基于變形控制的凝灰?guī)r隧道穩(wěn)定性評(píng)判基準(zhǔn)研究

喬世范,蔡子勇,肖源杰,王 超

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410075)

圍巖變形是隧道開挖穩(wěn)定性最直觀的反映,拱頂沉降作為監(jiān)控量測(cè)的必測(cè)項(xiàng)目是隧道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵控制指標(biāo)之一。由于工程地質(zhì)差異、施工方法、開挖斷面形狀及支護(hù)方式多樣性等因素影響,圍巖變形收斂值波動(dòng)較大,位移控制基準(zhǔn)參差不齊。大量的工程實(shí)踐和理論研究表明,隧道圍巖穩(wěn)定性一直是工程界廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)話題[1-3],穩(wěn)定性評(píng)判基準(zhǔn)的確定一直處于探索階段。因此,進(jìn)行特定地區(qū)隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)基準(zhǔn)研究對(duì)隧道設(shè)計(jì)與施工及工程經(jīng)驗(yàn)資料積累意義重大。

目前,國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者從理論分析、數(shù)值模擬到工程應(yīng)用做了許多探索與研究。穆成林等[4]基于數(shù)學(xué)原理及模糊理論對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。房倩等[5]基于大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,提出不同圍巖級(jí)別下,隧道變形的建議控制值以及變形穩(wěn)定時(shí)間參考值。田明杰等[6]對(duì)現(xiàn)場(chǎng)圍巖-支護(hù)接觸壓力及拱頂沉降試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析及預(yù)測(cè),評(píng)價(jià)隧道施工過(guò)程中圍巖的穩(wěn)定性。S.SAKURAI[7]提出取極限應(yīng)變量的2%作為隧道圍巖穩(wěn)定性控制臨界值。汪波等[8]提出以拱頂沉降作為主控指標(biāo)、襯砌裂損作為隧道穩(wěn)定性的判別標(biāo)志的安全控制基準(zhǔn)。周藝等[9]將隧道埋深與拱頂沉降作為破碎區(qū)軟巖隧道以三臺(tái)階+預(yù)留核心土法的位移控制指標(biāo)。陳偉庚[10]、李寧等[11]對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)判方法進(jìn)行探討,確定不同方法的適用范圍。張長(zhǎng)亮[12]、吳秋軍等[13]通過(guò)對(duì)大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)合數(shù)值模擬提出了隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的位移判據(jù),取得了較為豐富的成果。

鑒于此,研究者從圍巖應(yīng)變量大小、累積位移量、變化速率及周邊位移等多方面提出了圍巖穩(wěn)定性位移評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。由于隧道施工地域環(huán)境、地質(zhì)巖性、開挖斷面、施工方法及支護(hù)形式等多樣性,理論與實(shí)際往往存在一定差異,實(shí)測(cè)變形規(guī)律缺乏普適性,很難找出較適合于特定地區(qū)的隧道圍巖位移評(píng)判基準(zhǔn),其安全預(yù)警值范圍有所異同[14-16]。另外,部分學(xué)者基于大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)判分析,但更多的沒(méi)有考慮測(cè)前位移損失影響,結(jié)果相比實(shí)際情況要小[17-19]。因此,筆者以依托工程沿線新建的7座公路隧道為背景,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)獲取的第一手實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料,基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法,對(duì)隧道圍巖變形規(guī)律、拱頂沉降與圍巖等級(jí)及隧道埋深的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析總結(jié)。然后考慮測(cè)前位移損失,通過(guò)數(shù)值分析方法對(duì)監(jiān)測(cè)樣本統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行修正,提出了紹興地區(qū)凝灰?guī)r地層雙車道公路隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)判基準(zhǔn)及建議值,為隧道建設(shè)穩(wěn)定性評(píng)判積累資料,對(duì)后期類似隧道設(shè)計(jì)及施工提供參考依據(jù)。

1 工程概況

杭紹臺(tái)高速公路紹興金華段HST-TJ08～09標(biāo)段位于浙江紹興境內(nèi),沿線共7座新建隧道,主線包含兩座特長(zhǎng)隧道及一座中長(zhǎng)隧道,均采用上下分離式雙向四車道型式,雙洞凈距約28 m,最大埋深約250 m,連接線包含四座短隧道,均采用單洞單向行車雙車道型式,最大埋深約50 m,主要以第三系玄武巖、白堊系下統(tǒng)館頭組凝灰?guī)r等火山-沉積碎屑巖為主,巖性絕大部分為凝灰?guī)r,受地質(zhì)構(gòu)造影響,巖體較破碎。隧道施工過(guò)程多次出現(xiàn)拱部掉塊、局部塌方等災(zāi)害。根據(jù)項(xiàng)目施工圖設(shè)計(jì)資料,隧道設(shè)計(jì)考慮預(yù)留變形量為Ⅲ級(jí)圍巖4 cm、Ⅳ級(jí)圍巖7 cm、Ⅴ級(jí)圍巖10 cm,施工過(guò)程根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。隧道標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1所示。

圖1 隧道標(biāo)準(zhǔn)橫斷面Fig.1 Standard cross-section of tunnel

2 隧道開挖位移釋放率分析

2.1 模型建立

通過(guò)ABAQUS軟件建立三種施工工法(全斷面法、臺(tái)階法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法)下的隧道開挖三維計(jì)算模型(見圖2)。其中巖體和初支均采用實(shí)體單元,接觸采用綁定約束,巖體采用摩爾-庫(kù)倫模型,初期支護(hù)采用線彈性模型,重點(diǎn)研究隧道不同開挖方法下的拱頂沉降位移釋放率,不考慮二次襯砌施作模擬。模型尺寸邊界:水平方向取3倍的洞徑,豎直方向取隧底以下4倍洞徑,拱頂以上取地表埋深,不考慮地表起伏變化影響,縱向取30 m長(zhǎng)度作為開挖深度,建立長(zhǎng)×寬×高為100 m×30 m×90 m的地層模型。模型約束條件:頂部為自由邊界,兩側(cè)面水平約束,底面豎向約束,忽略構(gòu)造應(yīng)力影響,認(rèn)為初始地應(yīng)力為自重應(yīng)力場(chǎng)。

圖2 三維計(jì)算模型及參數(shù)選取Fig.2 Three-dimensional calculation model

2.2 施工工況模擬及參數(shù)選取

根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)文件及工程地質(zhì)勘察報(bào)告,隧道不同圍巖級(jí)別對(duì)應(yīng)不同施工工法,具體施工工況模擬見表1。根據(jù)地質(zhì)勘察資料及《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70—2010),選取計(jì)算參數(shù)見表2。

表1 不同施工工況模擬Table 1 Simulation of different construction conditions

表2 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Parameters of surrounding rock and support structure

2.3 結(jié)果分析

對(duì)全斷面法、臺(tái)階法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法三種不同施工工法下的考慮有無(wú)支護(hù)條件的隧道開挖模擬分析,鑒于篇幅限制,筆者分別取隧道開挖完成后拱頂沉降位移云圖(見圖3)。

圖3 不同施工方法開挖完成后拱頂沉降位移云圖Fig.3 Contour plots of vault settlement displacement after excavation by different construction methods

通過(guò)獲取不同工法在有無(wú)支護(hù)條件下的隧道開挖拱頂沉降值:

(1)

式中:λ為位移釋放率;u0為隧道開挖支護(hù)作用下拱頂沉降量,mm;us為隧道毛洞開挖拱頂沉降量,mm。

計(jì)算得到拱頂沉降位移釋放率隨隧道掘進(jìn)深度的變化曲線如圖4所示。由圖4可知:①隧道采用全斷面法以及臺(tái)階法施工,隧道開挖斷面大,爆破擾動(dòng)影響強(qiáng)烈,圍巖內(nèi)部損傷劣化,裂隙擴(kuò)展,巖體強(qiáng)度降低,在開挖前期,圍巖應(yīng)力大量釋放,拱頂沉降位移增長(zhǎng)較快,當(dāng)開挖掘進(jìn)深度達(dá)到10 m,即約1.0倍洞徑,位移釋放逐漸趨于平穩(wěn),待開挖完成后,全斷面法位移釋放率為31.8%,臺(tái)階法位移釋放率為28.5%。②對(duì)于單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工,考慮多次弱爆破擾動(dòng)疊加效應(yīng)及臨時(shí)支護(hù)抗力聯(lián)合作用,拱頂沉降位移釋放漸進(jìn)增長(zhǎng),當(dāng)開挖掘進(jìn)深度達(dá)22.5 m,即約2.0倍洞徑,位移釋放基本達(dá)到穩(wěn)定,待開挖完成后,位移釋放率為25.8%。③不同方法的拱頂沉降位移釋放率從大到小排序依次為全斷面法、臺(tái)階法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法。

圖4 拱頂沉降位移釋放率隨隧道掘進(jìn)深度的變化曲線Fig.4 Curves of vault settlement displacement release rate with tunnel excavation depth

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)樣本分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度,自2016年11月份開展現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作,截止2019年9月份,現(xiàn)場(chǎng)采集了大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),剔除部分監(jiān)測(cè)斷面錯(cuò)誤或奇異數(shù)據(jù),現(xiàn)對(duì)沿線7座隧道的718個(gè)斷面拱頂沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,其中Ⅲ級(jí)圍巖255個(gè)樣本,Ⅳ級(jí)圍巖397個(gè)樣本,Ⅴ級(jí)圍巖66個(gè)樣本。

3.1 不同圍巖級(jí)別累計(jì)拱頂沉降分析

對(duì)718個(gè)斷面拱頂沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如圖5所示。

圖5 累計(jì)拱頂沉降樣本統(tǒng)計(jì)Fig.5 Statistics of accumulated vault settlement samples

從圖5可以看出,不同圍巖級(jí)別條件下,拱頂沉降累計(jì)值不同,隨著隧道圍巖等級(jí)變差,拱頂沉降累計(jì)值呈增大趨勢(shì);圍巖變形存在相對(duì)穩(wěn)定收斂域,相鄰圍巖級(jí)別之間沒(méi)有明顯的界限,剔除個(gè)別孤立點(diǎn),Ⅲ級(jí)圍巖穩(wěn)定收斂區(qū)間為5～20 mm,Ⅳ級(jí)圍巖穩(wěn)定收斂區(qū)間為10～27 mm,Ⅴ級(jí)圍巖穩(wěn)定收斂區(qū)間為15～30 mm;累積拱頂沉降相比設(shè)計(jì)預(yù)留變形量要小,設(shè)計(jì)偏保守,現(xiàn)場(chǎng)施工方法合理,支護(hù)措施及時(shí)有效。

3.2 不同圍巖級(jí)別相對(duì)拱頂沉降分析

3.2.1 Ⅲ級(jí)圍巖統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)255個(gè)Ⅲ級(jí)圍巖監(jiān)測(cè)樣本的相對(duì)拱頂沉降進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,分布情況如圖6所示。

從圖6可以看出,Ⅲ級(jí)圍巖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)樣本的相對(duì)拱頂沉降均小于0.30%,平均值為0.14%,據(jù)此劃分為三個(gè)分布區(qū)間(<0.10%,0.10%～0.20%,≥0.20%)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)相對(duì)拱頂沉降分布區(qū)間近似正態(tài)分布,主要集中在<0.20%區(qū)間之內(nèi),保證率≥91%。

圖6 Ⅲ級(jí)圍巖監(jiān)測(cè)樣本相對(duì)拱頂沉降統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.6 Statistical results of relative vault settlement of grade Ⅲ surrounding rock monitoring samples

3.2.2 Ⅳ級(jí)圍巖統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)397個(gè)Ⅳ級(jí)圍巖監(jiān)測(cè)樣本的相對(duì)拱頂沉降進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,分布情況如圖7所示。從圖7可以看出,Ⅳ級(jí)圍巖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)樣本的相對(duì)拱頂沉降均小于0.55%,平均值為0.34%,據(jù)此劃分三個(gè)分布區(qū)間(<0.30%,0.30%～0.40%,≥0.40%)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)相對(duì)拱頂沉降分布區(qū)間近似正態(tài)分布,主要集中在<0.40%區(qū)間之內(nèi),保證率>84%。

圖7 Ⅳ級(jí)圍巖樣本相對(duì)拱頂沉降統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.7 Statistical results of relative vault settlement of grade Ⅳ surrounding rock monitoring samples

3.2.3 V級(jí)圍巖統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)66個(gè)Ⅴ級(jí)圍巖監(jiān)測(cè)樣本相對(duì)拱頂沉降進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,分布情況如圖8所示。

圖8 Ⅴ級(jí)圍巖樣本相對(duì)拱頂沉降統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.8 Statistical results of relative vault settlement of grade Ⅴ surrounding rock monitoring samples

從圖8可以看出,Ⅴ級(jí)圍巖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)樣本相對(duì)拱頂沉降均小于1.0%,平均值為0.67%,據(jù)此劃分三個(gè)分布區(qū)間(<0.60%,0.60%～0.80%，≥0.80%)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)相對(duì)拱頂沉降分布區(qū)間近似正態(tài)分布,主要集中在<0.80%區(qū)間之內(nèi),保證率>87%。

3.3 不同隧道埋深相對(duì)拱頂沉降分析

由于Ⅴ級(jí)圍巖絕大數(shù)分布在隧道進(jìn)出洞口段,隧道埋深較淺,且分布范圍較窄,樣本數(shù)較少,不便于進(jìn)行樣本區(qū)間討論,在此不作分析。筆者針對(duì)Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)圍巖拱頂沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)樣本,考慮沿線隧道的最大埋置深度,將其埋深劃分為五個(gè)區(qū)間(<50 m、50 m～100 m、100 m～150 m、150 m～200 m及200 m～250 m)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),分析相對(duì)拱頂沉降與隧道埋深的關(guān)系。得到不同埋深條件下相對(duì)拱頂沉降分布如圖9～圖10所示。

3.3.1 Ⅲ級(jí)圍巖統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)202個(gè)Ⅲ級(jí)圍巖監(jiān)測(cè)樣本的相對(duì)拱頂沉降進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,分布情況如圖9所示。從圖9可以看出,Ⅲ級(jí)圍巖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)樣本的相對(duì)拱頂沉降存在收斂域,剔除個(gè)別孤立點(diǎn),樣本總體集中在0.03%～0.22%,隨著隧道埋深增加,相對(duì)拱頂沉降變化整體呈上漲趨勢(shì),相鄰埋深段呈相互交錯(cuò)變化。

圖9 不同隧道埋深的相對(duì)拱頂沉降樣本統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.9 Statistical results of relative vault settlement samples with different tunnel depths

3.3.2 IV級(jí)圍巖統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)340個(gè)Ⅳ級(jí)圍巖監(jiān)測(cè)樣本的相對(duì)拱頂沉降進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,分布情況如圖10所示。

圖10 不同隧道埋深的相對(duì)拱頂沉降樣本統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.10 Statistical results of relative vault settlement samples with different tunnel depths

從圖10可以看出,Ⅳ級(jí)圍巖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)樣本的相對(duì)拱頂沉降存在收斂域,總體集中在0.10%～0.40%,隨著隧道埋深變化而相對(duì)拱頂沉降變化規(guī)律并不明顯,相鄰的埋深段沒(méi)有明顯的界限,呈相互交錯(cuò)變化。

4 隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)判基準(zhǔn)

4.1 監(jiān)測(cè)樣本分析總結(jié)

依托工程實(shí)例,根據(jù)隧道不同圍巖級(jí)別和不同埋深條件,累積拱頂沉降及相對(duì)拱頂沉降監(jiān)測(cè)樣本統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表3、表4。

表3 累積拱頂沉降及相對(duì)拱頂沉降分布(雙車道公路隧道)Table 3 Cumulative vault settlement and relative vault settlement distribution(two lane highway tunnel)

表4 不同隧道埋深的相對(duì)拱頂沉降分布(雙車道公路隧道)Table 4 Relative vault settlement distribution of different tunnel depths(two lane highway tunnel)

4.2 監(jiān)測(cè)樣本變形修正

考慮隧道施工過(guò)程測(cè)前位移損失,根據(jù)前文對(duì)不同圍巖級(jí)別相應(yīng)采用不同施工方法的拱頂沉降位移釋放率數(shù)值模擬分析結(jié)果,對(duì)隧道累積拱頂沉降及相對(duì)拱頂沉降監(jiān)測(cè)樣本結(jié)果進(jìn)行修正見表5。

表5 累積拱頂沉降及相對(duì)拱頂沉降修正Table 5 Cumulative vault settlement and relative vault settlement correction

4.3 與國(guó)內(nèi)外規(guī)范規(guī)程比較分析

調(diào)研國(guó)內(nèi)外相關(guān)隧道規(guī)范、規(guī)程中的拱頂相對(duì)沉降位移控制基準(zhǔn)值,與文中建議值比較分析,結(jié)果見表6。

表6 國(guó)內(nèi)外規(guī)范中拱頂相對(duì)沉降控制基準(zhǔn)Table 6 Relative settlement control standard of vault in domestic and foreign codes

從表6可以看出:①各類規(guī)范給出的不同圍巖級(jí)別相對(duì)拱頂沉降界限值存在一定的差別,國(guó)外規(guī)范相對(duì)國(guó)內(nèi)對(duì)不同圍巖級(jí)別控制區(qū)間范圍要大,國(guó)內(nèi)規(guī)范中鐵路隧道相比公路隧道控制基準(zhǔn)更嚴(yán)格;②隨著圍巖級(jí)別變差,拱頂相對(duì)沉降控制基準(zhǔn)區(qū)間范圍變大,表明隧道施工圍巖條件越差,其施工難度越大,對(duì)圍巖變形控制越難;③基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)樣本統(tǒng)計(jì)分析,Ⅳ級(jí)及以上圍巖修正后的結(jié)果與《公路隧道非接觸監(jiān)控量測(cè)規(guī)程》(DB34/T 1087—2009)偏差較小,Ⅴ級(jí)圍巖與《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10003—2005)中拱頂相對(duì)沉降控制基準(zhǔn)較接近,可以作為評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性的依據(jù)。需要指出的是,該評(píng)判基準(zhǔn)適應(yīng)于隧道埋深在250 m以內(nèi),主要采用臺(tái)階法施工的雙車道凝灰?guī)r公路隧道。

5 結(jié) 論

(1)考慮測(cè)前位移損失,通過(guò)對(duì)不同工法在有無(wú)支護(hù)條件下的拱頂沉降進(jìn)行模擬分析,待開挖完成后,得到全斷面法位移釋放率為31.8%,臺(tái)階法位移釋放率為28.5%,單側(cè)壁導(dǎo)坑法位移釋放率為25.8%,拱頂沉降位移釋放率從大到小排序依次為全斷面法、臺(tái)階法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法。

(2)不同圍巖級(jí)別條件下,隨著隧道圍巖等級(jí)變差,累積拱頂沉降整體呈增大趨勢(shì),相對(duì)于設(shè)計(jì)預(yù)留變形量要小,設(shè)計(jì)偏保守。相對(duì)拱頂沉降沒(méi)有明顯的埋深界限,整體呈相互交錯(cuò)變化規(guī)律,隨著圍巖級(jí)別變差,相對(duì)拱頂沉降分布區(qū)間越大,對(duì)圍巖變形控制越難。

(3)提出紹興凝灰?guī)r地區(qū)雙車道公路隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)判雙控指標(biāo)及建議值,其中累積拱頂沉降控制基準(zhǔn):Ⅲ級(jí)圍巖收斂域在7～26 mm,Ⅳ級(jí)圍巖收斂域在13～35 mm,Ⅴ級(jí)圍巖收斂域在19～38 mm。相對(duì)拱頂沉降控制基準(zhǔn):Ⅲ級(jí)圍巖分布區(qū)間0.04%～0.30%,Ⅳ級(jí)圍巖分布區(qū)間0.15%～0.70%,Ⅴ級(jí)圍巖分布區(qū)間0.60%～1.30%。

(4)筆者只針對(duì)全斷面法、臺(tái)階法及單側(cè)壁導(dǎo)坑法三種施工方法的位移釋放率進(jìn)行探討,關(guān)于其他地質(zhì)條件下隧道施工所涉及的位移釋放率還需要進(jìn)一步研究。另外,對(duì)于隧道穩(wěn)定性評(píng)判指標(biāo)的適用性以及各指標(biāo)之間的重要程度將成為后續(xù)的一個(gè)研究方向。