淺埋隧道穿越軟弱破碎圍巖變形控制研究

摘要：淺埋隧道穿越軟弱破碎圍巖時(shí)，施工風(fēng)險(xiǎn)極高。軟弱破碎巖體物理力學(xué)指標(biāo)降低，自穩(wěn)能力差，隧道可能會(huì)產(chǎn)生較大的變形，甚至塌方。如果不能采取有效的處理措施，將會(huì)延長(zhǎng)施工工期，甚至?xí)斐砂踩鹿?，大大的增加施工成本。文章結(jié)合實(shí)際淺埋隧道工程，在隧道穿越軟弱破碎，采取了有效的控制措施，并結(jié)合數(shù)值分析模擬計(jì)算了圍巖的變形量，保證了隧道施工的安全，為類似工程提供指導(dǎo)和借鑒。

Abstract： When the shallow tunnel passes through the soft and broken surrounding rock， the construction risk is very high. The physical and mechanical indexes of weak and broken rock mass are reduced， the self stability is poor， and the tunnel may produce large deformation or even collapse. If effective treatment measures are not taken， the construction period will be prolonged， even safety accidents will be caused， and the construction cost will be greatly increased. Combined with the actual shallow tunnel project， the paper takes effective control measures when the tunnel passes through the soft fracture， and calculates the deformation of surrounding rock by numerical analysis and simulation， which ensures the safety of tunnel construction and provides guidance and reference for similar projects.

關(guān)鍵詞：淺埋隧道;軟弱破碎圍巖;數(shù)值模擬

Key words： shallow tunnel;weak and broken surrounding rock;numerical simulation

中圖分類號(hào)：U 451.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）22-0123-03

0? 引言

當(dāng)巖體因地殼運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生斷層、褶皺、節(jié)理時(shí)，巖體的完整性就會(huì)受到破壞，抗剪強(qiáng)度會(huì)大幅度降低，承載能力會(huì)大大的下降，此時(shí)圍巖的自穩(wěn)能力較差，對(duì)工程會(huì)產(chǎn)生一定的危害[1]。

軟弱破碎圍巖降低了巖體的完整性及整體穩(wěn)定性，隧道開(kāi)挖后圍巖的自穩(wěn)能力降低，易產(chǎn)生較大的變形，甚至掉塊。斷裂帶巖體破碎，上下盤巖體物理性能也可能存在較大的差異，隧道開(kāi)挖后可能會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降。軟弱破碎巖體，圍巖松散，密實(shí)度低，容易形成地下水的流經(jīng)通道，隧道施工中，當(dāng)?shù)叵滤^豐富時(shí)，容易產(chǎn)生涌水問(wèn)題[2-3]。

軟弱破碎巖體的各種力學(xué)指標(biāo)下降，給隧道施工帶來(lái)極高的風(fēng)險(xiǎn)，如果不能采取有效的處理措施，將會(huì)延長(zhǎng)施工工期，甚至?xí)斐砂踩鹿?，大大的增加施工成本。因此?dāng)淺埋隧道穿越軟弱破碎圍巖時(shí)，研究如何能夠控制圍巖變形使隧道安全施工是非常具有工程價(jià)值。

1? 軟弱破碎圍巖處置原則

1.1 總體思路

施工中要遵循加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、做好超前預(yù)支護(hù)、分部開(kāi)挖、快速封閉的原則[4]。①做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作是隧道安全施工的基本保障，隨時(shí)掌握掌子面前方圍巖的特征。②根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果，在軟弱破碎圍巖段采取全斷面或局部注漿、小導(dǎo)管或中管棚超前支護(hù)。③隧道開(kāi)挖方采取分部開(kāi)挖，減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)。④開(kāi)挖后，快速施作初期支護(hù)封閉，使圍巖處于三向受力狀態(tài)，增加圍巖的穩(wěn)定性。

1.2 具體施工措施

1.2.1 開(kāi)挖方法

軟弱破碎圍巖自穩(wěn)能力差，圍巖會(huì)產(chǎn)生較大變形，當(dāng)?shù)叵滤S富時(shí)易產(chǎn)生涌水突泥，施工風(fēng)險(xiǎn)極高。采取帷幕注漿進(jìn)行超前加固堵水，開(kāi)挖前采用小導(dǎo)管或中管棚進(jìn)行超前支護(hù)。開(kāi)挖方法選取兩臺(tái)階預(yù)留核心土、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法或CD法，光面爆破開(kāi)挖。

1.2.2 初期支護(hù)

隧道開(kāi)挖后，應(yīng)力發(fā)生重新分布，圍巖產(chǎn)生變形，同時(shí)在爆破荷載的作用下會(huì)加速圍巖的變形，因此需要盡快施作初期支護(hù)，初期支護(hù)應(yīng)滿足以下特點(diǎn)[5]。①初支緊跟開(kāi)挖部，及時(shí)封閉。②初支應(yīng)有良好的伸縮性，適應(yīng)圍巖的收斂變形。③初支應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，滿足承載力的需求。④經(jīng)濟(jì)合理，施作方便。

2? 工程實(shí)例

2.1 工程概況

毛栗隧道位于安順市西秀區(qū)揚(yáng)武鄉(xiāng)杉木村毛栗組與沙地組之間，設(shè)計(jì)為分離式隧道起訖樁號(hào)左線長(zhǎng)428m;右線長(zhǎng)422m。線路大致沿東西方向橫穿山脊;進(jìn)洞口設(shè)計(jì)標(biāo)高為1247m，出洞口設(shè)計(jì)標(biāo)高為1251m;隧道最大埋埋深約68m，屬淺埋短隧道。工程區(qū)域?qū)贅?gòu)造剝蝕、溶蝕低中山地貌，地面高程1230～1333m，相對(duì)高差約103m，自然坡度一般25°～60°，大多陡峭，局部形成陡崖，出口處存在危巖體。山體上覆土層很薄，地表植被較發(fā)育，主要為雜草灌木，隧道山體東側(cè)1.2km有村莊，有鄉(xiāng)村小路與村屋相連，隧道施工的交通條件較為不便。隧道左線V級(jí)圍巖長(zhǎng)度共55m，IV級(jí)圍巖280m，III級(jí)圍巖長(zhǎng)度93m，隧道右線V級(jí)圍巖長(zhǎng)度共55m，IV級(jí)圍巖279m，III級(jí)圍巖長(zhǎng)度88m。其中V級(jí)圍巖段落為淺埋段，圍巖軟弱破碎，自穩(wěn)能力差，施工風(fēng)險(xiǎn)較高。Ⅴ級(jí)圍巖段落隧道初期支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1所示。

2.2 數(shù)值分析

2.2.1 建立模型

采用FLAC3D數(shù)值分析軟件進(jìn)行三維建模分析，假定圍巖為各項(xiàng)同向材料，巖體分布比較均勻，本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb，同時(shí)忽略地下水對(duì)圍巖的影響[6-7]。

隧道模型高11.8m，寬12.9m。整體模型大小，隧道洞跨方向模型長(zhǎng)90m，隧道頂部向上取50m，隧道底部向下取50m，隧道縱向取60m。模型的上邊界為自由邊界，左右邊界約束水平方向位移，下邊界約束豎直方向位移。圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，采用上下臺(tái)階預(yù)留核心土法開(kāi)挖，每個(gè)循環(huán)進(jìn)尺為0.6m，上下臺(tái)階間隔12m 。三維模型圖如圖1～圖2所示。

2.2.2 計(jì)算參數(shù)選取

本模型圍巖采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型進(jìn)行模擬，參數(shù)E、μ、C、？漬、γ見(jiàn)表2所示。

在FLAC3D數(shù)值計(jì)算中所需參數(shù)分別是體積模量K和剪切模量G，根據(jù)以下公式進(jìn)行參數(shù)換算可以得到體積模量和剪切模量[8-9]。

混凝土的計(jì)算參數(shù)做以下處理。Ⅴ級(jí)圍巖考慮鋼拱架的作用，在先提高一級(jí)混凝土強(qiáng)度到C30，然后再按等效法，將鋼架的彈性模量折算給噴混凝土，具體計(jì)算公式為：

式中：E——折算后混凝土的彈性模量;E0——原混凝土的彈性模量;Sg——鋼拱架截面面積;Eg——鋼材的彈性模量;Sc——混凝土的截面面積。

2.2.3 變形計(jì)算分析

隧道開(kāi)挖后，圍巖的變形大小見(jiàn)圖3～圖4所示。

由圖3～圖4分析，得出隧道開(kāi)挖后，水平位移最大收斂變形量10.1mm，拱頂沉量為11.6mm。根據(jù)《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程Q/CR9218-2015》，跨度7m

2.3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)

選取V級(jí)圍巖某一斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)圍巖的變形，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖5所示，圍巖變形數(shù)據(jù)見(jiàn)表4所示。

對(duì)上述監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)圖6～圖8所示。

由圖6～圖8可以得出，隧道開(kāi)挖14d左右時(shí)，圍巖累計(jì)變形已經(jīng)達(dá)到了總變形量的90%以上，變形速率小于0.2mm/d，圍巖變形穩(wěn)定，隧道施工處于安全狀態(tài)。

3? 結(jié)束語(yǔ)

淺埋隧道穿軟弱破碎圍巖時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)極高，必須要采取相應(yīng)的技術(shù)，確保隧道安全施工。文章對(duì)毛栗淺埋隧道Ⅴ級(jí)圍巖段落進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，隧道拱的沉降和周邊收斂均在規(guī)范要求的范圍內(nèi)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在隧道開(kāi)挖14d左右后，圍巖變形速率小于0.2mm/d，變形趨于穩(wěn)定，隧道施工處于安全狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王曉.斷層破碎帶地段隧道穩(wěn)定性分析與施工參數(shù)優(yōu)化研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2017.

[2]周凱.斷層帶深埋隧道圍巖穩(wěn)定性影響因素分析及施工方案優(yōu)化[D].長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2016.

[3]張東明.山區(qū)隧道施工中塌方處治的分析與研究[D].上海：華中科技大學(xué)，2011.

作者簡(jiǎn)介：黃武林（1982-），男，貴州甕安人，本科，工程師，主要從事隧道施工與管理工作。