隧道軟弱圍巖的受力變形研究

雷濟(jì)榮，汪 陽，甘沁霖

(1.中交第四公路工程局有限公司，北京 100022;2.武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)實驗室，武漢 430070)

近年來，我國在長距離交通這方面需求逐年提高，快速便捷的交通工具拉近了人們之間的距離。然而對于我國中西部地區(qū)，由于多屬山地地形，形成貫通的交通網(wǎng)絡(luò)就需要穿過這些山脈，開挖隧道便是最經(jīng)濟(jì)合理的方式。隧道開挖會面臨施工環(huán)境較差、土體情況復(fù)雜、施工難度較大等問題，其中軟弱圍巖對于隧道開挖影響尤為突出。對于軟巖的研究，國外要較早于國內(nèi)，最早太沙基[1]提出一種圍巖計算公式，由于公式著重考慮巖體內(nèi)部粘結(jié)力的作用，一般適用于埋深較淺的隧道。隨后，Rabeewicz L V[2]經(jīng)試驗提出一種新型支護(hù)理論，即“新奧法”。圍巖和襯砌被看作一個承擔(dān)作用的整體，充分發(fā)揮了圍巖自身承載力，而支護(hù)結(jié)構(gòu)起到加固作用。國內(nèi)學(xué)者鄭雨天[3]、陸家粱[4]等人將彈性力學(xué)和塑性力學(xué)理論引入隧道軟巖的研究中，在“新奧法”的基礎(chǔ)上提出“聯(lián)合支護(hù)”理論，即將隧道開挖中支護(hù)部分分為多個階段進(jìn)行數(shù)次的支護(hù)加固，同時進(jìn)行相應(yīng)的測量和監(jiān)視措施，達(dá)到保證軟巖穩(wěn)定的目的。近些年，有限元軟件的出現(xiàn)，使軟弱圍巖的受力變形研究更加高效。何振寧[5]等人指出高地應(yīng)力軟弱圍巖大變形等五種圍巖變形模式；張浚厚[6]利用分析軟件FLAC對堡鎮(zhèn)隧道進(jìn)行數(shù)值模擬,得出高地應(yīng)力環(huán)境下的施工更容易造成初期支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞和擠壓變形；蘇道振[7]利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，比較準(zhǔn)確地預(yù)測隧道圍巖的拱頂沉降及圍巖收斂。

根據(jù)巖體情況將某隧道劃分為各個區(qū)段，分析各區(qū)段的巖石組成與特性并評定不同等級，再選取各個合理斷面，利用有限元軟件建立一定長度的斷面模型，最終選定合理的開挖方法，并利用數(shù)值仿真分析了開挖不同階段的不同等級的圍巖的受力變形特點(diǎn)。

1 隧道巖體地質(zhì)概況和施工方法

1.1 地質(zhì)概況

隧道軟弱圍巖巖體[8]大致分為第四系地層、沉積巖地層、變質(zhì)巖地層3類。根據(jù)勘測結(jié)果，將隧道在軟巖范圍內(nèi)的開挖長度劃分為5個區(qū)段：①ZK10+415.000～ZK10+513.000，此段內(nèi)巖體主要由第四系崩坡積層塊石組成，塊粒松散，圍巖的整體穩(wěn)定性較差，且位于隧道入口處，若支護(hù)措施不當(dāng)容易發(fā)生圍巖失穩(wěn)，整體屬于Ⅴ級圍巖。②ZK10+513.000～ZK10+563.000，此段內(nèi)巖體主要由中風(fēng)化千枚巖、砂巖組成，內(nèi)部縫隙較多，整體性很差，整體屬于Ⅴ級圍巖。③ZK10+563.000～ZK10+925.000，此段內(nèi)巖體主要由千枚巖、角巖等組成，整體穩(wěn)定性較差，并且經(jīng)判斷此段圍巖內(nèi)存在斷層現(xiàn)象，整體屬于Ⅴ級[9]圍巖。④ZK10+925.000～ZK10+988，此段內(nèi)巖體主要由中等風(fēng)化的花崗巖、閃長巖等組成，巖塊較為堅硬，但節(jié)理和裂隙發(fā)育明顯，整體性較差，整體屬于Ⅳ級圍巖。⑤ZK11+227.000～ZK11+300.000，此段內(nèi)圍巖以花崗巖和堅硬閃長巖為主，巖體整體較為堅硬，但經(jīng)初步判斷，其內(nèi)部存在兩種主要巖體的分界線，巖體裂縫發(fā)育明顯，有破碎的現(xiàn)象，整體屬于Ⅲ級及以上等級圍巖，故不將其列為研究對象。

1.2 施工方法

由于軟巖的自穩(wěn)能力較差，破壞形式多種多樣，很難檢測和預(yù)報，選擇合理的開挖方法并采取正確的加固方案尤為重要。故而采用預(yù)留核心土三臺階法開挖隧道[10]：將斷面分為上臺階、中臺階、下臺階、預(yù)留核心土和仰拱幾個部分，自上而下依次開挖，每個步驟開挖完成后及時支護(hù)，整體施工縱向錯開，逐步向前推進(jìn)。在開挖過程中，需要及時設(shè)置超前支護(hù)，適當(dāng)加強(qiáng)隧道斷面拱腳的支承力，增強(qiáng)初期支護(hù)的連接等措施加強(qiáng)圍巖的整體穩(wěn)定性，且按要求設(shè)置排水系統(tǒng)，防止隧道內(nèi)涌水浸沒結(jié)構(gòu)設(shè)備造成安全隱患。

2 數(shù)值模型建立與受力變形分析

2.1 模型建立與相關(guān)參數(shù)

模型以隧道開挖段內(nèi)3個Ⅴ級圍巖區(qū)段和2個Ⅳ級圍巖區(qū)段為研究對象，選取每一段內(nèi)某一具體斷面作為研究對象，并將各區(qū)段由1～5進(jìn)行編號。具體圍巖力學(xué)參數(shù)、錨桿、支護(hù)相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 圍巖和支護(hù)參數(shù)

隧道斷面的最大寬度為11.06 m，最大高度為8.65 m，埋深為200 m，單次開挖進(jìn)深單元為2 m。為限制邊界位移，在模型x方向設(shè)置約束；為限制其底部位移，在模型x、y方向設(shè)置約束。所建模型見圖1、圖2。

2.2 有仰拱隧道內(nèi)力變形分析

對1號圍巖，用有限元軟件分析了各開挖步驟下圍巖水平位移圖，研究結(jié)果見表2。

表2 一號圍巖各測點(diǎn)水平位移 /mm

表2研究結(jié)果表明，在第1步開挖階段上臺階左測點(diǎn)與上臺階右測點(diǎn)水平位移與其他測點(diǎn)相比較大，但隨著開挖的進(jìn)行，上臺階左右測點(diǎn)位移逐漸減小，下臺階左右測點(diǎn)位移逐漸變大，其中第3步開挖階段位移最大為18.99 mm。最終水平位移最大處為下臺階右側(cè)點(diǎn)，為45.47 mm。

隧道開挖結(jié)束后拱頂及上臺階處沉降值見表3。

表3 一號圍巖拱頂及上臺階處沉降 /mm

從表3可知，由于隧道圍巖性質(zhì)較差，初始地應(yīng)力作用下圍巖Y方向上的沉降量較大，為163.613 mm。在開挖過程中，第1步對拱頂圍巖沉降量影響最大為44.456 mm。由于及時采取支護(hù)措施，第2、3步對拱頂圍巖沉降量分別為1.652 mm和1.024 mm，最終沉降量為42.576 mm，略有減小。

最后通過模型計算了圍巖的應(yīng)力狀態(tài)來判斷其整體穩(wěn)定性，各測點(diǎn)應(yīng)力值計算結(jié)果見表4。

表4 一號圍巖各測力點(diǎn)應(yīng)力值

表4計算結(jié)果表明，在第1步開挖階段上臺階左右測點(diǎn)應(yīng)力值最大為4.97 MPa，下臺階左右測點(diǎn)及拱頂測點(diǎn)應(yīng)力值較小僅為0.654 MPa。但是在第3步開挖階段，下臺階左右測點(diǎn)及拱頂測點(diǎn)應(yīng)力達(dá)到最大值分別為3.80 MPa和1.77 MPa。可以判斷此時圍巖最容易發(fā)生失穩(wěn)，應(yīng)該加強(qiáng)支護(hù)措施以及監(jiān)測。施工過程中開挖土體轉(zhuǎn)折處易出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)采取適當(dāng)措施防止支護(hù)結(jié)構(gòu)局部破壞。

2.3 無仰拱隧道內(nèi)力變形分析

對于某些工程條件比較特殊的地方，因地下水位、特殊地形、施工條件等因素，隧道內(nèi)不便設(shè)置仰拱。由于不設(shè)仰拱，隧道內(nèi)軟巖的受力變形會發(fā)生改變。通過建立模型采用同有仰拱隧道相同的條件進(jìn)行對比分析。以1號圍巖分析結(jié)果為例，僅有第4步開挖過程有較大變動，各測點(diǎn)水平位移計算結(jié)果見表5。

表5 一號圍巖各測點(diǎn)水平位移 /mm

表5計算結(jié)果表明，有仰拱隧道與無仰拱隧道僅在第4步開挖過程有區(qū)別，上臺階左右測點(diǎn)與拱頂測點(diǎn)水平位移由1.132 mm增至1.919 mm，下臺階左右測點(diǎn)分別由13.069 mm、13.487 mm增加至19.201 mm、18.816 mm?？梢钥闯鲅龉皩λ淼绹鷰r水平方向穩(wěn)定性起到較大作用。

再分別計算了隧道開挖結(jié)束后拱頂及上臺階處沉降值見表6。

表6 一號圍巖拱頂沉降 /mm

由表6可知，無仰拱隧道拱頂沉降為208.032 mm，相比有仰拱隧道沉降增加了1.843 mm，初步表明仰拱對于拱頂沉降有一定抑制作用。

最后通過模型分析了圍巖的應(yīng)力狀態(tài)來判斷其整體穩(wěn)定性，僅有核心土開挖階段的應(yīng)力圖有較大差別，各測點(diǎn)應(yīng)力值計算結(jié)果見表7。

表7 一號圍巖各測點(diǎn)應(yīng)力值 /MPa

表7計算結(jié)果表明，拱頂和上臺階測點(diǎn)應(yīng)力值由0.87 MPa增大至1.66 MPa，下臺階測點(diǎn)應(yīng)力值由4.65 MPa增大至5.54 MPa，可見仰拱的設(shè)置能在一定程度上降低圍巖應(yīng)力。

3 結(jié) 論

a.在上臺階開挖前設(shè)置足夠的拱頂預(yù)留變形量，且在施工中做好超前支護(hù)措施。

b.隧道斷面轉(zhuǎn)角處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象， 應(yīng)在施工中加強(qiáng)轉(zhuǎn)角處的防護(hù)結(jié)構(gòu)，增加錨桿數(shù)量，增大噴射混凝土厚度，保證施工安全。

c.為減小事故概率應(yīng)盡量避開Ⅴ級巖體區(qū)域、條件允許的情況下盡量開挖仰拱保證隧道的穩(wěn)定性。

d.仰拱能夠在一定程度上限制圍巖的變形，減小圍巖內(nèi)部的應(yīng)力值，故在條件允許的情況下應(yīng)盡量開挖仰拱。