較小。

4)階段Ⅳ(趨于穩(wěn)定階段):仰拱開挖及回填后，初期支護(hù)圈閉，對(duì)圍巖變形的約束作用增強(qiáng)，圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)在應(yīng)力的動(dòng)態(tài)調(diào)整過程中，承載能力發(fā)揮至最大，圍巖變形速率呈遞減趨勢(shì)并逐漸趨于零。

對(duì)不同階段圍巖的變形量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(見表1):階段Ⅰ中拱頂位移釋放率達(dá)71.1%，階段Ⅱ，階段Ⅲ中拱頂位移釋放率僅為18.6%，階段Ⅳ中拱頂位移釋放率為10.3%，說明上臺(tái)階開挖后應(yīng)力的快速釋放對(duì)圍巖穩(wěn)定性的擾動(dòng)最大。

表1 圍巖不同變形階段拱頂沉降量統(tǒng)計(jì)

2.2 圍巖大變形的判定

參照張祉道［16］對(duì)隧道圍巖大變形的判定及變形程度分類標(biāo)準(zhǔn)(見表2)，斷面YK90+479處在初期支護(hù)已施工的條件下，洞壁位移最大值為221.8 mm，Ua/a=3.9%，且支護(hù)后噴混凝土出現(xiàn)起殼、剝落及較大的變形、開裂等異?，F(xiàn)象。據(jù)此可判定，YK90+479處出現(xiàn)隧道圍巖大變形，等級(jí)為輕度。

表2 隧道圍巖大變形等級(jí)判定

3 大變形原因分析

一般情況下，圍巖的大變形首先取決于圍巖巖性和巖體結(jié)構(gòu)，這是大變形發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，其次取決于埋深、地下水作用、開挖方式等，這是大變形發(fā)生的環(huán)境條件?；趯?duì)大變形成因的認(rèn)識(shí)，對(duì)貴州某隧道圍巖大變形的成因分析如下:

1)Ⅴ級(jí)圍巖。

大變形區(qū)段圍巖主要為殘坡積碎石土及灰?guī)r，灰?guī)r受風(fēng)化作用影響強(qiáng)烈，裂隙極發(fā)育，將淺部巖體切割成小碎片及碎塊狀，呈碎塊狀—散體狀結(jié)構(gòu)，物理力學(xué)強(qiáng)度較低，開挖時(shí)在壓應(yīng)力的作用下圍巖易出現(xiàn)碎裂松動(dòng)或塑性擠出，而導(dǎo)致大變形的出現(xiàn)。

2)地下水作用。

大變形區(qū)段圍巖以灰?guī)r為主，自身滲透能力較好，加之受淺表生改造影響，地下水易于在此處匯聚并下滲，降低了巖體沿軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度，而使圍巖的自穩(wěn)能力降低，基巖的承載力削弱。另外，地下水匯聚也使得圍巖的自重增加，從而增大初期支護(hù)的荷載承擔(dān)量。

3)洞身埋深淺。

斷面YK90+479處埋深約16 m，圍巖自承能力差或者無自承能力，初始地應(yīng)力場(chǎng)為典型的自重應(yīng)力場(chǎng)，拱頂以上的巖土體自重全部作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上。開挖時(shí)隧道頂部圍巖難以形成有效的承載拱，導(dǎo)致圍巖變形過大。

4)上臺(tái)階開挖擾動(dòng)。

在圍巖大變形發(fā)展的整個(gè)過程中，上臺(tái)階開挖后圍巖應(yīng)力釋放時(shí)間占據(jù)變形總時(shí)間的20%，而其位移釋放量占據(jù)總位移量的71.7%，可見上臺(tái)階開挖時(shí)，圍巖應(yīng)力釋放較為迅速，釋放量較大，對(duì)圍巖原有的穩(wěn)定平衡狀態(tài)破壞較為嚴(yán)重。

為驗(yàn)證上臺(tái)階開挖擾動(dòng)對(duì)圍巖大變形的重要影響，在Ⅴ級(jí)圍巖、地下水作用及埋深淺的地質(zhì)條件下，對(duì)YK90+479斷面處的施工開挖步進(jìn)行數(shù)值模擬，繪制拱頂各測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量隨開挖進(jìn)行的變化曲線(見圖3)，曲線整體也呈現(xiàn)出“下降～平緩”的特征。其中，上臺(tái)階開挖及支護(hù)時(shí)，各測(cè)點(diǎn)沉降幅度最大，故此驗(yàn)證，在上臺(tái)階的開挖是引起圍巖大變形產(chǎn)生的重要原因。

圖3 拱頂各測(cè)點(diǎn)豎向位移模擬結(jié)果

5)初期支護(hù)剛度偏低。

經(jīng)過結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，在現(xiàn)有的支護(hù)體系下，YK90+479斷面拱頂處彎矩為61.16 kN·m，軸力為 592.66 kN，安全系數(shù)為 0.94，安全儲(chǔ)備已達(dá)到臨界狀態(tài)(見圖4，圖5)。在這種支護(hù)體系下，拱頂部位的噴混凝土易出現(xiàn)拉裂、錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象，與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)病害相符(見圖6，圖7)。

圖4 YK90+479斷面彎矩圖

圖5 YK90+479斷面軸力圖

圖6 YK90+479斷面拱頂初期支護(hù)開裂

圖7 YK90+479附近拱頂初期支護(hù)開裂

4 結(jié)語

貴州某隧道在施工過程中，洞口淺埋段出現(xiàn)圍巖變形量較大。通過選取斷面YK90+479進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)分析，并結(jié)合相應(yīng)的數(shù)值模擬計(jì)算，得出以下結(jié)論:

1)YK90+479處圍巖變形整體呈“下降～平緩”趨勢(shì)，且可分為4個(gè)變形階段:急劇變形階段、快速變形階段、緩慢變形階段、趨于穩(wěn)定階段;2)判定YK90+479處的變形為圍巖大變形;3)查明了大變形的成因主要有:Ⅴ級(jí)圍巖、地下水作用、洞身埋深淺、上臺(tái)階開挖擾動(dòng)大、初期支護(hù)剛度偏低等。其中，Ⅴ級(jí)圍巖、地下水作用、洞身埋深淺是客觀存在的地質(zhì)事實(shí)，不因人類活動(dòng)所改變;而上臺(tái)階開挖擾動(dòng)大、初期支護(hù)剛度偏低則可通過進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以降低大變形事故的發(fā)生概率。

［1］ 姜 云，李永林，李天斌，等.隧道工程圍巖大變形類型與機(jī)制研究［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2004，15(4):46-51.

［2］ 喻 渝.擠壓性圍巖支護(hù)大變形的機(jī)理及判定方法［J］.世界隧道，1998(1):46-51.

［3］ 王毅才.隧道工程［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［4］ 徐林生，李永林，程崇國(guó).公路隧道圍巖變形破裂類型與等級(jí)的判定［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，21(2):16-20.

［5］ 劉志春，朱永全，李文江，等.擠壓性圍巖隧道大變形機(jī)理及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30(5):690-697.

［6］ 劉 高，張帆宇，李新召，等.木寨嶺隧道大變形特征及機(jī)理分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(S2):5521-5526.

［7］ 張連成，葉 飛，謝永利.軟弱破碎圍巖隧道大變形機(jī)理及處治［J］.公路交通技術(shù)，2011，28(12):94-100.

［8］ 沈 峰，成詞峰，劉桂兵.通省特長(zhǎng)隧道軟巖大變形機(jī)理及處置措施［J］.施工技術(shù)，2011，40(351):46-50.

［9］ 劉清松.擠壓性軟弱圍巖隧道大變形控制技術(shù)的研究［D］.成都:西南交通大學(xué)碩士論文，2004.

［10］ 雷 軍.淺埋偏壓、軟弱圍巖雙線隧道大變形施工控制技術(shù)［J］.國(guó)防交通工程與技術(shù)，2013(3):42-44.

［11］ 沈軍明.關(guān)角隧道板巖大變形機(jī)制分析及防治措施［J］.鐵道建筑，2013(5):102-104.

［12］ 孟陸波，李天斌，龔 勇.基于模糊層次綜合評(píng)判的大變形預(yù)測(cè)方法［J］.成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，37(2):195-200.

［13］ 王祥秋，楊林德，高文華.高速公路偏壓隧道施工動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與有限元仿真模擬［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(2):284-289.

［14］ 郇 瀾.淺埋隧道施工監(jiān)測(cè)與三維有限元仿真模擬［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012(1):81-87.

［15］ 廖 彬.國(guó)道213線龍眼睛隧道圍巖大變形破壞模式及圍巖穩(wěn)定性三維數(shù)值模擬［D］.成都:成都理工大學(xué)碩士論文，2007.

［16］ 張祉道.關(guān)于擠壓性圍巖隧道大變形的探討與研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2003，40(2):5-12.