深埋隧道穿越圍巖破碎帶變形控制技術(shù)研究

胡細(xì)根

(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司 天津 100855)

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)家對(duì)西部地區(qū)的開發(fā)力度逐漸增大，在鐵路網(wǎng)的規(guī)劃中，為了穿越崇山峻嶺，避免不了建設(shè)深埋長(zhǎng)大隧道。深埋隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，由于構(gòu)造應(yīng)力的存在，隧道開挖圍巖易發(fā)生大變形、底鼓等現(xiàn)象。因此，研究深埋隧道的支護(hù)措施對(duì)于減小隧道變形具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。關(guān)于深埋高地應(yīng)力條件下隧道支護(hù)技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究工作。江權(quán)，馮夏庭等[1]從認(rèn)識(shí)論的角度提出數(shù)值仿真技術(shù)服務(wù)于地下工程實(shí)踐的PFP 分析方法，為洞室開挖與圍巖支護(hù)改進(jìn)提供了科學(xué)依據(jù)；朱維申等[2]對(duì)高地應(yīng)力條件下地下洞室開挖過程中的力學(xué)及變形規(guī)律進(jìn)行了模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析；劉招偉等[3]針對(duì)烏鞘嶺隧道高地應(yīng)力段出現(xiàn)的初期支護(hù)大變形問題，通過模型試驗(yàn)對(duì)不同支護(hù)條件下的隧道變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)、分析；張志強(qiáng)和關(guān)寶樹[4]以及陶波等[5]使用FLAC 對(duì)高地應(yīng)力條件下軟弱圍巖隧道的變形規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬分析；徐干成(2001)認(rèn)為，圍巖變形引起的壓力必須通過支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖共同作用來求得，圍巖的特征曲線和支護(hù)特性曲線是圍巖—支護(hù)相互作用研究的重要內(nèi)容[6]。蔡景獻(xiàn)[7]就控制高地應(yīng)力千枚巖隧道大變形問題提出了支護(hù)結(jié)構(gòu)宜“先柔后剛、先放后抗”原則。夏松林等[8]結(jié)合某地下工程施工軟巖實(shí)際情況，采用專業(yè)巖土分析軟件FLAC3D 建立相應(yīng)的數(shù)值模型，對(duì)支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)的圍巖控制效果進(jìn)行了分析，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)效果進(jìn)行了比較，認(rèn)為格柵鋼架+噴混凝土初期支護(hù)來控制軟巖的流變是科學(xué)有效性的支護(hù)措施。

本文以天河山隧道為工程背景，利用FLAC3D 有限差分軟件研究了不同支護(hù)措施（超前小導(dǎo)管注漿、管棚注漿、掌子面超前注漿）對(duì)隧道變形的控制效果，確定了深埋隧道穿越圍巖破碎帶采用洞身管棚、超前小導(dǎo)管注漿、掌子面超前注漿和兩臺(tái)階臨時(shí)橫撐法的施工方法，可為類似工程提供參考。

2 工程概況

天河山隧道呈東西走向，位于山西省左權(quán)縣和河北省邢臺(tái)市交界處，穿越太行山山脈，太行山脈總體為南北走向，地勢(shì)北高南低，中間高兩邊低。線路基本為東西走向，于D2K43+090 前后穿越太行山山脊，山脊小里程側(cè)為山西省，大里程側(cè)為河北省。

天河山隧道起訖里程D2K33+710～D2K45+405，長(zhǎng)度11695 m，為單線隧道，隧道一般埋深100～300 m，最大埋深615 m，均為V 級(jí)和VI 級(jí)圍巖。隧道為單斜構(gòu)造，總體上位于以太古界地層為核部、兩翼分別向西北和東南延伸的大背斜的西北側(cè)翼部，受太行大斷裂的影響較強(qiáng)烈，隧道洞身較發(fā)育一系列北西向、近南北和北東向斷裂和節(jié)理密集帶，對(duì)隧道影響較大。

本隧道地質(zhì)構(gòu)造帶包括21 條斷層、6 條節(jié)理密集帶及1 處裂隙帶。施工中堅(jiān)持“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”的施工原則。地質(zhì)預(yù)報(bào)超前，監(jiān)控量測(cè)緊跟。超前支護(hù)措施主要包括大管棚超前支護(hù)、小導(dǎo)管超前支護(hù)、徑向注漿、超前帷幕注漿、超前周邊注漿、圍巖徑向注漿等。

3 隧道變形控制措施分析

為了確定隧道穿越深埋圍巖破碎帶的超前支護(hù)措施，利用FLAC3D 有限差分軟件分析不同支護(hù)措施對(duì)隧道變形的控制效果。

3.1 分析模型

借助FLAC3D 有限差分軟件對(duì)隧道施工過程采用超前支護(hù)的力學(xué)效果進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析。模型左、右及下邊界圍巖范圍取3 倍洞徑，上邊界取40m，隧道埋深300m，通過施加初始地應(yīng)力來模擬隧道深埋效果。上邊界采用自由邊界，其余邊界約束法向位移。計(jì)算模型如圖1 所示。

圖1 計(jì)算模型圖

模型僅考慮自重應(yīng)力場(chǎng)，圍巖視為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性介質(zhì)。采取實(shí)體單元來模擬圍巖和支護(hù)，圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)均采用摩爾—庫倫力學(xué)本構(gòu)模型。數(shù)值模擬時(shí)對(duì)超前管棚、超前小導(dǎo)管和掌子面加固采取提高加固范圍內(nèi)圍巖參數(shù)的方法，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工方案確定管棚加固范圍按管棚周邊60 cm、超前小導(dǎo)管加固范圍按小導(dǎo)管周邊40 cm、管棚和小導(dǎo)管加固范圍自初期支護(hù)頂部向上100 cm 考慮。

隧道開挖采用兩臺(tái)階法，施工步序如圖2 所示。

圖2 施工步序圖

3.2 計(jì)算參數(shù)

初期支護(hù)噴混凝土強(qiáng)度為C25，二次襯砌采用C30 模筑混凝土，圍巖物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)勘察資料選取，根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》選取支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)，管棚、小導(dǎo)管及掌子面加固區(qū)力學(xué)參數(shù)通過參考相關(guān)文獻(xiàn)及施工經(jīng)驗(yàn)確定，圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表1 所示。

表1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

3.3 計(jì)算工況

本隧道穿越圍巖破碎帶采用臺(tái)階法開挖，將隧道施工中采取的超前支護(hù)措施分為3 種工況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析，3 種工況對(duì)應(yīng)的超前支護(hù)措施見表2。

臺(tái)階法施工的隧道斷面變形控制內(nèi)容包括：左右水平收斂、拱頂下沉和仰拱隆起?？疾鞌嗝嫒槟Ｐ椭行臋M斷面，在斷面的拱頂、仰拱底和左右邊墻相應(yīng)位置布置測(cè)點(diǎn)，如圖3 所示。

表2 三種工況對(duì)應(yīng)超前支護(hù)措施

3.4 結(jié)果分析

3.4.1 隧道斷面位移分析

隧道開挖采用正臺(tái)階法，開挖步長(zhǎng)為1.1 m，臺(tái)階長(zhǎng)度2.2 m，量測(cè)點(diǎn)距離掌子面3.3 m 時(shí)隧道初支完全封閉。隧道拱頂沉降時(shí)程曲線如圖4 所示，穩(wěn)定后拱頂沉降量如表3 所示；隧道拱頂沉降時(shí)程曲線如圖5 所示，穩(wěn)定后仰拱隆起量如表3 所示；由于隧道模型為對(duì)稱的，故只對(duì)左側(cè)邊墻收斂情況研究。隧道左側(cè)邊墻位移時(shí)程曲線如圖6 所示，穩(wěn)定后左側(cè)邊墻位移量如表3 所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖4 拱頂沉降時(shí)程曲線

圖5 仰拱隆起時(shí)程曲線

圖6 左側(cè)邊墻位移時(shí)程曲線

表3 三種工況變形穩(wěn)定后隧道斷面各測(cè)點(diǎn)位移量

由圖4～圖6 和表3 可知：

（1）隨著隧道的掘進(jìn)，隧道斷面各測(cè)點(diǎn)位移逐漸增大，掌子面離開28.5m 后，隧道圍巖變形趨于穩(wěn)定。

（2）工況一條件下，隧道拱頂沉降量最大，穩(wěn)定后拱頂沉降量為9.26mm；工況三條件下，隧道拱頂沉降量最小，穩(wěn)定后拱頂沉降量為6.56mm。

（3）工況一條件下，隧道仰拱隆起量最大，穩(wěn)定后仰拱隆起量為11.56mm；工況三條件下，隧道仰拱隆起量最小，穩(wěn)定后仰拱隆起量為10.29mm。

（4）工況一條件下，隧道左側(cè)邊墻收斂值最大，穩(wěn)定后收斂值為6.36mm；工況三條件下，隧道左側(cè)邊墻收斂值最小，穩(wěn)定后收斂值為5.26mm。

3.4.2 隧道塑性區(qū)分析

各工況隧道圍巖塑性區(qū)分布情況見表4。

表4 三種工況穩(wěn)定后塑性區(qū)

由表4 可得：

（1）隧道開挖引起圍巖變形，隧道頂部和底部較左右側(cè)先進(jìn)入塑性區(qū)；

（2）隧道初期支護(hù)頂部和底部發(fā)生剪切和拉伸破壞；

（3）工況二和工況三條件下，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖塑性區(qū)顯著減小。

4 結(jié)語

本文根據(jù)實(shí)際勘察資料和現(xiàn)場(chǎng)施工方案，利用FLAC3D 有限差分軟件研究了天河山隧道在穿越圍巖破碎帶時(shí)，3 種不同的超前支護(hù)方式產(chǎn)生的加固效果。

（1）通過分析三種工況下隧道結(jié)構(gòu)的變形可知，采用超前管棚、小導(dǎo)管注漿、掌子面超前注漿的支護(hù)方法效果最好，可有效地減小隧道的收斂變形及圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的塑性區(qū)。

（2）隧道所處的地質(zhì)條件下，隧道的頂部和底部的變形值較大，初支結(jié)構(gòu)的頂部和底部較其他部位更早進(jìn)入塑性階段，此兩處應(yīng)為重點(diǎn)關(guān)注部位，在實(shí)際工程施工中適當(dāng)采用臨時(shí)支撐的形式來過渡道整個(gè)隧道斷面閉合成環(huán)，可加強(qiáng)拱頂和仰拱中線處支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗剪和抗拉強(qiáng)度。