層狀巖體隧道變形特征及非對稱支護(hù)研究*

王棟， 彭雪輝， 黃戡， 孫逸瑋， 邱朗

(1.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長沙 410114；2. 湖南省第六工程有限公司， 湖南 長沙 410015)

由于地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、施工等原因，隧道圍巖壓力呈不對稱分布。層狀巖體隧道各種層理、節(jié)理及裂隙等軟弱結(jié)構(gòu)面的存在使巖體的力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜多樣，開挖時巖體易發(fā)生滑移而導(dǎo)致各種事故。譚鑫等針對層狀板巖隧道，通過試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究隧道失穩(wěn)破壞模式，結(jié)果表明水平巖層對拱頂和拱底變形不利、傾斜巖層對拱肩和拱腳不利、垂直巖層對邊墻不利。吳迪等結(jié)合金茂公路藍(lán)家?guī)r隧道工程研究不同層面傾角下隧道開挖對圍巖穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明層面傾角緩傾時隧道拱頂及拱底易變形破壞，層面傾角陡傾時隧道襯砌更易產(chǎn)生滑移變形。唐銳等對比分析不同層面傾角與均質(zhì)層狀巖體隧道開挖，得出層理面的存在對隧道變形具有較大影響的結(jié)論。陳子全等根據(jù)93座典型高地應(yīng)力層狀軟巖隧道變形數(shù)據(jù)，闡明受到層理面傾向影響隧道及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形具有明顯的非對稱性。溫建永以蘭渝(蘭州—重慶)鐵路為工程背景，選取水平層狀巖體段，通過數(shù)值模擬得出隧道底部比邊墻和拱部更易破壞的結(jié)論。馬騰飛等通過大尺度三維模型相似試驗(yàn)研究層理傾角對圍巖變形破壞的影響，結(jié)果表明層面傾角較小時主要是隧道上下側(cè)圍巖發(fā)生變形，隨著傾角的增大，破裂區(qū)從開始時的左右兩側(cè)洞室擴(kuò)散到全周，頂部巖體更易發(fā)生滑塌。層狀巖體的力學(xué)性質(zhì)對圍巖變形破壞有著極大的影響，且由于巖體受到圍巖各向異性的影響，層狀巖體隧道開挖后圍巖的變形特征具有明顯的非對稱性，為保證隧道施工中圍巖的穩(wěn)定性和運(yùn)營中結(jié)構(gòu)的安全，應(yīng)采用合理的支護(hù)方案。沙鵬等通過增加鋼拱架側(cè)向剛度及建立非對稱支護(hù)加強(qiáng)了對層狀圍巖薄弱位置的控制。鄧斌等以谷(谷城—竹溪)高速公路油坊坪隧道為工程背景，提出“弱化錨桿+增強(qiáng)初期支護(hù)的剛度及強(qiáng)度”的支護(hù)優(yōu)化方案，數(shù)值模擬及現(xiàn)場實(shí)測分析表明弱化錨桿對整體支護(hù)的影響不大，能有效控制軟巖變形。戴永浩等采用“鋼拱架+錨桿+鋼筋網(wǎng)”的聯(lián)合支護(hù)方案解決大梁隧道軟巖地段施工及支護(hù)問題。郭小龍等通過工程實(shí)例對早強(qiáng)錨桿和普通錨桿進(jìn)行現(xiàn)場對比試驗(yàn)，得出早強(qiáng)錨桿軸力平均提高66.7%，并使隧道洞身位移減少40%，可有效控制隧道變形。該文以鄭萬(鄭州—萬州)高速鐵路羅家山隧道為工程背景，對層狀巖體隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，探究隧道開挖后圍巖變形特征，并對錨桿布設(shè)進(jìn)行優(yōu)化，提出非對稱支護(hù)方案。

1 工程概況

羅家山隧道為Ⅰ級風(fēng)險隧道，位于?？抵辽褶r(nóng)架區(qū)間，為單洞雙線隧道，全長10 640 m，最大埋深470 m。DK514+165—DK517+500段隧道穿越志留系下統(tǒng)新灘組頁巖夾砂巖，巖層產(chǎn)狀傾向線路右側(cè)，頁巖為灰色、灰黑色，頁理構(gòu)造，層理清晰，呈薄層狀(見圖1)。

圖1 羅家山隧道DK514+165—DK517+500段掌子面圍巖

該隧道開挖過程中，由于層狀頁巖承載能力較弱，初期支護(hù)承受較大圍巖壓力，出現(xiàn)初期支護(hù)開裂(主要發(fā)生在隧道邊墻)、掉塊(主要發(fā)生在隧道拱頂和拱肩)現(xiàn)象，初期支護(hù)的防水性能削弱，出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象[見圖2(a)]，給施工帶來極大不便。

圖2 隧道開挖中出現(xiàn)的病害

開挖至DK515+165斷面時，掌子面圍巖發(fā)生塌方[見圖2(b)]。初期支護(hù)施作前，拱頂處出現(xiàn)大量塌腔，并呈持續(xù)擴(kuò)大趨勢。初期支護(hù)施作后，圍巖變形仍未得到控制，于是暫停施工，采取反壓回填措施對變形進(jìn)行控制，待圍巖變形穩(wěn)定后再進(jìn)行換拱處理。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型

采用夾層單元對層理面進(jìn)行模擬，將層理面視為軟弱夾層，通過降低軟弱夾層的材料參數(shù)體現(xiàn)巖體的層間特性。巖體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，采用平面應(yīng)變單元模擬巖體、軟弱夾層。巖體視為彈塑性材料，采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則描述巖體變形破壞特征。巖體剪切強(qiáng)度為：

τ=c(α)+σtanφ(α)

(1)

式中：τ為破壞面上的剪應(yīng)力；c為黏聚力；α為破壞面與層理面的夾角；σ為正應(yīng)力；φ為內(nèi)摩擦角。

巖體強(qiáng)度參數(shù)為：

(2)

(3)

式中：cmax為平行最大主應(yīng)力方向的黏聚力；cmin為垂直最大主應(yīng)力方向的黏聚力；φmax、φmin為相應(yīng)的摩擦角；α0為層理面與最大主應(yīng)力方向的夾角。

2.2 邊界條件及模型參數(shù)

計(jì)算模型大小為100 m×100 m，兩側(cè)邊界至隧道中心線的距離為50 m，上下邊界距離為100 m。左右邊界設(shè)置為水平方向位移約束，上邊界設(shè)置為自由邊界，下邊界設(shè)置為固定約束。計(jì)算模型見圖3，層理面間距為2 m，層理面傾角為30°，軟弱夾層厚0.02 m。材料參數(shù)見表1。

圖3 隧道數(shù)值計(jì)算模型

為簡化模型，計(jì)算中將支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)采用等效法予以考慮，將鋼拱架的彈性模量折算至初期支護(hù)上，計(jì)算公式為：

E=E0+ηSgEg/Sc

(4)

式中：E為折算后砼彈性模量；E0為原砼彈性模量；η為每米鋼拱架等效榀量；Sg為鋼拱架截面積；Eg為鋼拱架彈性模量；Sc為砼截面積。

表1 模型材料參數(shù)

2.3 計(jì)算工況

采用臺階法與全斷面法進(jìn)行開挖，通過計(jì)算毛洞開挖與有支護(hù)開挖兩種工況，對層狀巖體的變形特征進(jìn)行分析。

2.4 隧道變形分析

圖4、圖5分別為全斷面法毛洞開挖、全斷面法有支護(hù)開挖、臺階法毛洞開挖、臺階法有支護(hù)開挖工況下圍巖豎直及水平方向變形云圖。

從圖4、圖5可看出不同工況下圍巖變形呈現(xiàn)明顯的非對稱特征：1) 毛洞開挖時產(chǎn)生的變形大于有支護(hù)開挖時產(chǎn)生的變形，全斷面法毛洞開挖時產(chǎn)生的變形大于臺階法毛洞開挖時產(chǎn)生的變形，全斷面法有支護(hù)開挖時產(chǎn)生的變形小于臺階法有支護(hù)開挖時產(chǎn)生的變形。全斷面法毛洞開挖時產(chǎn)生的變形最大，拱頂沉降為48.3 mm，仰拱隆起為47.8 mm，水平收斂為21.6 mm；全斷面法有支護(hù)開挖時產(chǎn)生的變形最小，拱頂沉降為14.7 mm，仰拱隆起為27.3 mm，水平收斂為5.12 mm。2) 同一開挖工法下，采用支護(hù)能有效控制圍巖變形。全斷面法開挖時，毛洞條件下拱頂沉降為48.3 mm，有支護(hù)條件下為14.7 mm，變形降低69.5%；毛洞條件下水平收斂為21.6 mm，有支護(hù)開挖條件下為5.1 mm，變形降低76.4%。臺階法開挖時，毛洞條件下拱頂沉降為44.5 mm，有支護(hù)條件下為17.2 mm，變形降低61.3%；毛洞條件下水平收斂為20.3 mm，有支護(hù)條件下為6.2 mm，變形降低69.2%。3) 4種工況下圍巖變形特征一致，拱頂與仰拱變形較大處的連線與層理面接近于垂直(見圖6)，拱頂沉降左側(cè)大于右側(cè)，仰拱隆起右側(cè)大于左側(cè)，水平最大位移位于左側(cè)拱腰上方。采用支護(hù)結(jié)構(gòu)的條件下，上述非對稱變形特點(diǎn)依舊存在，但相比于毛洞開挖工況下減弱許多，毛洞開挖工況下圍巖的非對稱變形特征更明顯。4) 層理面巖體各向異性導(dǎo)致隧道產(chǎn)生非對稱變形，軟弱夾層有沿著層理面滑動的趨勢。應(yīng)針對這種非對稱變形現(xiàn)象采取支護(hù)措施，對變形破壞較大一側(cè)洞身的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

圖4 不同工況下圍巖豎直方向變形云圖(單位：mm)

圖5 不同工況下圍巖水平方向變形云圖(單位：mm)

圖6 隧道非對稱變形特征

3 支護(hù)方案優(yōu)化

3.1 支護(hù)方案

層狀巖體隧道開挖后，軟弱夾層有滑移趨勢的一側(cè)破壞較大。針對隧道左側(cè)拱腰上方發(fā)生的較大變形，在隧道原支護(hù)方案的基礎(chǔ)上對左側(cè)錨桿長度、環(huán)距及布置方向進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化方案(見圖7)如下：方案一為將原方案左側(cè)錨桿長度由3.5 m增至4 m；方案二為加密隧道左側(cè)洞身錨桿，將錨桿環(huán)距由1 m降至0.5 m；方案三為將左側(cè)隧道拱部以上錨桿的方向垂直于層理面布置。

圖7 支護(hù)方案

3.2 支護(hù)方案優(yōu)化后隧道變形

不同支護(hù)方案下圍巖位移見表2，隧道開挖變形量見圖8。

表2 不同支護(hù)方案下圍巖位移 mm

由表2可知：3種優(yōu)化方案下圍巖位移均減小，拱頂沉降降幅分別為5.6%、12.4%和2.5%，仰拱隆起降幅分別為9.2%、16.3%和3.17%，水平收斂降幅分別為6.1%、10.7%和3.2%，方案二減小程度最大，方案三最小。

圖8 不同支護(hù)方案下隧道開挖變形量

由圖8可知：4種支護(hù)方案下，上臺階開挖對拱頂沉降和水平收斂變形都有較大影響，拱頂沉降及水平收斂變形速率最大值出現(xiàn)在上臺階支護(hù)階段，隧道上臺階開挖后應(yīng)盡快布設(shè)支護(hù)結(jié)構(gòu)。

綜上，方案二的總體變形最小，其優(yōu)化效果最好；方案三通過改變錨桿布設(shè)角度，達(dá)到了控制變形的目的。方案三最優(yōu)。

4 結(jié)論

(1) 毛洞開挖時全斷面法產(chǎn)生的變形較大，設(shè)置支護(hù)時臺階法開挖產(chǎn)生的變形較大；毛洞開挖時產(chǎn)生的變形均大于有支護(hù)開挖時產(chǎn)生的變形。采用支護(hù)結(jié)構(gòu)可控制圍巖變形。

(2) 4種開挖工況下均呈現(xiàn)拱頂沉降左側(cè)大于右側(cè)、仰拱隆起右側(cè)大于左側(cè)的非對稱變形特征，毛洞開挖工況下非對稱變形特征更明顯；拱頂與仰拱變形較大處的連線與層理面接近于垂直。

(3) 優(yōu)化左側(cè)錨桿長度、錨桿環(huán)距能控制圍巖變形；改變左側(cè)錨桿的布設(shè)角度，將錨桿垂直于層理面布置能較好地控制圍巖變形，且便于施工和節(jié)約造價，是一種經(jīng)濟(jì)、可靠的支護(hù)方案。