凝灰?guī)r軟化對(duì)隧道開挖與支護(hù)影響研究*

楊善成 白永厚 謝全敏

(1.中交二公局第四工程有限公司 洛陽(yáng) 471013; 2.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 武漢 430070)

隨著我國(guó)公路交通的迅猛發(fā)展，在中西部多山地區(qū)隧道建設(shè)過(guò)程中常需穿越地質(zhì)條件差的地層，凝灰?guī)r地層就是其中一種[1-2]。由于凝灰?guī)r具有遇水軟化等特性，使得隧道在施工過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生大變形、塌方等事故，嚴(yán)重威脅著施工人員及設(shè)備安全，帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失[3-4]。因此，有必要結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)凝灰?guī)r隧道開挖與支護(hù)過(guò)程中圍巖遇水軟化情況進(jìn)行研究。本文依托在建的西藏林拉高速公路米拉山隧道，研究圍巖遇水軟化對(duì)隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響程度，及隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)在隧道開挖不同階段圍巖遇水軟化所引起的力學(xué)響應(yīng)，評(píng)價(jià)隧道后期的安全性，指導(dǎo)施工。

1 凝灰?guī)r軟化影響實(shí)測(cè)結(jié)果分析

圖1為米拉山隧道YK4480+495斷面拱頂沉降及周邊收斂實(shí)測(cè)曲線，圖2為米拉山隧道YK4480+495斷面拱頂沉降速率及周邊收斂速率曲線。由圖1及圖2可見(jiàn)，隧道上臺(tái)階開挖后前10 d，拱頂沉降及周邊收斂速率小且較穩(wěn)定，但從開挖后的第11 d開始，拱頂沉降及周邊收斂速率開始快速增大，這是由于受斷層影響，加上持續(xù)的降雨，地表水沿?cái)鄬訚B入隧道所在圍巖地層，圍巖開始遇水軟化，經(jīng)過(guò)7 d以后，變形速率逐漸減小并趨于穩(wěn)定，在下臺(tái)階準(zhǔn)備開挖前幾天，拱頂沉降達(dá)到186.83 mm，上臺(tái)階周邊收斂達(dá)到287.60 mm，下臺(tái)階開挖后幾天，拱頂沉降速率又開始變大，下臺(tái)階周邊收斂速率較均勻，后期隨著仰拱的施作和圍巖應(yīng)力釋放，變形速率開始減小，最終沉降速率為1.86 mm/d，下臺(tái)階周邊收斂速率為1.07 mm/d。最終拱頂沉降量為226.85 mm，上臺(tái)階周邊收斂達(dá)到287.60 mm，下臺(tái)階周邊收斂為18.30 mm。由此可知，凝灰?guī)r遇水軟化對(duì)米拉山隧道圍巖變形影響十分明顯。

圖1 YK4480+495斷面拱頂沉降及周邊收斂曲線圖

圖2 YK4480+495斷面拱頂沉降及周邊收斂速率曲線圖

2 凝灰?guī)r軟化隧道影響數(shù)值計(jì)算分析

2.1 計(jì)算模型

由于公路隧道屬于細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物，即隧道的橫斷面相對(duì)于縱向的長(zhǎng)度來(lái)說(shuō)很小，可以假定在圍巖荷載作用下只有橫向位移，而沒(méi)有縱向位移。建模尺寸以隧道為中心水平向取60 m，豎向取80 m；兩側(cè)邊施加X(jué)方向約束，底邊施加X(jué)和Y方向約束；隧道圍巖材料特性按均質(zhì)彈塑性考慮，采用彈塑性有限元模型，屈服條件為德魯克-普拉格(Drucker-Prager)[5-6]；圍巖采用三維實(shí)體單元，錨桿采用cable桿單元，初期支護(hù)采用shell結(jié)構(gòu)單元，二次支護(hù)采用三維實(shí)體單元，仰拱采用三維實(shí)體單元，仰拱和圍巖之間用接觸面處理[7-8]。在隧道結(jié)構(gòu)的附近采用細(xì)密單元，模型單元總數(shù)55 142個(gè),節(jié)點(diǎn)總數(shù)76 806個(gè)。有限元網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 計(jì)算模型

2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)米拉山隧道工程地質(zhì)地勘報(bào)告資料，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)類比，確定米拉山隧道計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算參數(shù)表

2.3 計(jì)算工況與測(cè)點(diǎn)布設(shè)

為研究凝灰?guī)r軟化對(duì)米拉山隧道開挖與支護(hù)的影響，選擇了4種計(jì)算工況：①未遇水情況下的隧道開挖與支護(hù)(工況1)；②上臺(tái)階開挖以后，下臺(tái)階開挖以前圍巖遇水軟化后，再進(jìn)行下臺(tái)階開挖(工況2)；③二次襯砌支護(hù)完成后圍巖遇水軟化(工況3)；④上臺(tái)階開挖后圍巖遇水軟化，初期支護(hù)變形未完成就進(jìn)行下臺(tái)階開挖和二次襯砌的施作(工況4)。

為便于研究，布置如圖4所示監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1，2，3，4，5，6，7和8分別代表隧道位置為左拱腳、左邊墻、左拱肩、拱頂、右拱肩、右邊墻、右拱腳和拱底。

圖4 隧道測(cè)點(diǎn)布置

2.4 計(jì)算結(jié)果與分析

2.4.1凝灰?guī)r遇水軟化對(duì)隧道圍巖及初襯支護(hù)的影響分析

1) 圍巖變形位移分析。工況1與工況2圍巖各測(cè)點(diǎn)豎向位移見(jiàn)圖5所示。

圖5 工況1與工況2圍巖各測(cè)點(diǎn)豎向位移曲線

由圖5可見(jiàn)，除8號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)外，其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)工況2下圍巖豎向位移均大于工況1下圍巖豎向位移，其中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和7豎向位移相差不明顯，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2至6豎向位移相差明顯，由此可知，凝灰?guī)r軟化后圍巖發(fā)生的變形是未發(fā)生軟化的圍巖變形的5～6倍，最大豎向位移值約27 cm，與圖1中的實(shí)測(cè)最大拱頂豎向沉降值29 cm比較接近，這進(jìn)一步說(shuō)明了凝灰?guī)r軟化后米拉山隧道圍巖變形很大，嚴(yán)重影響隧道的開挖與支護(hù)。

2) 圍巖應(yīng)力分析。工況1與工況2隧道周邊圍巖各測(cè)點(diǎn)第一主應(yīng)力見(jiàn)圖6。

圖6 工況1與工況2監(jiān)測(cè)點(diǎn)圍巖第一主應(yīng)力曲線

由圖6可見(jiàn)，2種工況下，除監(jiān)測(cè)點(diǎn)8處圍巖第一主應(yīng)力相差較大外，其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)處圍巖第一主應(yīng)力均相差不大。監(jiān)測(cè)點(diǎn)8處工況2下第一主應(yīng)力小于工況1下第一主應(yīng)力，其原因是圍巖軟化后，拱底變形增大，應(yīng)力得到釋放。

3) 噴射混凝土層內(nèi)力分析。工況1與工況2監(jiān)測(cè)點(diǎn)處噴射混凝土層彎矩見(jiàn)圖7所示，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處噴射混凝土層剪力見(jiàn)圖8所示，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處噴射混凝土層軸力見(jiàn)圖9所示。

圖7 工況1與工況2各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處噴射混凝土彎矩曲線

由圖7可見(jiàn)，除兩側(cè)拱腳處外，其余各處監(jiān)測(cè)點(diǎn)噴射混凝土層彎矩相差明顯，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處彎矩值越小，2種工況下彎矩值相差也就越小，反之越大。最大彎矩值均出現(xiàn)在兩側(cè)拱肩處，拱頂處彎矩相對(duì)較小。由此可見(jiàn)，圍巖在上臺(tái)階開挖后遇水軟化再進(jìn)行隧道的開挖與支護(hù)最終噴射混凝土層的彎矩變化非常明顯。

圖8 工況1與工況2各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處噴射混凝土剪力曲線

由圖8可見(jiàn)，2種工況下兩側(cè)拱腳、拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)處剪力相差相對(duì)較小，剪力相對(duì)差值最大的位置出現(xiàn)在兩側(cè)邊墻處，工況2條件下邊墻處的剪力明顯增大，其原因是上臺(tái)階開挖后圍巖遇水軟化，噴射混凝土層在水平方向受到向隧道方向的壓力增大，并且隧道內(nèi)部下臺(tái)階圍巖也軟化，使得抵抗變形的作用力減小。

圖9 工況1與工況2各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處噴射混凝土軸力曲線

由圖9可見(jiàn)，在2種工況下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處噴射混凝土層的軸力相差均不大，除左拱肩、拱頂處噴射混凝土層軸力在工況2條件下略大于工況1外，其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)處噴射混凝土層軸力都是工況1條件下大于工況2條件下。由此可知，上臺(tái)階開挖圍巖遇水軟化后再進(jìn)行隧道的開挖與支護(hù)，最終噴射混凝土層的軸力影響較小。

2.4.2凝灰?guī)r遇水軟化對(duì)二次襯砌及仰拱的影響分析

1) 工況3、工況4二次襯砌豎向位移分析。工況3、工況4二次襯砌及仰拱豎向位移變化見(jiàn)圖10。

圖10 工況3、工況4各監(jiān)測(cè)點(diǎn)二次襯砌豎向位移曲線

由圖10可見(jiàn)，工況3條件下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處二次襯砌豎向位移均向下，仰拱處監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置豎向位移向上；工況4條件下監(jiān)測(cè)點(diǎn)處二次襯砌豎向位移除兩側(cè)拱腳向上外，其余都向下，但值都很小，仰拱處監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置豎向位移也向上，最終豎向位移和工況3條件下相差不大。由此可知，在隧道變形未完成就施作二次襯砌的工況下，二次襯砌的最終位移小于二次襯砌施作完成后位移遇水軟化的工況，且仰拱的向上凸起工況也小于后者。

2) 4種工況二次襯砌及仰拱的受力狀態(tài)分析。4種工況二次襯砌及仰拱處各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處第一主應(yīng)力變化見(jiàn)圖11所示，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)第三主應(yīng)力變化見(jiàn)圖12所示。

圖11 4種工況各測(cè)點(diǎn)二次襯砌及仰拱第一主應(yīng)力曲線

由圖11可見(jiàn)，工況1條件下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處二次襯砌和仰拱第一主應(yīng)力除左拱肩外均小于其他工況，工況3條件下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)第一主應(yīng)力除右邊墻外均大于其他工況，其中拱頂處相差最明顯。由此可見(jiàn)，不同時(shí)期的圍巖遇水軟化導(dǎo)致最終二次襯砌的第一主應(yīng)力不同，總體來(lái)看，圍巖的軟化會(huì)導(dǎo)致二次襯砌的第一主應(yīng)力增大。

圖12 不同工況測(cè)點(diǎn)二次襯砌及仰拱第三主應(yīng)力曲線

由圖12可見(jiàn)，工況1和工況2條件下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處二次襯砌及仰拱的第三主應(yīng)力基本相同，而工況3、工況4條件下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)二次襯砌及仰拱的第三主應(yīng)力依次增大，其原因是前2種工況圍巖變形基本完成后再施作二次襯砌，最終穩(wěn)定后二次襯砌最終受到圍巖的作用力較小，而后2種工況下圍巖變形未完成或后期軟化后圍巖抵抗變形能力變差，導(dǎo)致二次襯砌及仰拱受到圍巖的作用力增大，故各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處二次襯砌及仰拱的第三主應(yīng)力增大。由此可見(jiàn)，圍巖遇水軟化對(duì)二次襯砌及仰拱的最終第三主應(yīng)力影響明顯。

3 結(jié)論

1) 從變形方面來(lái)看，無(wú)論是在開挖階段還是后期運(yùn)營(yíng)階段，隧道圍巖遇水軟化后對(duì)隧道的影響均非常明顯。在開挖階段隧道圍巖遇水軟化后，隧道變形加劇，最終變形量遠(yuǎn)大于軟化前的變形量。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，隧道的變形量大部分發(fā)生在隧道的下臺(tái)階開挖以前，下臺(tái)階開挖以后隧道變形量相對(duì)較小。因此在圍巖遇水軟化的條件下進(jìn)行隧道的開挖時(shí)，下臺(tái)階須緊跟上臺(tái)階開挖，快速將隧道封閉成環(huán)，這樣可減小隧道變形量。工況1、工況2、工況3開挖時(shí)下臺(tái)階分左、右部分開挖，仰拱也分左、右部分施作，但工況4是下臺(tái)階一步開挖完成，仰拱一次施作，從隧道變形方面來(lái)看，后種開挖方案使得隧道最終變形更能呈現(xiàn)對(duì)稱分布。前2種工況下二次襯砌及仰拱的變形量很小，而后2種工況下二次襯砌及仰拱的變形相應(yīng)增大。

2) 從初期支護(hù)受力來(lái)看，隧道圍巖遇水軟化后，噴射混凝土層、錨桿的受力均明顯增大。初期支護(hù)的受力在下臺(tái)階開挖以前增大明顯，下臺(tái)階開挖以后受力增大相對(duì)較小。錨桿最大受力部位出現(xiàn)在橫向變形最大的部位，圍巖遇水軟化后，錨桿在達(dá)到屈服強(qiáng)度前就已經(jīng)和圍巖產(chǎn)生滑移。因此，在這種條件下進(jìn)行隧道設(shè)計(jì)時(shí)，須折減錨桿的作用效果。隧道下臺(tái)階處的錨桿，在圍巖沒(méi)有遇水軟化時(shí)，錨桿的受力相對(duì)很小，尤其是最后施作的右側(cè)下臺(tái)階處的錨桿，且在圍巖遇水軟化后其受力也是如此，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)可考慮減弱該部位錨桿的力學(xué)效應(yīng)。

3) 從二次襯砌及仰拱受力方面來(lái)看，工況3和工況4下二次襯砌及仰拱的受力均明顯大于工況1和工況2下。工況2下圍巖也遇水軟化，但在施作二次襯砌前其變形基本完成，二次襯砌后期受到圍巖的作用力減小，因此這種工況下二次襯砌及仰拱的最終受力均小于工況3和工況4。在工況4時(shí)，下臺(tái)階一次開挖，仰拱一次施作，從最終仰拱的受力工況來(lái)看，這種工況下仰拱的受力成對(duì)稱分布，其他3種工況仰拱均為左、右分步開挖，仰拱的最終受力不成對(duì)稱分布。因此，從隧道的變形、初期支護(hù)的受力、二次襯砌及仰拱的受力工況來(lái)看，在圍巖軟化的工況下進(jìn)行隧道的開挖時(shí)，下臺(tái)階一次性開挖、仰拱一次性施作對(duì)隧道的安全性和穩(wěn)定性方面均有提高。

由上可知，米拉山隧道凝灰?guī)r遇水軟化后對(duì)隧道圍巖和支護(hù)的變形影響非常明顯。因此，必須采取以防水為重點(diǎn)的工程措施，防止凝灰?guī)r軟化，增加圍巖強(qiáng)度、減小圍巖塑性變形區(qū)范圍和控制隧道位移，具體措施有：防止圍巖與地下水接觸，減小米拉山隧道圍巖軟化程度；開挖后及時(shí)進(jìn)行圍巖注漿與噴漿加固，形成封閉帶，減少圍巖遇潮濕的空氣和水后吸水機(jī)會(huì)；適當(dāng)增設(shè)和加強(qiáng)米拉山隧道排水系統(tǒng)功能；通過(guò)施加圍巖錨桿提高凝灰?guī)r抗剪和抗拉強(qiáng)度，利用掛網(wǎng)改善圍巖應(yīng)力分布，減小局部應(yīng)力集中造成的圍巖破壞；加強(qiáng)隧道圍巖變形監(jiān)控量測(cè)與管理，充分發(fā)揮監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息功能，以便在圍巖開挖后最佳支護(hù)時(shí)間內(nèi)完成隧道合理支護(hù)。

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