下穿河谷軟弱圍巖高鐵隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

王曉輝

(中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津 300350)

截至2019年，中國(guó)已系統(tǒng)掌握各種復(fù)雜地質(zhì)及氣候條件下高鐵建造成套技術(shù)，隨著我國(guó)高速鐵路修建技術(shù)的提高和成熟，許多高速鐵路不可避免地需要穿越城市河流，相當(dāng)一部分需要采用下穿隧道方式通過(guò)。譬如武廣高速鐵路瀏陽(yáng)河隧道采用礦山法施工，有多篇文獻(xiàn)對(duì)該高速鐵路隧道穿越河流區(qū)的設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性進(jìn)行了相關(guān)研究[1-4]。類(lèi)似采用礦山法施工的具有代表性的水下隧道有廈門(mén)翔安海底隧道，若干文獻(xiàn)對(duì)其設(shè)計(jì)施工中的重難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行了分析[5-8]。對(duì)于下穿河谷區(qū)隧道施工的研究，楊金歌提出了洞口段穿越河谷開(kāi)挖的方案及相應(yīng)支護(hù)參數(shù)[9]；胖濤與方錢(qián)寶依據(jù)貴廣鐵路重點(diǎn)工程提出了淺埋隧道下穿季節(jié)性河谷區(qū)的門(mén)式結(jié)構(gòu)解決方案[10]；王玉鎖等則通過(guò)數(shù)值模擬的方法分析了下穿河谷區(qū)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力規(guī)律[11]。雖然已有相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)大斷面隧道下穿河谷區(qū)進(jìn)行了研究，但對(duì)于軟弱地質(zhì)環(huán)境中高鐵隧道設(shè)計(jì)的研究卻較少。

杭紹臺(tái)客專(zhuān)東茗隧道下穿東大灣主河槽DK775+040～DK775+200段落為160 m，河槽與線(xiàn)路平面夾角44°，洞身位于弱風(fēng)化泥巖地層，緊鄰東大灣主河槽，拱頂埋深36 m，均為Ⅴ級(jí)圍巖。通過(guò)試驗(yàn)手段探索軟弱圍巖的工程特性，利用數(shù)值模擬計(jì)算分析隧道的穩(wěn)定性，并確定隧道下穿河谷區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，并依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性。

1 圍巖室內(nèi)試驗(yàn)

東茗隧道全長(zhǎng)18 226.15 m，隧道最大埋深約262 m，最大跨度為15.2 m，開(kāi)挖斷面面積最大為158 m2，內(nèi)縱坡呈人字型。東茗隧道先后下穿東大灣河谷區(qū)及兩岸紅土覆蓋的低山區(qū)，隧址區(qū)不僅有滑坡、膨脹泥巖、松軟土等不良地質(zhì)，而且隧道大部分位于新昌縣城區(qū)地下，下穿東大灣河、村莊、東大源灣河谷，通過(guò)液化氣站及液化氣管道等多種高風(fēng)險(xiǎn)，是中國(guó)鐵路總公司“掛牌”監(jiān)控的 Ⅰ 級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)隧道。

為了獲得圍巖工程特性，進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究，對(duì)泥巖的抗壓強(qiáng)度、單軸壓縮變形、膨脹性與滲透性以綜合評(píng)價(jià)。在隧道DK774+650～DK775+400里程段總計(jì)取樣15次。根據(jù)《鐵路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(TB 10115-2014)，采用切石機(jī)將試件制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，尺寸為長(zhǎng)50 mm×寬50 mm×高100 mm，制備標(biāo)準(zhǔn)試樣如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)試樣

1.1 單軸抗壓強(qiáng)度

通過(guò)強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試得：泥巖天然單軸抗壓平均強(qiáng)度1.43 ～2.44 MPa，平均強(qiáng)度均在5 MPa以?xún)?nèi)，所取試樣為極軟巖。

1.2 單軸壓縮模量

在進(jìn)行單軸壓縮變形試驗(yàn)時(shí)，每組試樣須有兩個(gè)試件同步測(cè)量，取其平均值作為測(cè)試值。測(cè)試得到試樣的變形模量為0.69～1.77 Pa，彈性模量為0.71 ～1.86 GPa，泊松比0.26～0.35，屬V級(jí)圍巖。

1.3 泥巖膨脹性

根據(jù)《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程》(TB 10038-2012)提出的評(píng)判指標(biāo)：不易崩解巖石的自由膨脹率大于30；膨脹力大于100 kPa；飽和吸水率≥10。

1.3.1 X射線(xiàn)衍射試驗(yàn)

根據(jù)X射線(xiàn)衍射試驗(yàn)得到圍巖組成的相對(duì)含量，結(jié)果如圖2所示。

圖2 圍巖組成相對(duì)含量

由圖2試驗(yàn)結(jié)果可知，東茗隧道圍巖試樣中主要礦物為黏土和碎屑礦物，其中黏土主要由白云母和石英組成；碎屑礦物主要由二氧化硅組成并含有少量方解石、鈉長(zhǎng)石、鎂綠泥石。從礦物成分的角度看圍巖不具有膨脹性。

1.3.2 膨脹力和膨脹率

膨脹試驗(yàn)采用直接法，使用儀器為巖石膨脹應(yīng)力測(cè)定儀和WZ-2型膨脹儀，膨脹率試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3試驗(yàn)結(jié)果顯示，每個(gè)斷面最大膨脹力30～95 kPa，小于100 kPa；圍巖試樣最終膨脹率為7.88 %～12.1 %，圍巖試樣無(wú)膨脹性。

1.4 泥巖滲透性

對(duì)5組圍巖試樣的滲透系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，圍巖試樣的滲透系數(shù)2.89×10-6～7.41×10-6cm/s。根據(jù)《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程》(TB10038-2012)，當(dāng)圍巖的滲透系數(shù)10-6≤K<10-5cm/s時(shí)，巖土體的滲透性等級(jí)為微透水。因此，圍巖試樣微透水，滲透性較低。

圖3 圍巖膨脹力與膨脹率

從上述試驗(yàn)結(jié)果可知，該巖層天然抗壓強(qiáng)度有高有低，軟硬不均，但均屬于極軟質(zhì)巖，且成巖作用不一，整體工程性質(zhì)較差；不具有膨脹性，但具有一定的崩解性，屬微透水地層。

2 數(shù)值計(jì)算與分析

根據(jù)圍巖工程特性，利用三維數(shù)值模擬計(jì)算分析下穿河谷區(qū)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的可行性。隧道下穿段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖掘進(jìn)。初期支護(hù)采用C25濕噴混凝土，厚度35 cm；二次襯砌采用C35鋼筋混凝土，厚度80 cm。

2.1 計(jì)算模型和參數(shù)

數(shù)值計(jì)算的模型范圍：隧道左右邊界為5倍洞徑(寬度150 m)，下邊界為3倍洞徑(45 m)，下邊界取至地表(36 m)。前、后、左、右邊界為約束法向位移邊界，下邊界為法向與切向固定邊界，頂部為自由邊界。計(jì)算模型單元數(shù)為311 748個(gè)，相應(yīng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為32 265個(gè)，圍巖、初期支護(hù)與二次襯砌采用實(shí)體單元模擬，圍巖采用摩爾庫(kù)侖本構(gòu)，支護(hù)結(jié)構(gòu)賦予彈性本構(gòu)準(zhǔn)則，錨桿與超前支護(hù)則采用桿單元模擬。地下水位位于距離隧道拱頂之下40 m。滲透系數(shù)取試驗(yàn)最大數(shù)值7.407×10-5cm/s。計(jì)算模型如圖4所示。

由現(xiàn)場(chǎng)圍巖實(shí)測(cè)可知，圍巖滲水性較小，河谷內(nèi)的水壓力可視為均布荷載加在河床上。根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告得到圍巖與支護(hù)計(jì)算參數(shù)如表1所示。

圖4 計(jì)算模型

表1 圍巖與支護(hù)參數(shù)

2.2 計(jì)算結(jié)果

2.2.1 位移結(jié)果

選取模型中間斷面DK775+120為分析斷面，計(jì)算得到有超前支護(hù)與無(wú)超前支護(hù)分析斷面二次襯砌拱頂沉降如圖5所示。

圖5 分析斷面拱頂沉降(單位：m)

由圖5計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析可知，有超前支護(hù)情況下的最終拱頂沉降值較無(wú)超前支護(hù)情況的要小，此時(shí)拱頂最終沉降值減少了36.4%，說(shuō)明超前支護(hù)能夠一定程度上控制圍巖變形。

2.2.2 內(nèi)力結(jié)果

以分析斷面為對(duì)象，分析在有超前支護(hù)和無(wú)超前支護(hù)情況下初期支護(hù)的內(nèi)力變化，得到超前支護(hù)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)受力的影響。需要說(shuō)明的是FLAC3D中實(shí)體單元計(jì)算內(nèi)力根據(jù)FISH語(yǔ)言對(duì)單元應(yīng)力積分得到，計(jì)算結(jié)果如圖6～圖7所示。

施作超前支護(hù)地段初期支護(hù)關(guān)鍵部位的軸力比未施作超前支護(hù)的軸力普遍大，其中變化較大的是左墻腳的位置，軸力增大了389.6 kN，增幅為27.6%；有超前支護(hù)時(shí)左墻腳處的彎矩較無(wú)超前支護(hù)情況下的彎矩值減小8.2 kN·m，彎矩值較無(wú)超前支護(hù)減少15.3%。施作超前支護(hù)后，初期支護(hù)軸力值變大，彎矩值減小，更有利于初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力?？梢?jiàn)，施作超前支護(hù)對(duì)于隧道結(jié)構(gòu)受力是有利的。

圖6 有超前支護(hù)時(shí)初期支護(hù)內(nèi)力

圖7 無(wú)超前支護(hù)時(shí)初期支護(hù)內(nèi)力

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

為了更進(jìn)一步了解隧道下穿河谷區(qū)施工過(guò)程中二次襯砌結(jié)構(gòu)承受的水壓力和圍巖壓力，選取DK775+041斷面為監(jiān)測(cè)斷面，布置了8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別位于拱頂、左右拱腰、左右邊墻、左右仰拱腰、仰拱底，水壓力計(jì)和圍巖壓力盒安裝于初期支護(hù)與防水板之間，如圖8所示。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器安裝

由圖8可知，二次襯砌承受的圍巖壓力最大位于左側(cè)拱腰、仰拱部位，最大達(dá)到0.35 MPa，總體二次襯砌承擔(dān)圍巖壓力相對(duì)較小，因此二次襯砌內(nèi)力也較小。由圖9可知，水壓力最大值小于0.01 MPa，基本上不承受水壓力，分析與弱風(fēng)化泥巖的低滲透性相關(guān)，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中基本無(wú)滲水。作者認(rèn)為水壓力較小的原因與水位、圍巖滲透性和排水系統(tǒng)有關(guān)。在本隧道中，水位線(xiàn)在隧道拱頂下40 m，圍巖滲透性較好，且排水系統(tǒng)為全封堵，因此二襯承受水壓力較小。

圖9 DK775+041斷面監(jiān)測(cè)結(jié)果

除了對(duì)圍巖壓力與水壓力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)外，監(jiān)測(cè)了DK775+120斷面拱頂沉降時(shí)程曲線(xiàn)，如圖10所示。

圖10 拱頂沉降時(shí)程曲線(xiàn)

由圖10可知，最大拱頂位移小于3 cm，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果在數(shù)量級(jí)上一致，數(shù)值計(jì)算結(jié)果大于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，數(shù)值模擬較保守，可對(duì)設(shè)計(jì)給予指導(dǎo)。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)獲得了研究區(qū)段隧道圍巖天然抗壓強(qiáng)度有高有低，軟硬不均，但均屬于極軟質(zhì)巖，且成巖作用不一，整體工程性質(zhì)較差；不具有膨脹性，但具有一定的崩解性，屬微透水地層。

(2)根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知：超前支護(hù)能夠一定程度上控制圍巖變形；施作超前支護(hù)后，初期支護(hù)軸力值變大，彎矩值減小，更有利于初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力。

(3)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知：二次襯砌承受的圍巖壓力最大位于左側(cè)拱腰、仰拱部位，最大達(dá)到0.35 MPa，總體二次襯砌承擔(dān)圍巖壓力相對(duì)較小；水壓力最大值小于0.01 MPa，基本上不承受水壓力，這與弱風(fēng)化泥巖的低滲透性相關(guān)，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中基本無(wú)滲水。

(4)拱頂最大位移小于3 cm，數(shù)值計(jì)算結(jié)果大于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，二者在數(shù)量級(jí)上一致，數(shù)值模擬較保守，但可為設(shè)計(jì)提供一定指導(dǎo)。