緩傾泥頁巖互層隧道開挖的圍巖松動圈形態(tài)研究

楊平慶，邵 蔚，王長柏，周 志，陳云超

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 安徽 淮南 232001；2.河南省南陽市水利建筑勘測設(shè)計院， 河南 南陽 473068； 3.蘇交科集團(tuán)股份有限公司， 江蘇 南京 210000)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鐵路和高速公路的隧洞工程建設(shè)進(jìn)入了高速發(fā)展期。建設(shè)過程中不可避免地出現(xiàn)大量隧道[1]，隧道的建設(shè)開挖，打破了原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，當(dāng)圍巖重分布應(yīng)力超過其承載力極限時，巖體產(chǎn)生破壞甚至發(fā)生開裂、巖爆以及坍塌現(xiàn)象[2-3]。

圍巖松動圈是在應(yīng)力重分布的過程中，圍巖裂隙從隧道開挖面逐步向深處擴(kuò)展，以重新達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài)時形成的破裂區(qū)域[4]。圍巖松動圈的形態(tài)與開挖方式、支護(hù)設(shè)計等密切相關(guān)，目前對圍巖松動圈的研究主要針對勻質(zhì)圍巖，對于各向異性的非勻質(zhì)圍巖的研究比較少。例如，池田和彥[5]首次利用聲測法對圍巖松動區(qū)現(xiàn)場測試，并提出圍巖松動的厚度與隧道參數(shù)及巖體波速的關(guān)系式。L.Z.Wojno[6]根據(jù)圍巖破碎程度以及墻體位移對圍巖進(jìn)行分類，定義為正常和嚴(yán)重兩種狀態(tài)，并對松動下的圍巖提出支護(hù)建議。長春煤炭科研所于1977年研制出適用于礦山條件下的超聲波圍巖裂隙探測儀，使聲波探測圍巖松動圈進(jìn)入快速發(fā)展時期。周黎明等[7]通過對隧道圍巖松動區(qū)聲波法測試，發(fā)現(xiàn)斷面上部比斷面下部的松動區(qū)厚度大，且松動區(qū)巖體靜彈性模量值較完整性巖體明顯降低。樊克恭等[8]利用數(shù)值模擬分析了軟弱圍巖巷道的塑性區(qū)，指出弱結(jié)構(gòu)部位松動圈厚度較大，非弱結(jié)構(gòu)部位松動圈厚度較小，軟弱圍巖巷道的松動圈形態(tài)特征與塑性發(fā)育區(qū)特征基本一致。近年來，隨著工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的累計和豐富，部分學(xué)者提出了新的認(rèn)知理論和分析方法，如王睿等[9]基于Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則，提出理想狀態(tài)下圍巖松動圈厚度的計算公式，其結(jié)果對公路隧道圍巖隧道松動范圍的估算中具有一定的準(zhǔn)確性和適用性。

由于地層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，大多數(shù)隧道開挖地層隧道開挖面臨的是不同巖性組合的地層結(jié)構(gòu)，單一均質(zhì)地層結(jié)構(gòu)在實(shí)際中并不多見。因此，研究組合巖層結(jié)構(gòu)條件下隧道圍巖松動圈形態(tài)特點(diǎn)對實(shí)際工程具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[10-11]。本文結(jié)合緩傾泥頁巖互層地層中的某隧道，針對其開挖過程中出現(xiàn)的變形破壞問題，采用有限元分析軟件對不同巖體應(yīng)力條件下的圍巖松動特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與現(xiàn)場測試結(jié)果進(jìn)行了對比分析，確定了隧道圍巖的松動形態(tài)特征和深度范圍，并針對非均質(zhì)地層特點(diǎn)提出了相應(yīng)的支護(hù)建議，為后續(xù)的隧道設(shè)計及圍巖加固提供了參考，有效地保證了隧道的安全順利施工。

1 現(xiàn)場工程背景

該隧道位于四川省涼山彝族自治州境內(nèi)，地層巖性主要為侏羅系中統(tǒng)益門組(J2y)泥巖，弱風(fēng)化帶，屬Ⅳ級軟石，紫紅、深紫色，中厚層狀長石石英砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖、頁巖，節(jié)理裂隙發(fā)育；三疊系上統(tǒng)白果灣組(T3b)砂巖、泥巖、粉砂巖夾炭質(zhì)頁巖及煤，灰色，中厚層狀細(xì)、中粒巖屑，石英砂巖、粉砂巖、深灰色炭質(zhì)水云母黏土巖、頁巖，底部夾部分煤層、弱風(fēng)化帶，屬Ⅳ級軟石。巖層層理傾向?yàn)镹20°E左右，傾角在13°～25°SE左右，整體為緩傾巖層。

當(dāng)隧道施工至中—薄層頁巖及泥巖區(qū)段時，現(xiàn)場陸續(xù)發(fā)現(xiàn)進(jìn)口平導(dǎo)出現(xiàn)底板隆起開裂，拱頂變形下沉，拱部左側(cè)初期支護(hù)混凝土開裂掉塊，右側(cè)邊墻初期支護(hù)大面積崩落。根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計，平導(dǎo)初支開裂主要分布在左側(cè)拱腰部位，隆起最大值接近30 cm，裂縫縱向延伸，寬度達(dá)到9.0 cm，混凝土剝落掉塊嚴(yán)重。采取臨時措施，用C25混凝土補(bǔ)噴、封閉平整后，底部隆起及下沉變形仍然呈逐漸發(fā)展趨勢。

針對該隧道緩傾中薄層泥巖和頁巖段支護(hù)破壞情況，根據(jù)開挖段的地層特征和巖體參數(shù)，利用有限元分析軟件建立模型進(jìn)行仿真分析，并與現(xiàn)場測試結(jié)果對比，綜合分析確定圍巖的松動破壞特征和破壞機(jī)制，及時評估地下硐室圍巖穩(wěn)定狀態(tài)，指導(dǎo)施工，反饋設(shè)計，及時調(diào)整支護(hù)參數(shù)，保障硐室整體穩(wěn)定[12-14]。

2 數(shù)值模擬計算及分析

2.1 數(shù)值模擬的參數(shù)和建模

為了模擬出該工程圍巖松動圈的形態(tài)，使用RS2有限元分析軟件建模，模型大小為85 m×84 m，隧道截面寬度為12 m，高度10 m，弧形邊界。模型共劃分為9 012個網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)數(shù)為4 667個，四周剛性鉸接，圍巖定義為泥頁巖薄層相互嵌插，傾角水平逆時針13°，網(wǎng)格劃分后的模型如圖1所示，其中淺色薄層為泥巖層，深色薄層為頁巖層，模型計算參數(shù)參照樊克恭等[8]，如表1所示。

圖1 計算模型與網(wǎng)格劃分

2.2 計算結(jié)果及分析

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)資料，隧道埋深為310 m，上覆巖層密度2.65 g/cm3。為準(zhǔn)確地反映數(shù)值模擬下圍巖松動圈的形態(tài)，在硐室周圍選取8個應(yīng)力位移監(jiān)測點(diǎn)，其中1#—7#點(diǎn)對應(yīng)于現(xiàn)場的聲波測試孔K1—K7點(diǎn)，8#點(diǎn)為上頂板中心位置。

為更清楚地展示泥頁巖互層的計算模型，對巖體地應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù)λ=2.0時的計算結(jié)果圖進(jìn)行放大，并標(biāo)記地層信息(①表示泥巖、②表示頁巖)，如圖2所示。

為了分析圍巖應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù)對圍巖損傷的影響，分別取側(cè)壓力系數(shù)值為0.50、0.75、1.00、1.25、1.50、1.75和2.00代入模型中計算，得到每個側(cè)壓力系數(shù)下的圍巖松動形態(tài)[15]。

圖2隧道截面測點(diǎn)分布圖

研究結(jié)果表明：隧道斷面不同部位巖層的松動形態(tài)與范圍呈現(xiàn)如下規(guī)律：在上頂板與下底板處主要是泥巖層的破壞，泥巖損傷分布范圍較頁巖層大；而在側(cè)邊墻處，頁巖松動范圍比泥巖松動范圍大，整體呈現(xiàn)“釘齒狀”。

以此同時，隧道圍巖松動圈沿垂直于緩傾層理方向?qū)ΨQ分布，當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)較小時，損傷范圍主要集中在兩側(cè)墻，上頂板和下底板損傷范圍較??；當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)較大時，上頂板和下底板損傷區(qū)域迅速增大，而側(cè)墻損傷范圍增加不明顯。

選取隧道斷面8個監(jiān)測點(diǎn)的損傷深度平均值作為平均松動深度，與側(cè)壓力系數(shù)的變化關(guān)系如圖3所示。隨著側(cè)壓力系數(shù)增加，松動圈平均深度先基本保持不變，當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)大于1.0后，平均損傷深度隨側(cè)壓力系數(shù)的增加呈線性增長趨勢。

除此之外，隨著地應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù)增加，隧道橫截面不同部位、不同巖性的圍巖松動深度變化特征不同。分別選取隧道頂板中心、底板中心、側(cè)邊墻泥巖層、側(cè)邊墻頁巖層監(jiān)測點(diǎn)，其松動圈深度隨側(cè)壓力系數(shù)變化曲線如圖4所示。從圖4可以看出：邊墻泥巖層損傷深度基本不隨側(cè)壓力系數(shù)變化而變化，平均值為0.17 m；邊墻頁巖層則處于折線平緩上升的狀態(tài)，整體增長幅度不大；而上頂板在0.5≤λ≤1.0時，基本處于無損傷狀態(tài)，而后隨著側(cè)壓力系數(shù)的增長，上頂板損傷范圍迅速增大；下底板損傷范圍在λ=0.75有所下降之外，隨著側(cè)壓力系數(shù)增長，其損傷范圍增長速度越來越快。

圖3 側(cè)壓力系數(shù)與松動圈范圍的關(guān)系曲線

圖4不同部位松動圈范圍隨側(cè)壓力系數(shù)的變化

3 模擬值和實(shí)際值對比分析

3.1 現(xiàn)場測試與測試結(jié)果

為了全方位測量隧道圍巖損傷厚度，在隧道底板和兩側(cè)共布置7個鉆孔作為單孔聲波測試孔，編號為K1—K7，其中K1—K4孔深為5.0 m，K5—K7孔深為10 m，孔徑均為50 mm，聲波測試孔布置情況如圖5所示。

圖5聲波測試孔布置與圍巖損傷范圍圖

K1—K7測試孔的波速-深度變化曲線如圖6所示。各測試孔的巖體聲波波速在孔口附近較低，并逐漸增加直至一定深度后趨于穩(wěn)定，將此變化過程的拐點(diǎn)深度視為損傷深度[16]。例如，對于測試孔K1，孔口附近聲波波速為2 122 m/s，隨深度增加波速急劇增大，深度達(dá)1.68 m時波速達(dá)到3 879 m/s，此后只有小幅度變化，K1附近巖體損傷范圍為1.68 m。同理，可以得到K2—K7測試孔巖體損傷深度分別為1.70 m、1.50 m、1.45 m、1.60 m、1.62 m、2.53 m。

圖6實(shí)測圍巖波速隨孔深的變化

根據(jù)各聲波孔測試結(jié)果和孔位布置，可勾畫出該隧道橫截面處的圍巖平均損傷范圍，如圖5所示。聲波法測試結(jié)果表明：硐室頂板、左右兩側(cè)巖體損傷深度范圍基本一致，平均擾動深度為1.60 m左右。整體擾動深度并不是沿著隧道截面均勻延伸，而是呈現(xiàn)側(cè)壁薄板底厚的格局，其中下板底中心巖體擾動深度達(dá)到最大值2.53 m。

3.2 模擬值和實(shí)際值對比分析

根據(jù)現(xiàn)場地應(yīng)力測試資料，巖體地應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù)約為1.75。為進(jìn)行對比分析，選取數(shù)值計算中λ=1.75時，隧道圍巖各個監(jiān)測點(diǎn)的松動范圍深度，并與聲波測試結(jié)果進(jìn)行對比，如圖7所示。

從圖7可看出，K1—K7監(jiān)測點(diǎn)的損傷范圍模擬值和聲波測試值基本接近，實(shí)測值略小于模擬值，二者的吻合度較高。現(xiàn)場聲波測試缺乏上頂板測試結(jié)果，利用模擬計算結(jié)果推測，在側(cè)壓力系數(shù)λ=1.75時，上頂板的松動圈范圍深度為1.80 m，與側(cè)墻的松動范圍均值接近。平均松動圈范圍在兩側(cè)壁向下沿著截面外壁均勻向深處發(fā)展，下底板中心處的平均松動深度最大。

圖7松動圈范圍模擬值與實(shí)測值的比較

4 結(jié) 論

結(jié)合緩傾、泥頁巖互層隧道開挖工程，針對其開挖過程中出現(xiàn)的變形破壞問題，采用有限元分析軟件對不同巖體應(yīng)力條件下的圍巖松動特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與現(xiàn)場測試結(jié)果進(jìn)行了對比分析，主要得到如下結(jié)論：

(1) 隧道圍巖松動在上頂板與下底板處主要是泥巖層的破壞，泥巖損傷分布范圍較頁巖層大；而在側(cè)邊墻處，頁巖松動范圍比泥巖松動范圍大，整體呈現(xiàn)不均勻的“釘齒狀”。

(2) 隧道圍巖松動圈沿垂直于緩傾層理方向?qū)ΨQ分布，而非與隧道斷面中心對稱；當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)較小時，損傷范圍主要集中在兩側(cè)墻，上頂板和下底板損傷范圍較??；當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)較大時，上頂板和下底板損傷區(qū)域迅速增大，而側(cè)墻損傷范圍增加不明顯。

(3) 隨著側(cè)壓力系數(shù)增加，松動圈平均深度先基本保持不變，當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)大于1.0后，平均損傷深度隨側(cè)壓力系數(shù)的增加呈線性增長趨勢。

(4) 隧道不同部位、不同巖性的圍巖松動深度隨地應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù)的變化特征不同。邊墻泥巖層損傷深度基本不隨側(cè)壓力系數(shù)變化而變化，平均值為0.17 m；邊墻頁巖層則處于折線平緩上升的狀態(tài)，整體增長幅度不大；而上頂板在0.5≤λ≤1.0時，基本處于無損傷狀態(tài)，而后隨著側(cè)壓力系數(shù)的增長，上頂板損傷范圍迅速增大；下底板損傷范圍在λ=0.75有所下降之外，隨著側(cè)壓力系數(shù)增長，其損傷范圍增長速度越來越快。

(5) 通過與聲波測試結(jié)果的對比，發(fā)現(xiàn)數(shù)值計算的圍巖損傷范圍平均值與聲波測試值基本吻合。但聲波測試結(jié)果為圍巖損傷范圍的平均值，無法反映隧道圍巖不同部位的“釘齒狀”損傷形態(tài)和非對稱分布特征。

(6) 建議實(shí)施有針對性的支護(hù)設(shè)計，尤其注意加強(qiáng)隧道頂部左側(cè)和底部右側(cè)的加固支護(hù)措施，可有效防止發(fā)生初期支護(hù)混凝土開裂掉塊、右側(cè)底板開裂破壞情況，為后續(xù)的隧道設(shè)計及圍巖加固提供了參考，有效地保證了隧道的安全順利施工。