昔格達(dá)地層隧道圍巖穩(wěn)定性及系統(tǒng)錨桿功效研究

， ，， ,

(1.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2.中國(guó)中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，重慶 401121)

昔格達(dá)地層是我國(guó)攀西地區(qū)的一種軟弱半成巖，主要分布于金沙江及其支流大渡河、雅碧江和安寧河的河谷地區(qū)[1]。昔格達(dá)地層具有開(kāi)挖后易風(fēng)化及遇水易泥化崩解的特性，其工程性質(zhì)介于極軟巖與土之間。近年來(lái)，隨著我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的逐步推進(jìn)，在川西南地區(qū)出現(xiàn)大量穿越昔格達(dá)地層的公路、鐵路隧道[2]。

因昔格達(dá)地層隧道的特殊性，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者已對(duì)其開(kāi)展了研究。文獻(xiàn)[3]根據(jù)昔格達(dá)地層的水敏感性，對(duì)該地層隧道圍巖進(jìn)行亞級(jí)分級(jí)。文獻(xiàn)[4]對(duì)昔格達(dá)地層隧道的圍巖災(zāi)變特征進(jìn)行了分析，認(rèn)為含水率為25%時(shí)是該地層隧道的災(zāi)變臨界點(diǎn)。文獻(xiàn)[5]對(duì)昔格達(dá)地層隧道圍巖和初期支護(hù)變形特征進(jìn)行了研究，并對(duì)隧道預(yù)留變形量設(shè)置提出了建議。文獻(xiàn)[6-7]基于強(qiáng)度折減法對(duì)隧道圍巖破壞機(jī)理及穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

以往文獻(xiàn)對(duì)于昔格達(dá)地層隧道的研究多集中于隧道圍巖變形特征及控制技術(shù)上，對(duì)錨桿的加固效果研究不多。本文通過(guò)數(shù)值模擬方法，探求昔格達(dá)地層隧道整體失穩(wěn)機(jī)制，分析隧道圍巖含水率和隧道埋深對(duì)隧道在無(wú)支護(hù)條件下穩(wěn)定性的影響，為昔格達(dá)地層隧道的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 工程概況

冉家灣隧道位于成昆鐵路復(fù)線攀枝花段，隧道穿越青龍山、馬家田、花城新區(qū)等，地形起伏大，隧址區(qū)相對(duì)高程100～650 m，自然坡度15°～45°。隧道全長(zhǎng)12.877 km，為單洞雙線隧道，隧道開(kāi)挖高度為12.14 m，跨度為12.96 m，開(kāi)挖面積達(dá)到133 m2，屬于大斷面隧道。隧道設(shè)計(jì)時(shí)速160 km，采用復(fù)合式襯砌。

冉家灣隧道所穿越的昔格達(dá)地層巖性主要是頁(yè)巖夾砂巖和砂巖夾頁(yè)巖，具有較強(qiáng)的水敏性(見(jiàn)圖1)，工程性質(zhì)隨含水率的增加急劇劣化[8]。

圖1 昔格達(dá)地層遇水前后形態(tài)

隧址旱季流量較小，雨季流量較大。地下水總體不發(fā)育，以孔隙潛水為主，主要以滲流方式受大氣降水和地表水供給，且水對(duì)混凝土無(wú)侵蝕。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型的建立

本文采用有限差分軟件FLAC 3D進(jìn)行模擬分析，選取成昆鐵路冉家灣隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面。依據(jù)隧道力學(xué)理論，隧道開(kāi)挖后的應(yīng)力影響范圍為3～5倍隧道洞徑[9-10]。模型見(jiàn)圖2。

2.2 參數(shù)的選取

不同含水率下昔格達(dá)地層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 不同含水率下昔格達(dá)地層物理力學(xué)參數(shù)

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

2.3 模擬結(jié)果與分析

2.3.1 折減系數(shù)對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響

冉家灣隧道圍巖含水率26.6%、埋深45 m時(shí)，圍巖變形與強(qiáng)度折減系數(shù)關(guān)系曲線見(jiàn)圖3?？梢?jiàn)：隨著折減系數(shù)的增大，拱頂沉降、邊墻和墻腳處水平收斂均逐漸增大，基本成線性關(guān)系，折減系數(shù)為1.44時(shí)各項(xiàng)位移值發(fā)生突變，隧道處于極限平衡狀態(tài)。

圖3 圍巖變形與強(qiáng)度折減系數(shù)的關(guān)系曲線

為直觀分析隧道整體失穩(wěn)破壞機(jī)制，選取不同強(qiáng)度折減系數(shù)下最大塑性剪應(yīng)變，見(jiàn)圖4。

圖4 最大塑性剪應(yīng)變?cè)茍D

從圖4可以看到隧道變形失穩(wěn)的全過(guò)程。折減系數(shù)較小時(shí)，塑性剪應(yīng)變分布在隧道兩側(cè)，拱頂塑性剪應(yīng)變較小，此時(shí)隧道處于穩(wěn)定狀態(tài)；隨著折減系數(shù)的增大，塑性剪應(yīng)變范圍擴(kuò)大，進(jìn)而向拱頂擴(kuò)展，塑性剪應(yīng)變范圍呈“雙耳”狀，此時(shí)隧道處于極限狀態(tài)。

2.3.2 含水率對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響

隧道埋深45 m時(shí)不同含水率下隧道整體安全系數(shù)見(jiàn)圖5。

圖5 不同含水率下隧道整體安全系數(shù)

從圖5可以看出含水率對(duì)隧道整體穩(wěn)定性影響顯著。當(dāng)含水率低于20%時(shí)，安全系數(shù)與含水率基本成線性關(guān)系；當(dāng)含水率超過(guò)20%時(shí)，安全系數(shù)急劇下降;當(dāng)含水率為30%時(shí)，隧道無(wú)自穩(wěn)能力。

2.3.3 各項(xiàng)加固措施對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響

對(duì)無(wú)支護(hù)毛洞、僅設(shè)置系統(tǒng)錨桿、僅噴射混凝土和噴射混凝土+設(shè)置系統(tǒng)錨桿4種工況進(jìn)行分析。天然含水率下淺埋和深埋時(shí)隧道各特征點(diǎn)折減系數(shù)與位移的關(guān)系曲線分別見(jiàn)圖6、圖7。不同工況下隧道安全系數(shù)見(jiàn)表3。

由圖6、圖7和表3可以看出：

圖6 淺埋時(shí)隧道不同工況下折減系數(shù)與位移的關(guān)系曲線

圖7 深埋時(shí)隧道不同工況下折減系數(shù)位移曲線

1)設(shè)置系統(tǒng)錨桿對(duì)淺埋、深埋隧道安全系數(shù)的提升率分別為4.54%和3.11%，噴射混凝土對(duì)淺埋、深埋隧道安全系數(shù)的提升率分別為33.48%和29.18%。因此可認(rèn)為設(shè)置系統(tǒng)錨桿不能有效提高隧道結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備，噴射混凝土對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響比設(shè)置系統(tǒng)錨桿明顯。

表3 不同工況下隧道安全系數(shù)

2)從各特征點(diǎn)的位移和隧道整體安全系數(shù)來(lái)看，各工況下隧道的安全性排序?yàn)椋簢娚浠炷?設(shè)置系統(tǒng)錨桿>僅噴射混凝土>僅設(shè)置系統(tǒng)錨桿>毛洞。

3)隨著折減系數(shù)的增大，淺埋隧道無(wú)支護(hù)時(shí)各特征點(diǎn)位移始終表現(xiàn)為拱頂沉降>邊墻處水平收斂>墻腳處水平收斂。說(shuō)明淺埋隧道從拱部開(kāi)始破壞，并逐漸蔓延至邊墻。隨著折減系數(shù)的增大，圍巖破壞向深部發(fā)展，最終引起隧道整體失穩(wěn)。

4)深埋隧道無(wú)支護(hù)且折減系數(shù)較小時(shí)，各特征點(diǎn)的位移：邊墻處水平收斂>拱頂沉降>墻腳處水平收斂；當(dāng)折減系數(shù)達(dá)到1.44時(shí)，隧道各特征點(diǎn)的位移：拱頂沉降>邊墻處水平收斂>墻腳處水平收斂。說(shuō)明深埋隧道從邊墻開(kāi)始破壞，逐步蔓延至拱頂，引起隧道整體失穩(wěn)。

3 結(jié)論

1)昔格達(dá)地層隧道穩(wěn)定性隨著圍巖含水率的增加而減小。當(dāng)含水率在20%以下時(shí)隧道具有一定的自穩(wěn)能力，當(dāng)含水率超過(guò)20%時(shí)隧道開(kāi)挖需要采取一定的超前支護(hù)措施。

2)噴射混凝土對(duì)昔格達(dá)地層隧道安全系數(shù)的提升率大于設(shè)置系統(tǒng)錨桿。天然含水率下淺埋昔格達(dá)地層隧道破壞從拱部開(kāi)始，延伸至邊墻；深埋昔格達(dá)地層隧道破壞從邊墻開(kāi)始，蔓延至拱部。