陡傾軟弱地層條件下隧道變形破壞機(jī)理及處治技術(shù)研究

高 飛

（山西長(zhǎng)興路橋工程有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000）

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)家交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展，高速公路建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，且公路網(wǎng)不斷完善。在此形勢(shì)下，高速公路逐步向崇山峻嶺的復(fù)雜地質(zhì)區(qū)邁進(jìn)，不可避免地遇到陡傾軟弱地層[1]。陡傾地層是地殼劇烈運(yùn)動(dòng)遺留下的地層產(chǎn)狀，且伴隨著軟弱破碎帶的產(chǎn)生。在此情況下，巖層結(jié)構(gòu)屬于板裂構(gòu)造，其極易產(chǎn)生潰屈破壞和傾倒破壞而導(dǎo)致隧道圍巖失穩(wěn)。目前，學(xué)者們針對(duì)陡傾地層下隧道工程病害形成機(jī)理及相應(yīng)施工對(duì)策開(kāi)展了大量的研究工作。郭小龍[2]等人依托成蘭鐵路楊家坪隧道，利用室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)值模擬手段研究了高地應(yīng)力陡傾地層條件下隧道圍巖強(qiáng)度及變形破壞機(jī)理。李磊[3]等人綜合利用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等手段對(duì)陡傾地層條件下小凈距隧道的變形機(jī)理進(jìn)行深入研究，全面揭示了其變形影響因素、變形規(guī)律、支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性等，并有針對(duì)性地提出中巖柱的保護(hù)及加固措施。要美芬[4]等人依托廈深鐵路梁山隧道，針對(duì)高風(fēng)化富水陡傾地層條件下隧道排水技術(shù)進(jìn)行深入研究，優(yōu)化隧道排水系統(tǒng)，并利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段全面評(píng)價(jià)了排水效果。吳培榮[5]針對(duì)深埋富水陡傾軟弱地層條件下隧道在施工中產(chǎn)生的突泥涌水、洞頂塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，提出水平旋噴樁的加固技術(shù)體系，并在實(shí)際工程中取得了良好的處治效果。然而，上述研究尚未全面揭示陡傾地層隧道變形破壞的機(jī)理，未形成系統(tǒng)全面的處治技術(shù)。

鑒于此，本文結(jié)合某陡傾軟弱地層隧道，總結(jié)分析其工程特點(diǎn)，利用數(shù)值模擬手段研究其隧道破壞機(jī)理，有針對(duì)性地提出一系列處治技術(shù)，為類(lèi)似工程施工提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

某高速公路隧道為分離式兩車(chē)道隧道，設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/h，其建筑限界凈寬10.25 m，限高5 m，左右洞長(zhǎng)度分別為1 355 m、1 345 m，隧道洞身最大埋深為85.5 m。隧址區(qū)處于剝蝕中山地貌區(qū)，其分布有數(shù)條斷裂帶，且隧址區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖強(qiáng)度較弱，整體穩(wěn)定性較差。根據(jù)隧道地質(zhì)勘察資料，隧址區(qū)地層從上而下主要有：上至留統(tǒng)-白龍江群下部（S2+3bl1）和上至留統(tǒng)-白龍江群上部（S2+3bl2），其中白龍江群下部巖層主要為千枚巖、片巖、夾板巖構(gòu)成，其呈片狀結(jié)構(gòu)，節(jié)理、裂隙及小型褶皺極為發(fā)育，風(fēng)化程度較高，圍巖強(qiáng)度極低，呈破碎狀，屬典型的軟弱圍巖，是隧道洞身的主要圍巖條件；白龍江群上部為中厚層的灰?guī)r、千枚巖、板巖，巖體破碎，屬較硬巖，在隧道洞身段分布較少。該隧道掌子面圍巖產(chǎn)狀如圖1所示。

圖1 隧道掌子面圍巖產(chǎn)狀

該隧道右洞在施工至YK9+350時(shí)，掌子面產(chǎn)生了大變形，并逐步發(fā)展為小型塌方，具體表現(xiàn)為：隧道掌子面后方20 m處初期支護(hù)產(chǎn)生嚴(yán)重變形，其裂縫寬度達(dá)5 cm，呈明顯剪切狀裂縫，鋼拱架扭曲變形嚴(yán)重。隨后掌子面處產(chǎn)生塌方，塌方體體積約500 m3，塌方巖體極為破碎，其現(xiàn)場(chǎng)具體情況如圖2、圖3所示。

圖2 隧道初期支護(hù)開(kāi)裂、扭曲變形

圖3 隧道掌子面產(chǎn)生塌方

2 施工力學(xué)特性分析

2.1 數(shù)值分析模型

為全面分析該隧道施工地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的機(jī)理，本文選取典型隧道段，利用數(shù)值模擬手段建立三維分析模型，分析陡傾及軟弱地層條件下隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變特性。在本模型中，首先假設(shè)圍巖為均質(zhì)彈塑性體，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系符合Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，即隧道圍巖達(dá)到塑性狀態(tài)后，可利用塑形理論中的增量法進(jìn)行解析。其次，由于隧道初期支護(hù)、襯砌材料與圍巖材料相比具有較好的力學(xué)性能，可將支護(hù)結(jié)構(gòu)材料視為彈性材料，具體情況見(jiàn)表1。

表1 模型材料的力學(xué)參數(shù)

為減小模型邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，計(jì)算區(qū)域的左右各取3倍隧道凈寬，下部取2倍隧道凈高，上部取實(shí)際地表情況?？紤]到該隧道圍巖中分布有一軟弱夾層，其寬度為1.5～2 m，其產(chǎn)狀與水平方向呈55°夾角，本模型采用實(shí)體單元構(gòu)建該夾層，并賦予其物理力學(xué)參數(shù)，所建模型如圖4所示。

圖4 隧道數(shù)值分析模型圖

2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

在隧道施工過(guò)程中，圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用，圍巖的物理力學(xué)性能直接反映在支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性上。而且，支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律直接決定了隧道的穩(wěn)定性，也是工程師們最為關(guān)心的技術(shù)問(wèn)題。因此，本文利用上述模型進(jìn)行計(jì)算后，提取出隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移及剪切應(yīng)力分布云圖，所得具體情況如圖5、圖6所示。

圖5 支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移圖

從圖5中可以看出，在陡傾軟弱地層影響下，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)變分布極不均衡，其拱頂及仰拱處產(chǎn)生較大位移，其中拱頂沉降最大值為0.018 55 m，而仰拱處產(chǎn)生向上位移，即存在底板隆起的趨勢(shì)，其最大隆起量為0.019 65 m?？梢?jiàn)，在該地質(zhì)條件下隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)極易發(fā)生拱頂下沉、底板隆起等地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)隧道施工安全造成極為不利的影響。

圖6 支護(hù)結(jié)構(gòu)剪切應(yīng)力圖

從圖6中可以看出，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂、拱肩部位承受較大的剪切應(yīng)力，其分布范圍較大，其最大剪切應(yīng)力為0.086 55 kN，最大剪切力發(fā)生在拱頂部位偏右側(cè)處。對(duì)比模型中斷層帶的位置可以看出，最大剪切力發(fā)生的位置正好為斷層帶穿越隧道處?？梢?jiàn)，在陡傾地層、斷層帶、軟弱夾層的共同作用下，隧道應(yīng)力分布極不均衡，拱頂部位產(chǎn)生較大剪應(yīng)力，極易因剪切破壞而產(chǎn)生襯砌開(kāi)裂、滲漏水、剝落等病害，對(duì)施工安全極為不利。

3 地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理分析

3.1 圍巖各向異性

為準(zhǔn)確分析圍巖的各向異性，本文在隧道現(xiàn)場(chǎng)取樣，配制了不同含水量（5%、10%、15%）的試樣，并進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，主要包括平行層面、垂直層面的加載試驗(yàn)，所得抗壓強(qiáng)度峰值如表2所示。

表2 試樣抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 MPa

從表2中可以看出，該隧道圍巖各試樣的垂直層面抗壓強(qiáng)度均大于水平層面抗壓強(qiáng)度，以水平層面抗壓強(qiáng)度與垂直層面抗壓強(qiáng)度比值作為各向異性評(píng)價(jià)指標(biāo)，則試樣1～試樣3的各向異性值分別為0.75、0.69、0.61?？梢?jiàn)，在含水量較低時(shí)，該隧道圍巖表現(xiàn)出較強(qiáng)的各向異性，而隨著含水量的增大，圍巖各向異性減弱。同時(shí)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)察情況可知，隧道圍巖呈現(xiàn)片狀、薄層狀，其節(jié)理裂隙發(fā)育明顯；其在單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)下表現(xiàn)出不同的破壞模式，在垂直層面加載狀況下，圍巖呈現(xiàn)單斜剪切破壞，而在平行層面加載狀況下，圍巖表現(xiàn)出明顯的拉伸破壞。

3.2 軟巖破壞機(jī)理

隧道開(kāi)挖后，其圍巖應(yīng)力產(chǎn)生釋放，導(dǎo)致隧道圍巖應(yīng)力重新分布，其主要表現(xiàn)為圍巖壓力分布不均衡，其邊墻部位圍巖壓力往往低于拱頂部位圍巖壓力。在此壓力差的作用下，軟弱層狀圍巖極易產(chǎn)生層面拉伸、層面剪切、巖塊剪切等三類(lèi)破壞形式。對(duì)于該隧道具體情況而言，圍巖以陡傾產(chǎn)狀的千枚巖、板巖為主，巖層產(chǎn)狀與隧道走向呈大角度交叉，在隧道開(kāi)挖后圍巖處于二維受力狀態(tài)，使得隧道邊墻承受較大的切向應(yīng)力，導(dǎo)致圍巖承受垂直于層面的拉應(yīng)力，進(jìn)而引發(fā)隧道圍巖產(chǎn)生剪切破壞及拉伸破壞。

4 處治措施

針對(duì)該隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)施工變形特性及地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理，結(jié)合該隧道實(shí)際情況，考慮處治措施的現(xiàn)場(chǎng)操作及經(jīng)濟(jì)性，采取主動(dòng)加固的處治原則，其具體措施主要從以下兩方面進(jìn)行。

4.1 圍巖注漿加固

根據(jù)上述隧道地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理分析，可以看出在陡傾地層及軟弱圍巖共同作用下，隧道圍巖整體穩(wěn)定性較差。因此，在考慮各因素的基礎(chǔ)上經(jīng)綜合分析，該隧道采用注漿加固方法對(duì)圍巖進(jìn)行全面加固，其注漿管采用Φ42×4 mm、長(zhǎng)度為4.5 m的鋼花管。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，經(jīng)多次試驗(yàn)后，確定采用1∶1水泥漿液，其注漿壓力控制在0.8～1.0 MPa之間。注漿范圍主要集中在兩側(cè)邊墻及拱頂部位，其中邊墻部位布設(shè)5排注漿管，其間距為0.5 m，呈梅花型布設(shè)，主要用于加固隧道兩側(cè)邊墻處圍巖，減弱軟弱破碎圍巖對(duì)隧道整體穩(wěn)定性的影響。其次，隧道拱頂部位注漿管密度應(yīng)適當(dāng)加大，間距為0.35 m，主要用于加固隧道拱頂部位圍巖，削弱陡傾產(chǎn)狀圍巖導(dǎo)致的隧道圍巖應(yīng)力分布不均的情況。注漿加固的現(xiàn)場(chǎng)具體情況如圖7所示。

圖7 隧道圍巖注漿加固

4.2 增設(shè)工字鋼

對(duì)于已發(fā)生變形破壞的隧道段，根據(jù)上述地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理分析可知，其主要受陡傾地層及軟弱圍巖的影響而使得隧道初支結(jié)構(gòu)承受較大剪切力。因此，本文采用在原隧道初期支護(hù)外側(cè)增設(shè)工字鋼作為護(hù)拱的方法進(jìn)行處治，其工字鋼采用I20a型，縱向間距為0.5 m。在工字鋼架設(shè)完成后，并在內(nèi)側(cè)焊接一層鋼筋網(wǎng)片，其間距為20 cm×20 cm。在每榀工字鋼拱腳部位打設(shè)2根鎖腳錨桿，其長(zhǎng)度為2.5 m，利用鎖腳錨桿可將增設(shè)的工字鋼與原有隧道初支結(jié)構(gòu)緊密連接，使得二者達(dá)到協(xié)調(diào)變形的目的，其現(xiàn)場(chǎng)具體情況如圖8所示。

圖8 增設(shè)工字鋼加固隧道結(jié)構(gòu)

5 結(jié)論

a）在陡傾軟弱地層影響下，隧道施工力學(xué)特性表現(xiàn)為：支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)變分布極不均衡，其拱頂及仰拱處產(chǎn)生較大位移，極易發(fā)生拱頂下沉、底板隆起等地質(zhì)災(zāi)害；支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂、拱肩部位承受較大的剪切應(yīng)力，其分布范圍較大。

b）該隧道地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理主要有兩方面：一是圍巖表現(xiàn)出較強(qiáng)的各向異性，其在單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)下表現(xiàn)出不同的破壞模式；二是圍巖壓力分布不均衡，在壓力差作用下，軟弱層狀圍巖極易產(chǎn)生層面拉伸、層面剪切、巖塊剪切等破壞形式。

c）結(jié)合該隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)施工變形特性及地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理，考慮處治措施的現(xiàn)場(chǎng)操作及經(jīng)濟(jì)性，采取圍巖注漿加固及增設(shè)工字鋼兩種主動(dòng)加固措施，可提高圍巖整體穩(wěn)定性，增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)承載能力。