高地應(yīng)力狀態(tài)下軟巖公路隧道的大變形機(jī)理與規(guī)律研究

(1.山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030006 ； 2.太原理工大學(xué),山西 太原 030024)

0 引言

隨著國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)不斷推進(jìn)，高速公路建設(shè)延伸到廣大中西部地區(qū)。由于中西部以山區(qū)為主，地質(zhì)條件復(fù)雜，海拔高，因而使得現(xiàn)有隧道工程難以滿足多變的實(shí)際工程需求，如高地應(yīng)力[1]、軟巖大變形等[2-3]。目前，高地應(yīng)力區(qū)軟巖隧道變形一致困擾交通隧道施工，由于軟巖隧道圍巖變形特征復(fù)雜，使得軟巖隧道變形控制難度加大。相關(guān)學(xué)者從多方角度針對(duì)高地應(yīng)力區(qū)軟巖公路隧道變形特征進(jìn)行了分析研究[4-6]。如針對(duì)不同巖層進(jìn)行了三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，分析了不同巖層在不同圍壓下的應(yīng)力特性[7]；安茂盛等在分析軟巖礦物組成和變形特性基礎(chǔ)上，對(duì)軟巖工程力學(xué)性能進(jìn)行了分析等[8]。針對(duì)軟巖隧道大變形的研究，季曉明等基于數(shù)值法和實(shí)測(cè)值對(duì)不同施工法下的隧道變形規(guī)律進(jìn)行了分析，并驗(yàn)證了圍巖“收斂-約束”法在抑制隧道變形的可行性[9]；李國(guó)立等結(jié)合隧道地質(zhì)條件，在軟弱圍巖隧道大變形典型特征分析基礎(chǔ)上，提出了控制軟弱圍巖隧道變形策略，并取得了較好的效果[10]?；诖?，在相關(guān)研究基礎(chǔ)上，以某高地軟巖隧道工程為依托，針對(duì)不同側(cè)壓力系數(shù)條件下高地應(yīng)力軟巖隧道圍巖變形規(guī)律進(jìn)行分析，為實(shí)際工程提供監(jiān)測(cè)和控制隧道變形量的有效方法。

1 軟巖公路隧道模型

1.1 工程背景

某高速公路隧道位于蘭海高速路段蘭州境內(nèi)，位于地震斷裂帶，隧道總長(zhǎng)2.48 km，最大埋深92 m，隧道上部巖層豎向應(yīng)力4.6 MPa，是一種典型的分離式深埋隧道。地層單一，以炭質(zhì)板巖為主，分布少量片巖層，受構(gòu)造影響，巖體極破碎，層間擠壓嚴(yán)重，節(jié)理裂隙發(fā)育，層理產(chǎn)狀變化大。炭質(zhì)板巖屬于軟巖，各向異性明顯，飽和抗壓強(qiáng)度為5～15 MPa，根據(jù)高地應(yīng)力判定準(zhǔn)則，隧道圍巖強(qiáng)度比小于7，處于高地應(yīng)力狀態(tài)。炭質(zhì)板巖層狀豐富，傾角不一，受水浸影響強(qiáng)度會(huì)大幅下降。隧道進(jìn)洞口斜坡坡腳30°～40°，坡向和巖層組合關(guān)系為橫向坡，出洞口坡度30°，巖層狀55°<35°，坡向和巖層傾向?yàn)槟嫦蚱?，?為隧道開(kāi)挖支護(hù)參數(shù)。

表1 隧道開(kāi)挖支護(hù)參數(shù)Table1 ParametersofTunnelExcavationSupport材料彈性模量/GPa泊松比內(nèi)摩擦角/(°)重度/(kN·m-3)粘聚力/MPa圍巖1.10.352818.60.16錨桿2000.3-3.86—噴混220.35022220a拱架2080.3-78.6—二襯32.10.360246

1.2 模型建立

在模擬深埋隧道中，巖土材料、地下水等復(fù)雜環(huán)境很難通過(guò)軟件模型來(lái)模擬強(qiáng)度和剛度特性[11]。本文根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[12-13]，對(duì)建立的模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。在隧洞3～5倍洞徑范圍內(nèi)巖土受開(kāi)挖作用影響，為降低模型邊界約束造成計(jì)算結(jié)果的偏差，設(shè)定模型隧道中心左右4倍洞徑距離為左右邊界，隧道底部延伸3倍洞徑為模型底部邊界，隧道頂部上延3倍洞徑作為模型頂部邊界。在模型上邊界施加均布荷載q=γh模擬深埋隧道覆巖層的作用，根據(jù)等效剛度法計(jì)算復(fù)合砌筑參數(shù)，確定復(fù)合砌筑彈性模量[14]。圖1為隧道斷面示意圖，表2中為隧道斷面結(jié)構(gòu)幾何尺寸。

圖1 隧道斷面示意圖Figure 1 Schematic diagram of tunnel section

表2 隧道斷面幾何尺寸Table2 GeometricdimensionsoftunnelsectionR1/mR2/mR3/mA1/(°)A2/(°)A3/(°)6.86.916.486047.616.3

隧道采用三心圓+仰拱結(jié)構(gòu)，模型總跨度90 m，高度96 m，隧道長(zhǎng)48 m。隧道開(kāi)挖過(guò)程采用短臺(tái)階法施工，每次開(kāi)挖2.4 m。采用模型中的混合網(wǎng)格進(jìn)行模型網(wǎng)格，共劃分為295 837個(gè)節(jié)點(diǎn)，285 349個(gè)單元。隧道圍巖采用實(shí)體單元模擬、開(kāi)挖錨桿支護(hù)采用植入式桁架、噴混、二次襯砌采用板單元模擬。利用GTS的“鈍化”和“激活”模擬隧道開(kāi)挖、支護(hù)施工，設(shè)定隧道圍巖為彈塑性材料，整體開(kāi)挖過(guò)程服從莫爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則[15]。模型上部為自由面，兩側(cè)和底部采用位移約束。

考慮到模型上部受到均布荷載的影響，為分析隧道開(kāi)挖對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響作用，因此在GTS分析中，設(shè)置均布荷載初始階段將產(chǎn)生的位移置為0，通過(guò)改變側(cè)壓力系數(shù)來(lái)模擬不同地應(yīng)力作用下對(duì)軟巖隧道開(kāi)挖的作用，圖2和圖3為建立的隧道整體模型和錨襯模型。

圖2 隧道圍巖模型Figure 2 Tunnel surrounding rock model

圖3 隧道錨襯模型Figure 3 Tunnel anchor lining model

2 結(jié)果分析

2.1 軟巖隧道開(kāi)挖變形特性

高地應(yīng)力軟巖隧道掌子面開(kāi)挖過(guò)程中易發(fā)生基礎(chǔ)變形。不同水平力下，掌子面開(kāi)挖對(duì)前后圍巖影響不同，本文中模型隧道開(kāi)挖采用短臺(tái)階法+臨時(shí)仰拱施工。將整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程劃分為20個(gè)施工段23個(gè)施工部，為獲得隧道開(kāi)挖圍巖完整變形曲線，選定第11段圍巖襯砌為對(duì)象，如圖2所示。掌子面開(kāi)挖到第11段圍巖砌筑時(shí)，選定拱頂位移測(cè)點(diǎn)A作為討論點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 第11段圍巖襯砌測(cè)點(diǎn)示意圖

Figure 4 Schematic diagram of measuring points of surrounding rock lining in section 11

2.2 隧道圍巖水平位移

隧道埋深一定時(shí)，通過(guò)不同的側(cè)壓力來(lái)分析水平應(yīng)力對(duì)高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道開(kāi)挖變形影響作用。本文分析了側(cè)壓力系數(shù)K為0.25、0.50、0.75、1.0、1.5、2下的隧道圍巖變形曲線，圖5為隧道開(kāi)挖掌子面推進(jìn)過(guò)程中不同側(cè)壓系數(shù)的水平位移變化曲線。其中水平位移向隧道外擴(kuò)展為負(fù)，向內(nèi)收斂為正。橫坐標(biāo)為隧道開(kāi)挖施工步。可以看出，當(dāng)K=0.25時(shí)，圍巖水平位移量為負(fù)，即向隧道外擴(kuò)張，隨著側(cè)壓力系數(shù)不斷增加，隧道圍巖水平位移逐漸由外擴(kuò)轉(zhuǎn)化為向隧道內(nèi)收斂。當(dāng)K=0.5時(shí)，第11段圍巖開(kāi)挖完成后執(zhí)行第13個(gè)施工步時(shí)，隨著隧道開(kāi)挖推進(jìn)，水平位移外擴(kuò)，當(dāng)K=0.75時(shí)轉(zhuǎn)化為向內(nèi)收斂，隨著K值的增加，水平位移出現(xiàn)向外擴(kuò)張趨勢(shì)，出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，但外擴(kuò)位移并不明顯。

圖5 不同側(cè)壓力系數(shù)的隧道圍巖水平位移Figure 5 Horizontal displacement of tunnel surrounding rock with different lateral pressure coefficients

比較分析K=0.5時(shí)的隧道圍巖變形特種曲線可以看出。隨掌子面的推進(jìn)，隧道位移由內(nèi)斂向外擴(kuò)張，當(dāng)施工步在7～11時(shí)，在后方開(kāi)挖面作用下，第11段圍巖產(chǎn)生提前擾動(dòng)，尤其是在高地應(yīng)力軟弱圍巖中，形成了非常大的擠出變形，在圍巖作用下，圍巖向隧道內(nèi)產(chǎn)生收斂位移。當(dāng)施工步在11～12時(shí)，在卸載作用下，水平位移向內(nèi)收斂的速度最大。當(dāng)圍巖在未進(jìn)行開(kāi)挖前，隧道巖層類似于一個(gè)虛擬支撐，一旦巖層開(kāi)挖完成，則圍巖荷載釋放，因此位移變形塑性最大[16]。當(dāng)施工步進(jìn)入到13～23時(shí)，隧道圍巖水平方向的應(yīng)力僅相當(dāng)于豎直方向一般，水平應(yīng)力過(guò)小不足以抵抗豎向應(yīng)力下的隧道向下擴(kuò)張趨勢(shì)，此時(shí)隧道襯砌表現(xiàn)為豎向位移。

2.3 隧道圍巖拱頂位移

分析不同側(cè)壓力系數(shù)下隧道圍巖拱頂位移隨施工步變化曲線如圖6所示。其中隧道圍巖拱頂位移向內(nèi)沉降為正，向外擠壓為負(fù)?？梢钥闯?，當(dāng)K<1時(shí)，拱頂位移表現(xiàn)為內(nèi)沉下降，并且隨著掌子面推進(jìn)而逐漸穩(wěn)定。隨K值的增大，位移逐漸減小，隧道先行變形量占總變形量比例不斷增大，當(dāng)K分別取0.25、0.50、0.75、1時(shí)，先行變形量占比分別為31.8%、32.4%、32.9%、36.1%。

圖6 不同側(cè)壓力系數(shù)的隧道圍巖拱頂位移Figure 6 Displacement of surrounding rock arch roof of tunnel with different lateral pressure coefficients

當(dāng)K>1時(shí)，隨掌子面推進(jìn)，拱頂沉降呈現(xiàn)出明顯的線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)隧道圍巖位移在掌子面開(kāi)挖完畢，不能得到掌子面有效的支撐時(shí)，在拱頂水平應(yīng)力作用下出現(xiàn)上拱變形，且隨著K值的不斷增大，這種上拱變形現(xiàn)象更明顯。當(dāng)K為2時(shí)，上拱回彈量占整個(gè)隧道圍巖總變形的28%，但拱頂最終表現(xiàn)為沉降變形。

K=0.25

K=0.50

K=0.75

K=1.0

K=1.5

K=2圖7 不同側(cè)壓力系數(shù)下的拱頂位移云圖Figure 7 Cloud image of arch roof displacement under different lateral pressure coefficients

實(shí)際施工過(guò)程中，通常對(duì)隧道豎向位移的監(jiān)測(cè)時(shí)通過(guò)在隧道拱頂布置測(cè)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行豎向位移的測(cè)量。從圖7中可以看出，當(dāng)K<1時(shí)，最大豎向位移出現(xiàn)在隧道拱頂處;當(dāng)K>1時(shí)，在拱腰位置出現(xiàn)最大豎向位移，因此，當(dāng)隧道圍巖K>1時(shí)，需要在隧道拱腰位置布置測(cè)點(diǎn)來(lái)布置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得最大豎向位移值。

2.4 水平位移與拱頂位移關(guān)系

根據(jù)上述分析，比較不同側(cè)壓系數(shù)下隧道圍巖水平位移和拱頂位移的最終變形量見(jiàn)圖8所示?？梢钥闯觯S著K值地逐漸增大，拱頂位移最終變形量表現(xiàn)出逐步減小的線性變化趨勢(shì)。當(dāng)K值小于0.75時(shí)，隨著K值的逐漸增大，水平位移由隧道外擴(kuò)逐漸轉(zhuǎn)化為隧道內(nèi)收斂，當(dāng)K值在0.5～0.75間時(shí)，存在一個(gè)水平位移零點(diǎn)，此時(shí)的最終水平變形量為0。K取值1附近時(shí)，隧道水平變形和拱頂變形所形成的最終變形量相等。因此，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)水平位移和拱頂位移間的位移關(guān)系來(lái)判定隧道圍巖側(cè)壓系數(shù)的大致取值范圍。

圖8 不同側(cè)壓力系數(shù)的圍巖最終變形量 Figure 8 Final deformation of surrounding rock with different lateral pressure coefficients

3 結(jié)論

a.隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大，隧道圍巖水平位移由向隧道外擠壓變形轉(zhuǎn)化為向隧道內(nèi)的收斂變形，呈現(xiàn)出線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，在側(cè)壓力系數(shù)為0.5時(shí)，進(jìn)行第11～12施工步，隧道圍巖水平位移由外壓轉(zhuǎn)化為收斂。

b.當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)小于1時(shí)，隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大，圍巖先行變形量占總變形不斷增大，隧道最大豎向位移出現(xiàn)在拱頂處。當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)大于1時(shí)，拱頂沉降隨施工步的推進(jìn)呈現(xiàn)出明顯的線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，上拱變形加強(qiáng)，但整體依然表現(xiàn)沉降變形。隧道最大豎向位移出現(xiàn)由拱腰轉(zhuǎn)移到拱間處。

c.K值在0.5～0.75間時(shí)，存在一個(gè)水平位移零點(diǎn)，最終水平變形量為0。K值在1附近時(shí)，隧道水平變形和拱頂變形所形成的最終變形量相等?？筛鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)水平位移和拱頂位移間的位移關(guān)系來(lái)判定隧道圍巖側(cè)壓系數(shù)的大致取值范圍。