地層傾角對(duì)淺埋偏壓隧道拱頂沉降的影響研究

徐同啟,嚴(yán)松宏,王鳳菲,程劍春

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州 730070； 2.中交第三航務(wù)工程局有限公司寧波分公司,寧波 315200)

引言

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的全面發(fā)展，西南的鐵路網(wǎng)愈漸密集延展，而西南多山嶺，地貌險(xiǎn)要，地質(zhì)多樣，穿越傾斜地層的淺埋偏壓隧道時(shí)常出現(xiàn)。雖然偏壓隧道往往是因地形地貌，地質(zhì)構(gòu)造，施工不合理這3個(gè)因素引起不對(duì)稱(chēng)圍巖壓力導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)受力差異過(guò)大，但目前許多學(xué)者主要偏重在地面坡度引起偏壓?jiǎn)栴}的研究[1-10]，而關(guān)于地層間接觸，地層傾角走向，地層完整程度等地質(zhì)方面的影響研究頗少。

在對(duì)隧道的研究中，數(shù)值模擬憑借方便快捷、可多次重復(fù)、尺寸限制小等特點(diǎn)，在隧道施工力學(xué)分析中得到廣泛應(yīng)用，為隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形提供可靠預(yù)測(cè)[11]。宋戰(zhàn)平等[12]將巖體視為一種各向同性的彈性材料，對(duì)小墁坪隧道進(jìn)行數(shù)值模擬；肖啟山等[13]將巖體視為均質(zhì)的彈塑性整體結(jié)構(gòu)，取3組邊坡坡度進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)淺埋偏壓隧道穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)；裴曉彤等[14]在建模時(shí)假設(shè)各地層等間距且具有相同物理力學(xué)參數(shù)，并加入了層面接觸；董志明等[15]依照地表線，建立與之平行的多層巖體模型，研究了軟弱結(jié)構(gòu)面對(duì)隧道施工的影響；賈蓬等[16]通過(guò)多組平行結(jié)構(gòu)面將巖體等距劃分地層并改變結(jié)構(gòu)面角度進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)地層傾角越大，隧道底部受力越小，側(cè)邊墻受力越大；譚鑫等[17]在各向異性彈塑性材料模擬板巖的基礎(chǔ)上加入層理結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)圍巖松動(dòng)區(qū)與層理角度有較大關(guān)系。

綜上所述，目前借助數(shù)值模擬進(jìn)行隧道施工力學(xué)分析的研究較多，但在數(shù)值模型中考慮地層傾角的文獻(xiàn)則較少?，F(xiàn)有研究一方面直接把圍巖視為一個(gè)均質(zhì)整體，使各巖層具有相同力學(xué)參數(shù)，忽略了地層傾角，另一方面只強(qiáng)調(diào)地形坡度的影響，把各地層簡(jiǎn)化為與地形平行，或改變部分地層角度，使得各地層產(chǎn)狀基本一致，以上方法在隧道上部巖層參數(shù)相差不大時(shí)可達(dá)到精度要求，但當(dāng)差異明顯時(shí)，模擬結(jié)果將造成一定偏差。

以重慶市黔江區(qū)蒲草溝Ⅴ級(jí)淺埋偏壓隧道為工程依托，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)構(gòu)造情況和施工操作水平，通過(guò)FLAC3D有限差分軟件建立淺埋偏壓隧道數(shù)值模型，對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行模擬。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值，分析了地層傾角與隧道拱頂沉降的關(guān)系，以證在隧道數(shù)值模擬中，地層傾角不能輕易簡(jiǎn)化。

1 模型建立

1.1 工程概況

蒲草溝隧道位于重慶市黔江區(qū)蒲草溝村，穿越坡度約20°的小山坡。隧道起止里程為DK6+682～DK6+980，全長(zhǎng)298 m，最大埋深約30 m，設(shè)計(jì)速度120 km/h，為雙線鐵路隧道，橫斷面如圖1所示。隧區(qū)位于揚(yáng)子地臺(tái)鄂黔臺(tái)褶帶，以斜歪褶皺為主，地質(zhì)勘探為Ⅴ級(jí)軟弱圍巖，帶內(nèi)地層傾向南西，走向大致與隧道軸向平行，故在下文計(jì)算模型中，X-Y面上地層的傾角可約等于地層傾角。各地層巖性分述如下：(1)粉質(zhì)黏土層，淺黃色，土質(zhì)不均，夾大量土礫石，地表分布廣泛，厚約1.4 m，σ0=120 kPa，為Ⅱ級(jí)普通土。(2)礫巖夾砂巖分化層，厚約5 m，節(jié)理裂隙不發(fā)育，σ0=350 kPa。(3)礫巖夾砂巖地層，巨厚層狀構(gòu)造，產(chǎn)狀為205°∠8°，σ0=600 kPa，整條隧道均位于該層。礫巖，成青灰色和黑灰色，顆粒成分以灰?guī)r為主，局部夾有少量砂巖，礫狀結(jié)構(gòu)。砂巖，紫紅色，礦物成分為石英和長(zhǎng)石，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)。隧道為鉆爆法施工，采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法分步開(kāi)挖，噴錨支護(hù)，復(fù)合式襯砌，現(xiàn)場(chǎng)施工情況見(jiàn)圖2。

圖1 隧道設(shè)計(jì)斷面(單位：cm)

圖2 現(xiàn)場(chǎng)施工情況

1.2 三維模型

取隧道洞口段48 m內(nèi)的施工過(guò)程為研究對(duì)象，建立三維淺埋偏壓隧道數(shù)值模型，模型如圖3所示。水平(x)方向左右邊界取隧道外輪廓線向外4倍洞徑，豎直(y)方向取隧道上方的山坡表面到隧道底下2倍洞徑為計(jì)算范圍，縱向(z)方向取80 m，即模型尺寸為117 m×(42.71～85.29) m×80 m，共劃分為369 500個(gè)單元和381 174個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型左右邊界加以水平位移約束，頂部為自由面，底部為豎向位移約束，前后施加縱向位移約束。需說(shuō)明的是，縱向網(wǎng)格劃分長(zhǎng)度最好要為各分步循環(huán)進(jìn)尺的最小基數(shù)，本文為0.8 m。

圖3 隧道計(jì)算模型

1.3 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)圍巖特征選定基于Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則的本構(gòu)模型，由地層自重形成初始地應(yīng)力場(chǎng)，考慮風(fēng)化層與礫巖夾砂巖層接觸關(guān)系，其接觸面采用Mohr-Coulomb剪切本構(gòu)模型，且接觸面建立在礫巖夾砂巖層上。超前支護(hù)采用Shell單元，初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)采用Elastic本構(gòu)模型，錨桿用提高加固區(qū)的圍巖參數(shù)進(jìn)行模擬。圍巖和支護(hù)材料的主要物理參數(shù)是基于《蒲草溝隧道施工設(shè)計(jì)說(shuō)明》及相關(guān)資料與試驗(yàn)綜合考慮確定，各地層力學(xué)參數(shù)相差較大，如表1所示。

表1 圍巖及各種支護(hù)參數(shù)

1.4 計(jì)算過(guò)程

整個(gè)計(jì)算過(guò)程與現(xiàn)場(chǎng)施工一致，上臺(tái)階前3.2 m開(kāi)挖支護(hù)完成后，才開(kāi)始對(duì)中臺(tái)階進(jìn)行爆破開(kāi)挖，當(dāng)中臺(tái)階施工完成了3.2 m時(shí)，也開(kāi)始對(duì)下臺(tái)階進(jìn)行施工，一個(gè)開(kāi)挖步(即一次爆破開(kāi)挖與初期支護(hù))對(duì)應(yīng)的時(shí)間為1 d。隧道整個(gè)斷面的施工步序如圖4所示：(1)超前支護(hù)2.4 m；(2)上臺(tái)階開(kāi)挖進(jìn)尺0.8 m，中臺(tái)階左開(kāi)挖進(jìn)尺1.6 m，下臺(tái)階右開(kāi)挖1.6 m；(3)施作上、中左、下右臺(tái)階初期支護(hù)與上臺(tái)階臨時(shí)仰拱；(4)上臺(tái)階開(kāi)挖進(jìn)尺0.8 m，中臺(tái)階右開(kāi)挖進(jìn)尺1.6 m，下臺(tái)階左開(kāi)挖進(jìn)尺1.6 m；(5)施作上、中右、下左臺(tái)階初期支護(hù)與上、中、下臺(tái)階臨時(shí)仰拱；(6)當(dāng)下臺(tái)階開(kāi)挖到41.6 m時(shí)，進(jìn)行仰拱開(kāi)挖。

圖4 施工步序

2 拱頂沉降對(duì)比與分析

由于篇幅所限，只針對(duì)DK6+684， DK6+689，DK6+693監(jiān)測(cè)斷面的拱頂沉降進(jìn)行分析?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)儀器為L(zhǎng)eica全站儀TS50，標(biāo)稱(chēng)精度測(cè)距(0.6 mm+2 ppm)。3個(gè)斷面拱頂沉降的模擬計(jì)算值與實(shí)測(cè)值曲線對(duì)比如圖5所示。

圖5 隧道拱頂沉降實(shí)測(cè)值與模擬計(jì)算值對(duì)比曲線

由圖5可知，模擬前期與實(shí)際值偏差略大，主要原因有以下兩點(diǎn)。(1)模擬是假定在施工以前就完成測(cè)點(diǎn)的埋設(shè)，在開(kāi)挖影響范圍內(nèi)的點(diǎn)都會(huì)有沉降記錄，而現(xiàn)場(chǎng)是在初期支護(hù)之后才完成測(cè)點(diǎn)埋設(shè)，在布置測(cè)點(diǎn)并進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，測(cè)點(diǎn)處已經(jīng)發(fā)生過(guò)觀測(cè)不到的位移，即二者的起點(diǎn)不同，后者滯后。(2)圍巖應(yīng)力重分布是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，而模擬中把圍巖近似于人工填土的機(jī)械疊加，沒(méi)有把應(yīng)力重分布的特征模擬出來(lái)。圖中DK6+684斷面在開(kāi)挖后一段時(shí)間出現(xiàn)拱頂上抬是因?yàn)槭┕こ跗冢恍┦┕?shù)如炸藥量等都不夠合適，欠挖嚴(yán)重，多次爆破又造成較大超挖，對(duì)巖體擾動(dòng)較大，山體的應(yīng)力調(diào)整也很劇烈，擠壓初支，初支與圍巖間沒(méi)有完全貼合，從而造成拱頂上抬。

觀察圖5可知，無(wú)論是實(shí)測(cè)曲線還是模擬曲線，其掌子面處的變化幅度和最終穩(wěn)定曲率都有變大的趨勢(shì)。這說(shuō)明隨著開(kāi)挖的深入圍巖在變軟弱，相應(yīng)的支護(hù)也應(yīng)逐漸加強(qiáng)或者往后的開(kāi)挖進(jìn)尺再適當(dāng)調(diào)小。隧道拱頂沉降在經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)斷面約20個(gè)循環(huán)后趨于穩(wěn)定，說(shuō)明該里程處的圍巖應(yīng)力已經(jīng)重新達(dá)到平衡狀態(tài)，之后的位移發(fā)展走向與數(shù)值模擬基本吻合，證明了模型的可靠性。

為進(jìn)一步驗(yàn)證所建數(shù)值模型的可靠性，提取圖5中的拱頂沉降的實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬計(jì)算值進(jìn)行分析，見(jiàn)表2。

表2 拱頂沉降實(shí)測(cè)值與模擬計(jì)算值對(duì)照

由表2可知，所構(gòu)建的數(shù)值模型應(yīng)用到在建隧道工程拱頂沉降量預(yù)測(cè)中，平均差值為0.773 mm，最大差值僅為0.87 mm。需要說(shuō)明的是，計(jì)算模型考慮理想狀態(tài)下的數(shù)值模擬，而實(shí)際施工監(jiān)測(cè)過(guò)程中受到各種因素的影響(如超欠挖、測(cè)量誤差、工序干擾等)，使得計(jì)算結(jié)果和量測(cè)結(jié)果并非完全吻合，但其沉降規(guī)律是一致的，而且誤差較小，由此可以說(shuō)明數(shù)值模型是可靠的。

3 地層傾角對(duì)隧道拱頂沉降的影響

地層傾角會(huì)對(duì)隧道穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[18-19]，采用前文給出的模型，保持模型左邊界的礫巖夾砂巖上界面埋深不變，改變礫巖夾砂巖層傾角來(lái)對(duì)隧道施工進(jìn)行數(shù)值模擬，為方便找尋規(guī)律，以實(shí)際地層角度8°為量綱，分別對(duì)礫巖夾砂巖層傾角為0°，8°，16°的工況進(jìn)行模擬，又因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)地形坡度為20°，考慮到建模中常見(jiàn)的均質(zhì)一體和地層產(chǎn)狀一致的情況，又添加了20°的工況。為了降低邊界效應(yīng)，取距洞口11 m斷面為觀察面，即DK6+693斷面，模擬拱頂沉降，如圖6所示。

圖6 不同地層傾角拱頂沉降曲線

圖6(a)中曲線代表不同的礫巖夾砂巖層傾角情況下，DK6+693斷面隨著隧道開(kāi)挖的拱頂沉降，圖6(a)表明，礫巖夾砂巖層傾角越大，其視厚度越大，拱頂沉降也越大；隨著傾角變大，其開(kāi)挖面處的位移變化也越來(lái)越劇烈，說(shuō)明隧道結(jié)構(gòu)受力也在變大。由6(b)可以發(fā)現(xiàn)，拱頂沉降與地層傾角的關(guān)系大致呈線性正相關(guān)，并且隨著傾角變大，拱頂沉降有加速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。提取數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析得表3。

表3 不同地層傾角情況下拱頂沉降

由表3可知，與實(shí)際工況相比，在假設(shè)礫巖夾砂巖層傾角與地形一致的工況下(即20°)，相對(duì)誤差有16.4%，在把地層簡(jiǎn)化為水平的工況下(即0°)，相對(duì)誤差為11.19%，可見(jiàn)，在隧道上部地層間參數(shù)相差較大時(shí)，地層傾角對(duì)隧道拱頂沉降有較大影響。

4 結(jié)論

(1)本隧道圍巖應(yīng)力重分布完成需要20個(gè)開(kāi)挖步的時(shí)間，現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)果也是在圍巖壓力穩(wěn)定后愈發(fā)貼合，且拱頂穩(wěn)定沉降值的最大差值僅為0.87 mm，證實(shí)所建模型參數(shù)的可靠性，同時(shí)也說(shuō)明將構(gòu)建的三維數(shù)值模型應(yīng)用到在建隧道工程的拱頂沉降預(yù)測(cè)中是可行的。

(2)在可靠模型的基礎(chǔ)上對(duì)礫巖夾砂巖層傾角進(jìn)行研究，設(shè)定礫巖夾砂巖層傾角為0°，8°，16°，20°四種工況進(jìn)行模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)隨著角度增大，拱頂沉降呈斜率加速增加趨勢(shì)的線性增長(zhǎng)，傾角為20°工況的拱頂沉降最大，為3.11 mm，屬最危險(xiǎn)工況，且與8°實(shí)際工況相差達(dá)16.4%。由此可知，在礫巖夾砂巖層傾角變大的情況下，也應(yīng)提高隧道結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，地層傾角對(duì)隧道拱頂沉降的影響不可忽視，在建模時(shí)不應(yīng)輕易簡(jiǎn)化地層傾角。