鄂北丘陵崗地區(qū)淺埋隧洞劣質圍巖支護數(shù)值模擬研究

趙 軍，王金鑫，曾志全，邱士利

(1.安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001；2.中國電建集團華東勘測設計研究院華東建設工程有限公司，浙江 杭州 310014; 3.中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點試驗室，湖北 武漢 430071；4.中國科學院大學工程科學學院，北京 100049)

圍巖穩(wěn)定性問題是淺埋隧洞工程中最為突出的工程地質問題，比如拱頂塌落、邊墻擠入、突發(fā)巖爆、支護斷裂、底板隆起和圍巖開裂等[1]。巖體歷經無數(shù)次地質構造作用，巖體中生成了錯綜復雜的結構面[2]。這些地質問題直接導致巖體成為劣質巖，劣質巖的最顯著特征是在工程環(huán)境中具有顯著的“劣化”特性，是與工程災害和事故密切關聯(lián)的“問題巖體”[3]。劣質巖既涉及到巖石自身的材料性質、結構組成又涉及到外界環(huán)境改變的控制作用，因而劣質巖的工程問題具有極其的復雜性[4]。目前，國內外專家及學者針對隧道劣質圍巖的變形機理[5-9]及圍巖支護技術和作用效果[10-11]等做了大量研究。

盡管大量學者們針對不同類型的劣質巖已開展了特性總結工作，但目前對劣質巖的認知上還停留在工程行為的定性總結階段，對劣質圍巖條件下隧洞巖體力學參數(shù)估計、圍巖力學行為與支護結構間相互作用機制和數(shù)值模擬[12-14]等方面研究仍十分欠缺。鑒于此，本文通過巖石力學實驗與數(shù)值模擬結合的方法探究劣質巖在淺埋隧洞中的圍巖穩(wěn)定性問題。

1 工程背景與工程問題

鄂北地區(qū)水資源配置工程是湖北省委省政府規(guī)劃實施的從根本上解決鄂北地區(qū)干旱缺水問題的重大戰(zhàn)略民生工程。唐縣-尚市隧洞全長16.55km，埋深淺(約20～65m)，斷面大(最大開挖直徑7.8m)，穿越地層復雜，圍巖條件差(其中Ⅴ類圍巖14.7km，占89%)，圍巖穩(wěn)定性差且大都是劣質巖，施工難度大。隧洞沿線穿越復雜的軟弱破碎巖層，圍巖完整性差，無自穩(wěn)能力。隧洞施工與地表耦聯(lián)性強大，斷面隧洞開挖存在頂拱沉降過大、施工爆破振動控制不當?shù)葐栴}，均對上部建筑物安全和人民生活帶來極大負面影響。

2 劣質巖體力學參數(shù)估計方法

在巖土工程穩(wěn)定性研究中，工程巖體力學參數(shù)的研究及確定是關鍵問題之一[15]，參數(shù)選擇的正確與否對計算結果的準確性起著至關重要的作用[16]。在目前的圍巖分級系統(tǒng)中，只有GSI圍巖分級系統(tǒng)是直接與巖體參數(shù)相聯(lián)系的。而通過定量的圍巖分級系統(tǒng)，可以減少對工程經驗的依賴，且方便易行[17]。

2.1 GSI分類與Hoek-Brown準則

GSI圍巖分級系統(tǒng)是在多年實踐經驗的基礎上發(fā)展起來的，目的是為了修正 Hoek-Brown巖體破壞準則，估算巖體的Hoek-Brown準則參數(shù)s、α和mb，修正不同地質條件下巖體的強度。Hoek和Brown基于Griffith的脆性斷裂理論，通過對大量巖石三軸試驗資料和巖體現(xiàn)場試驗成果的統(tǒng)計分析，得出了巖塊和巖體破壞時極限主應力之間的關系式，即為Hoek-Brown強度準則[18]。Hoek-Brown巖體破壞準則的表達式如式(1)所示

(1)

σci/|σt|=0.81mi+7

(2)

mb=miexp[(GSI-100)/(28-14F)]

(3)

s=exp[(GSI-100)/(9-3F)]

(4)

a=1/2+1/6(e-GSI/15-e-20/3)

(5)

2.2 巖石抗壓強度尺寸效應

由于鉆取的巖芯較少，在加工巖樣時，加工為直徑37.5mm，高度為75mm的圓柱體試樣和少量直徑50mm，高度為100mm的標準試樣，開展力學試驗研究。因此，在評估標準試樣的抗壓強度時，需考慮巖石強度的尺寸效應，將非標準試樣獲得的抗壓強度轉化為標準試樣的抗壓強度。在此，采用了文獻[19]提出的巖石尺寸效應對抗壓強度影響的方法，如公式(6)所示

(6)

式中：σc50為50mm×100mm的圓柱體試樣單軸抗壓強度；D為實際圓柱體試樣的直徑；σc為巖石實際尺寸的單軸抗壓強度。

2.3 巖體的彈性模量估計

巖體的彈性模量采用Hoek和Diederichs提出的巖體模量經驗估計法[20]，如式(7)所示

(7)

式中：F為爆破擾動系數(shù)，Ei為試驗測得的楊氏模量，Erm為變形模量。

3 綠泥石片巖力學參數(shù)估計

3.1 巖石力學試驗分析

為了獲得巖石的各項力學參數(shù)，開展了單軸、三軸抗壓和巴西劈裂試驗。本次試驗的單軸和三軸均在MTS815.04巖石三軸試驗機下進行，巴西劈裂試驗在RMT-150C多功能巖石試驗機進行。單軸、三軸加載試驗采用位移控制，軸壓加載位移速率為2×10-4mm/s。

為了獲得巖樣的抗拉強度，在RMT-150C多功能巖石試驗機上做了巴西劈裂實驗，試驗采用位移控制，軸壓加載位移速率為2×10-3mm/s。

常規(guī)三軸壓縮試驗設定了4個圍壓水平：0、1、2.5、5MPa。得到單軸、三軸抗壓強度與Mohr-Coulomb強度準則線性擬合確定巖樣的單軸抗壓強度約為15MPa左右。圖1為綠泥石片巖在不同圍壓下單軸、三軸壓縮全過程曲線(曲線上的數(shù)字為圍壓)。

圖1 綠泥石片巖不同圍壓下單軸、三軸壓縮全過程曲線

巴西劈裂抗拉強度轉換公式如式(8)所示

(8)

記錄下巴西劈裂試驗得到綠泥石片巖的最大垂直力為1.7、1.9、2.1、2.2、2.5kN運用式(8)可以得到它們的抗拉強度為0.86、0.97、1.07、1.12、1.27MPa，平均抗拉強度為1.06MPa。約為其單軸抗壓強度的1/15。根據(jù)單軸壓縮試驗數(shù)據(jù)獲得綠泥石片巖力學參數(shù)匯總如表 1所示。

表1 綠泥石片巖力學參數(shù)匯總

3.2 GSI指標估計

根據(jù)實際揭露圍巖條件可初步推斷，包括圍巖片理在內，存在3組以上結構面切割巖體，且結構面較為發(fā)育，強風化到全風化，結構面表層物質改變較大，巖體結構較為破碎。因此，可初步估計圍巖GSI指標介于10～40之間，為了簡化分析，這里取中間值GSI為25。

3.3 強風化綠泥石片巖力學參數(shù)估計

根據(jù)試驗所得的三軸壓縮試驗數(shù)據(jù)，采用Hoek-Brown方法估計巖體力學參數(shù)時，在不考慮爆破損傷的前提下，即取D為0，根據(jù)公式(2)、(3)、(4)、(5)求出Ⅴ類圍巖類別下Hoek-Brown強度準則參數(shù)，mb為0.678，s為0.000 2，a為0.531。巖體強度通常用線性Mohr-Coulomb準則表示[21]。這里采用RocData軟件獲得等效Mohr-Coulomb參數(shù)，Ⅴ類圍巖的粘聚力為0.175MPa，內摩擦角為35.39°。變形模量用公式(6)計算為0.918 4GPa。

從力學性能上來看，對于真實揭露的V類圍巖而言，其彈性模量較小，彈性變形大；粘聚力、內摩擦角小，實際工程中可能會遇到很大的圍巖收斂變形和破壞程度。

4 圍巖穩(wěn)定性分析與支護設計

4.1 隧洞模型建立

本次分析采用表3中Ⅴ類圍巖支護設計方案。目的是獲得實際揭露的最差圍巖條件下，研究該支護方案對隧洞圍巖穩(wěn)定性的控制作用，并評估支護參數(shù)能否滿足圍巖穩(wěn)定性控制需求以及揭示不同支護單元在強風化綠泥石片巖條件下的受力狀態(tài)與圍巖相互作用行為。

表2 V類圍巖設計方案

采用有限元差分軟件FLAC3D進行分析計算，錨桿采用Cable單元模擬，初期噴砼+掛網(wǎng)采用Shell單元模擬型鋼拱架，采用Beam單元模擬，鋼筋混凝土襯砌采用實體單元模擬。

模型兩側的邊界條件(X=0m，X=120m)為限定水平移動的滑動支撐、前方邊界(Y=30m)為位移約束邊界，約束水平方向的位移；模型底面(Z=0m)也為位移約束邊界，僅約束垂直方向的位移；模型上部為自由邊界。

4.2 圍巖穩(wěn)定性分析結果

1)圍巖垂直位移分布情況。在V類圍巖支護條件下，隧洞開挖支護后圍巖垂直位移的分布規(guī)律如圖2所示。

圖2 V類圍巖支護方案下開挖后垂直位移分布規(guī)律

圖2可見V類圍巖的掌子面效應顯著，在掌子面后1.5～2倍洞徑洞段圍巖變形場趨于穩(wěn)定。變形的總體特征是，隧洞頂拱產生下沉位移，而底板由于未進行支護，底板倒拱出現(xiàn)向上抬升的位移，即表現(xiàn)為“頂拱下沉，底拱隆起”。

2)圍巖損傷區(qū)分布情況。圍巖損傷區(qū)是評價圍巖開挖后穩(wěn)定性的重要參數(shù)。在V類圍巖設計方案下，且開挖緊跟及時支護的條件下，開挖損傷區(qū)的分布規(guī)律如圖3所示。

圖3 V類圍巖支護方案下洞周開挖損傷區(qū)分布規(guī)律(最大深度1.5m，圖中黃色線段位置)

從圖3可見，在V類圍巖支護方案條件下開挖損傷區(qū)分布在拱肩兩側及底部，最大深度出現(xiàn)在斷面的拱腰以下部位，損傷區(qū)深度可達1.5m左右。頂拱未出現(xiàn)顯著的損傷區(qū)，對支護結構增加了荷載作用是較為有利。

4.3 支護結構受力分析

1)鋼拱架的受力分布規(guī)律。在V類圍巖設計方案下，I18型鋼拱架的受力分布規(guī)律如圖4所示。

(a)剪力分布

(b)彎矩分布圖4 V類圍巖支護方案下型鋼拱架剪力和彎矩分布

由圖4可知，最大剪力部分發(fā)生在腰線和拱腳部位，這是荷載由鋼拱架傳遞的結果，同時彎矩較大的部位與剪力的分布有類似之處。鋼拱架有效承擔了來自上部巖體的荷載。

2)噴砼層的受力分布規(guī)律。在V類圍巖設計方案下，噴砼層的受力分布規(guī)律如圖5所示。

圖5 V類圍巖支護方案下噴砼內最大主應力分布規(guī)律

由圖5可知，在V類圍巖設計方案下，噴砼層的整體受力較小，最大壓應力出現(xiàn)在拱腳附近，這對支護結構的安全性是十分有利的，平均壓應力為27MPa左右，但拱腳最底部外側噴層受力過大，形成壓力集中。整體來說，受力較均勻，支護效果良好。

3)錨桿支護結構中桿體軸向受力分布規(guī)律。在V類圍巖設計方案下，錨桿支護結構中桿體軸向受力分布規(guī)律如圖6所示。

(a)軸向應力分布

(b)軸力分布圖6 V類圍巖支護方案下錨桿軸向受力狀態(tài)

由圖6可知給出了錨桿支護結構中桿體軸向受力狀態(tài)，最大軸向拉應力為28MPa，最大軸向拉力為44.05kN，且大部分錨桿軸力集中在錨桿靠近隧洞開挖面近區(qū)，端部則表現(xiàn)出受壓狀態(tài)。特別的，在拱腳局部位置縱向沿線上的錨桿承受最大拉力。受掌子面效應的影響，遠離掌子面錨桿軸力越顯著。

5 結論與討論

(1)對于工程區(qū)劣質綠泥石片巖采用鋼拱架與噴錨支護聯(lián)合控制支護結構能夠有效抑制頂拱沉降和底拱上鼓等變形行為。

(2)圍巖力學參數(shù)控制著開挖損傷區(qū)的分析規(guī)律，同時也控制了支護結構受力狀態(tài)。

(3)足夠剛性的鋼拱架支護結構能夠有效將上覆荷載傳遞至拱架立柱，進而傳遞至隧洞底板巖體中。

(4)錨桿受力狀態(tài)受圍巖力學參數(shù)的影響成非均勻分布狀態(tài)，拉應力集中在開挖面附近，充分發(fā)揮了錨桿的作用。

本工程采用的連續(xù)介質力學的分析方法，旨在分析在該圍巖設計方案下的支護效果，但圍巖巖體結構局部較為破碎，這與正確揭示開挖過程與支護結構對圍巖力學響應和支護結構受力狀態(tài)的控制作用還是有一定的出入。對于工程區(qū)綠泥石片巖，探究在Ⅴ類圍巖設計方案下的支護力學行為，對有類似軟弱圍巖隧洞開挖支護工程具有一定的參考價值。