擠壓性軟巖隧道圍巖大變形機理模型試驗研究

薛海巍 劉承宏 馬 良 陳宇博 李新志 朱永全

（1、中鐵三局集團第二工程有限公司，河北 石家莊050000 2、石家莊鐵道大學，河北 石家莊050000）

1 概述

我國國土遼闊，地形地貌多樣，地質(zhì)類型豐富，伴隨著西部大開發(fā)的深入發(fā)展，西南地區(qū)山高谷深，地質(zhì)條件復雜，隧道工程建設過程中面臨著巨大地質(zhì)災害風險，其中大埋深軟巖隧道在施工過程中會出現(xiàn)擠壓性隧道圍巖大變形，其突出施工特征是變形大、變形時間長，易造成支護結(jié)構(gòu)變形及破壞，給施工造成極大困難。即將修建的川藏鐵路是關(guān)系我國社會穩(wěn)定、西藏經(jīng)濟發(fā)展的重大工程。川藏鐵路全線隧道共計198 座，總長1 223.5 km，占線路總長的70.2%，其中大埋深軟巖段占隧道線路的29%，隧道施工過程擠壓性圍巖大變形問題突出，是影響隧道施工的典型災害源。因此，有必要深入研究擠壓性隧道圍巖大變形發(fā)生的應力特征與規(guī)律，為即將開工的川藏鐵路安全建設提供科學支撐。

擠壓性隧道圍巖大變形及破壞的特征主要與其巖性及所處的地應力環(huán)境有關(guān)系，其變形持續(xù)時間、變形量和支護破壞形式是擠壓性圍巖施工過程中應力調(diào)整的外觀表現(xiàn)。因此，很多學者對擠壓性軟巖隧道大變形機理進行研究。目前，國內(nèi)外專家對擠壓性軟巖隧道大變形研究成果較多，主要集中在理論解析、數(shù)值計算和試驗研究等方面。王華寧等假設隧道為圓形，考慮軟巖的流變性，研究了隧道圍巖與支護的協(xié)同作用效應，但由于未考慮支護的時間效應，理論結(jié)算結(jié)果與實際工程有出入。陳亮等采用數(shù)值模擬的方法研究了高地應力軟巖隧道采用不同開挖工法下隧道圍巖塑性區(qū)的分布，分析不同開挖方法的隧道穩(wěn)定性影響；李國良等結(jié)合蘭渝鐵路軟巖隧道工程特性，采用均質(zhì)地層圓形洞室彈塑性位移解析和我國現(xiàn)行規(guī)范圍巖參數(shù)取值，系統(tǒng)分析了洞壁位移與巖體強度應力比、支護抗力、隧道埋深及洞徑等關(guān)系，由此提出擠壓大變形分級標準及防治措施。趙勇、李鵬飛等通過對隧道試驗段支護結(jié)構(gòu)應力、錨桿軸力、圍巖壓力和圍巖變形進行現(xiàn)場監(jiān)測試驗，研究了軟弱圍巖與支護體系的協(xié)同作用過程。

基于現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)的原位試驗研究通常會滯后開挖一段時間，開挖之前到測試元件安裝完成時間段內(nèi)圍巖應力如何釋放是不能獲取的，即現(xiàn)場原位試驗不能研究圍巖應力調(diào)整及變形全過程。由于設備的局限性，目前常見的地質(zhì)力學模型試驗通常采用平面應變類型的試驗系統(tǒng)，不能模擬隧道巖體所處的真三維應力狀態(tài)，難以反映隧道真實的應力、變形狀態(tài)。針對目前擠壓性軟巖隧道大變形機理研究方面存在的不足，本文以擠壓性軟巖隧道圍巖變形機理為研究對象，開展大埋深軟巖隧道真三維地質(zhì)力學模型試驗，真實再現(xiàn)了隧洞開挖與支護循環(huán)推進的全過程，獲得施工過程中圍巖的變形規(guī)律，并揭示圍巖大變形機理。

2 工程概況

隧道埋深700-1000 米，圍巖級別為五級，為雙線鐵路隧道，隧道斷面設計見圖1。

隧道開挖寬度及高度分別為13.66m 和12.14m。隧道地應力只考慮自重應力，無構(gòu)造應力。

圖1 隧道襯砌設計圖

3 模型試驗概況

3.1 相似比的確定

結(jié)合地質(zhì)力學模型試驗系統(tǒng)的尺寸，確定本模型試驗幾何相似比為Cl=40。根據(jù)試驗原型和模型的平衡方程、幾何方程、物理方程和邊界條件可依次推導出地質(zhì)力學模型試驗相似關(guān)系，可得到其他物理量相似比，彈性模量、應力、粘聚力等相似比皆為40，內(nèi)摩擦角、泊松比、容重相似比皆為1。

3.2 相似材料的確定

通過對擠壓性軟巖隧道大變形調(diào)研分析，該類隧道軟巖在地應力作用下具有明顯的流塑形特征，為滿足地質(zhì)力學模型試驗要求，需要降低相似試驗材料的黏聚力和內(nèi)摩擦角，增大模型材料的比重，本次試驗選取細砂和粉質(zhì)黏土1:5 的比例配制的混合材料作為模型材料，可以很好的滿足試驗要求。

3.3 加載系統(tǒng)

實驗室研制的三維大型地質(zhì)力學模型試驗系統(tǒng)在模型上部、左右兩側(cè)、后側(cè)設置加載系統(tǒng)，模型前側(cè)及底部作為反力架，可完全實現(xiàn)三維加載，液壓加載控制系統(tǒng)能實現(xiàn)自動伺服加載控制，穩(wěn)壓時間≥360 小時，升壓平穩(wěn)，精度高，可實現(xiàn)梯形加載，液壓千斤頂液壓油缸活塞最大行程為150mm，最大出力400KN，可模擬隧道最大埋深2000m，滿足實現(xiàn)大埋深擠壓性軟巖隧道自重應力條件。

3.4 量測系統(tǒng)及監(jiān)測方案

地質(zhì)力學模型試驗系統(tǒng)配備高精度光纖光柵應變和高速靜態(tài)應變測試系統(tǒng)測試模型內(nèi)部應變、位移及表面位移，測量系統(tǒng)可實現(xiàn)自動實時監(jiān)測，測量抗干擾、精度高、可視化程度高?？赏ㄟ^前側(cè)高強度鋼化玻璃透視窗口觀察洞的變形和圍巖的破裂規(guī)律及相關(guān)現(xiàn)象，為監(jiān)測隧道掌子面擠出變形和洞周圍巖松動圈，在隧道掌子面前方及洞周布置多點位移計系統(tǒng)，如圖2。多點位移計測點分別布置在監(jiān)測斷面隧洞掌子面前方、右側(cè)拱腰和拱頂，每個多點位移計共設三個測點，第一個測點距圍巖表面2cm，第二個測點距第一個測點3cm，第三個測點距第二個測點5cm。

圖3 隧洞洞周監(jiān)測系統(tǒng)

3.5 模型制作及開挖

為模擬隧道的初始應力狀態(tài)，采用先加載后開挖的方式。根據(jù)隧道地質(zhì)工況計算初始地應力，按照應力相似比換算后采用數(shù)控液壓加載系統(tǒng)對模型體分級加載，每級加載10min，待壓力穩(wěn)定后加載下一級荷載，直至達到所需的真三維應力狀態(tài)。最后保持該狀態(tài)并穩(wěn)壓48h，以便在模型體內(nèi)形成真實的三維初始應力場。模型體開挖采用全斷面法（如圖3），開挖采用人工開挖方式開挖。圖3 為全斷面法開挖方案，5cm 一個循環(huán)進尺全斷面開挖。從距開挖透視窗口處直到開挖至160cm 止，剩余90cm 保留，用來做觀察圍巖變形孕育過程，研究圍巖變形破壞特征。試驗重點研究毛洞狀態(tài)下圍巖變形規(guī)律，不考慮初期支護。

圖3 全斷面法開挖示意圖

圖4 全斷面法開挖示意圖

4 結(jié)果分析

4.1 隧道掌子面擠出變形規(guī)律

從圖4 中可以看出，隨著開挖的進行，地應力逐漸釋放，監(jiān)測斷面上的點擠出位移在逐漸加，當隧道開挖至距監(jiān)測面一定距離時，測點擠出位移迅速增大，開挖至監(jiān)測斷面，測點擠出變形值達到最大，監(jiān)測斷面擠出變形最大值為30.9cm，該數(shù)值已經(jīng)遠大于普通隧道掌子面變形值，說明擠壓性軟巖隧道掌子面變形突出，由于掌子面擠出變形誘發(fā)隧道前方變形，隧道開挖前已經(jīng)出現(xiàn)明顯先前位移，易造成隧道開挖后洞周變形過大，增加支護難度，這與擠壓性軟巖隧道現(xiàn)場變形特征相符。

4.2 隧道洞周變形特征

隧道開挖后，洞周圍巖應力持續(xù)調(diào)整，圍巖變形持續(xù)增加，在拱腳、邊墻位置可看出圍巖剝離脫落等現(xiàn)象，圍巖出現(xiàn)剪切破壞，說明擠壓性軟巖隧道洞周擠壓作用明顯，與普通隧道拱頂易破壞的特征有明顯差異。

5 結(jié)論

擠壓性圍巖強度低，具有明顯的流變特性，即使在很小的應力狀態(tài)下也易發(fā)生持續(xù)性的大變形，且變形多在掌子面前方就已開始，地應力水平高，以邊墻圍巖剪切變形為主。因此，施工時應重視掌子面前方變形，可采取掌子面加固措施或預留核心土，為控制邊墻變形和破壞，可采用長短錨桿控制邊墻擠出變形。本文采用地質(zhì)力學模型試驗方法分析了擠壓性軟巖隧道開挖過程的大變形演變特征，揭示了隧道圍巖大變形的時空演變規(guī)律，給出了隧道圍巖大變形的特征，提出了相應隧道施工及支護措施建議。