隧道含軟弱夾層圍巖分級(jí)及穩(wěn)定性影響研究

何知思

(重慶建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心有限公司， 重慶 401336)

0 引言

軟弱夾層是隧道巖體中的軟弱結(jié)構(gòu)面，與周圍巖體相比，軟弱夾層具有高壓縮性和低強(qiáng)度的特性，其分布特征及夾層填充物種類的變化對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響各異[1]。楊海鋒[2]利用數(shù)值分析著重研究了軟弱夾層的厚度、傾角、與開挖輪廓線之間的距離、分布位置對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。龍帥[3]通過數(shù)值模擬分析陡傾巖層中軟弱夾層的分布對(duì)車站圍巖穩(wěn)定性的影響。張志強(qiáng)等[4]利用有限元分析系統(tǒng)研究了軟弱夾層分布部位對(duì)地下洞室圍巖穩(wěn)定性以及噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)受力性狀的影響。王勇[5]運(yùn)用有限元方法對(duì)軟弱夾層在角度、長度和寬度特定，而相對(duì)于隧道的位置不同時(shí)的幾種情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，具體分析了圍巖的位移、主應(yīng)力以及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力等的變化規(guī)律?？梢?，關(guān)于含軟弱夾層圍巖的研究很多，但對(duì)軟弱夾層進(jìn)行詳細(xì)分類的研究較少。

本文通過分析某高鐵隧道揭示的掌子面軟弱夾層，結(jié)合已有針對(duì)隧道軟弱夾層的研究成果，對(duì)軟弱夾層按填充物種類、厚度、含水量、分布部位及傾角進(jìn)行詳細(xì)分類。本文在考慮巖體軟弱夾層的分布特征及夾層介質(zhì)的前提下，提出了隧道含軟弱夾層圍巖的分級(jí)方法，通過該分級(jí)方法在某高鐵隧道施工過程中的應(yīng)用，驗(yàn)證了該方法在施工時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)變更設(shè)計(jì)中的準(zhǔn)確性。

1 軟弱夾層分類指標(biāo)

根據(jù)對(duì)已有研究成果的分析可知，影響軟弱夾層性質(zhì)的主要因素有：夾層填充物、夾層厚度、夾層傾角、夾層部位及夾層含水情況。因此，可根據(jù)隧道實(shí)際揭示的掌子面軟弱夾層進(jìn)行以下分類。

1.1 按軟弱夾層成分分類

軟弱夾層填充物的種類對(duì)夾層的工程性質(zhì)有較大的影響，按軟弱夾層填充物的種類可分為軟巖夾層、破碎夾層以及泥化夾層，現(xiàn)場(chǎng)揭示相應(yīng)的夾層如圖1所示。

(a) 軟巖夾層

1.2 按軟弱夾層厚度分類

通過某高鐵隧道揭示的軟弱夾層可知，軟弱夾層厚度為10 cm～5 m，體現(xiàn)了較大的離散性。對(duì)于薄層夾層，夾層的存在導(dǎo)致巖體的抗剪強(qiáng)度降低，巖體破壞的主要方式是沿著軟弱夾層發(fā)生滑動(dòng)。對(duì)于中厚層夾層，其破壞方式除了沿夾層面發(fā)生滑動(dòng)外，軟弱夾層富水時(shí)，夾層巖體常以塑流狀態(tài)被擠出，易發(fā)生掌子面溜塌事故。為分析夾層厚度對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響，將軟弱夾層按厚度分為厚層夾層、中厚層夾層及薄層夾層。

1.3 按軟弱夾層傾角分類

傾角是軟弱夾層的產(chǎn)狀之一，傾角變化對(duì)開挖洞室的穩(wěn)定性有著重要影響，隨著夾層傾角的改變，開挖后隧道相應(yīng)部位的位移會(huì)因夾軟弱層傾角而改變，從而影響掌子面巖體的自穩(wěn)性。直觀地來說，軟弱夾層傾角越大，夾層越靠近拱頂部位，開挖后越容易發(fā)生掉塊，甚至在夾層厚度較大時(shí)會(huì)發(fā)生坍塌。通過對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行總結(jié)，并結(jié)合某高鐵隧道開挖后的掌子面典型斷面，將軟弱夾層按與水平面的夾角分為水平夾層、緩傾角夾層和陡傾角夾層。

1.4 按軟弱夾層分布位置分類

軟弱夾層相對(duì)于隧道斷面的分布部位對(duì)圍巖穩(wěn)定性也有一定影響。由于地下巖層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，開挖后軟弱夾層可能分布于隧道的各個(gè)位置，根據(jù)現(xiàn)有研究成果和某高鐵隧道揭示的掌子面軟弱夾層分布位置，可將軟弱夾層分為拱部夾層、中部夾層及底部夾層。

1.5 按軟弱夾層含水情況分類

巖體中軟弱夾層隨著含水量的增加，內(nèi)摩擦角和黏聚力會(huì)隨之減小。當(dāng)含水量增加到一定值時(shí)，抗剪強(qiáng)度達(dá)到最小值，軟弱夾層會(huì)以塑性狀態(tài)被擠出?？筛鶕?jù)軟弱夾層的狀態(tài)(硬塑、軟塑和流塑狀態(tài))，將其分為弱富水夾層、中富水夾層及富水夾層。

2 含軟弱夾層圍巖分級(jí)及應(yīng)用

2.1 分級(jí)指標(biāo)體系建立

含軟弱夾層圍巖分級(jí)采用的基本指標(biāo)為夾層厚度、傾角、填充物種類、分布位置以及含水量，其定性值和定量值獲取方法見表1。

表1 含軟弱夾層圍巖分級(jí)指標(biāo)

2.2 軟弱夾層對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響

本文采用大型有限元軟件Midas-GTS對(duì)已有工況進(jìn)行數(shù)值模擬，通過分析數(shù)值計(jì)算結(jié)果來研究各因素對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響程度。

計(jì)算時(shí)，巖土材料按各項(xiàng)同性平面材料處理，圍巖材料采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則。

2.2.1 軟弱夾層厚度對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響

選擇水平且分布在隧道邊墻部位的軟弱夾層進(jìn)行分析。夾層厚度分別選取0、0.2、0.6、1.0、1.6和2 m。

計(jì)算時(shí)選取的參數(shù)如表2所示。

表2 圍巖和支護(hù)材料力學(xué)參數(shù)選取

計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 不同厚度工況計(jì)算結(jié)果

分析表3可知，隨著軟弱夾層厚度的增加，隧道拱頂沉降值和邊墻收斂值呈正比變化，底部隆起的值變化不大。軟弱夾層厚度為2 m時(shí)，隧道拱頂沉降值約為不含夾層工況時(shí)的1.5倍，隧道邊墻收斂值約為不含夾層工況時(shí)的8.5倍，說明軟弱夾層分布部位的變形值相對(duì)于不含夾層時(shí)變化較大，在實(shí)際工程中，應(yīng)加強(qiáng)洞壁軟弱夾層分布部位的支護(hù)。

2.2.2 軟弱夾層傾角對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響

選取無夾層及與水平方向夾角為0°、15°、30°、45°和60°的軟弱夾層，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 不同傾角工況計(jì)算結(jié)果

分析表4可知，當(dāng)夾層傾角為0°～60°時(shí)，隨著傾角的增加，隧道開挖后拱頂沉降值逐漸增大，隧道底部隆起和周邊收斂值的變化不明顯。

2.2.3 軟弱夾層位置對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響

設(shè)H為隧道開挖高度,選取水平且與底部距離0.2H、0.4H、0.6H、0.8H及H的軟弱夾層和無夾層6種情況進(jìn)行分析，結(jié)果如表5所示。

表5 不同位置工況計(jì)算結(jié)果

分析表5可知，隨著軟弱夾層出現(xiàn)位置高度的增加，隧道拱頂沉降值逐漸減小，但是減小的幅度較小，隧道底部隆起和周邊收斂值的變化不明顯。

2.2.4 軟弱夾層填充物對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響

選取3種軟弱夾層工況以及硬質(zhì)夾層進(jìn)行對(duì)比分析，不同夾層填充物及圍巖計(jì)算參數(shù)如表6所示。

表6 不同夾層填充物參數(shù)[6]

計(jì)算結(jié)果如表7所示。

表7 不同夾層填充物工況計(jì)算結(jié)果

分析表7可知，當(dāng)軟弱夾層為泥化夾層時(shí)，隧道拱頂沉降值約為不含夾層時(shí)工況的2.5倍，說明泥化夾層對(duì)于隧道掌子面的穩(wěn)定極為不利；軟巖夾層工況和破碎夾層工況相對(duì)于無夾層工況關(guān)鍵點(diǎn)的位移值均有一定程度的增加，在施工過程中對(duì)軟弱夾層分布的區(qū)域應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。

2.3 含軟弱夾層圍巖分級(jí)

通過前文的計(jì)算，將夾層厚度、傾角、位置、填充物及含水量對(duì)圍巖影響相同的劃分為一段，得到表8。

表8 分級(jí)指標(biāo)分段情況

本文提出的含軟弱夾層圍巖的分級(jí)方法由掌子面開挖后和初期支護(hù)完成的施工災(zāi)害共同決定，按可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)分為A～D(A為高施工風(fēng)險(xiǎn)；B為中等施工風(fēng)險(xiǎn)；C為一般施工風(fēng)險(xiǎn)；D為低施工風(fēng)險(xiǎn))4個(gè)等級(jí)，如表9所示。

表9 分級(jí)等級(jí)與破壞關(guān)系對(duì)應(yīng)表

指標(biāo)組合后的圍巖分類方法如表10所示。

表10 含軟弱夾層圍巖分級(jí)表

2.4 含軟弱夾層圍巖分級(jí)方法的應(yīng)用實(shí)例

以某高鐵隧道為例，對(duì)含軟弱夾層的圍巖進(jìn)行分級(jí)，以說明該分級(jí)方法的實(shí)用性和準(zhǔn)確性，如表11所示。

表11 含軟弱夾層圍巖分級(jí)應(yīng)用實(shí)例

表11(續(xù))

由表11可知，針對(duì)含軟弱夾層圍巖的分級(jí)可基本確定軟弱夾層對(duì)隧道開挖后掌子面及支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，便于在掌子面揭示相關(guān)夾層后，提前預(yù)判后續(xù)開挖及支護(hù)過程中可能出現(xiàn)的施工風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

本文對(duì)軟弱夾層對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響及軟弱夾層圍巖分級(jí)進(jìn)行研究，結(jié)合數(shù)值模擬及已有成果分析，通過工程類比提出含軟弱夾層圍巖的分級(jí)方法，主要結(jié)論如下：

1)含軟弱夾層圍巖穩(wěn)定性的基本影響因素為夾層分布位置、厚度、傾角、填充物種類和含水情況。

2)數(shù)值模擬及國內(nèi)已有研究成果表明，軟弱夾層的厚度和填充物的種類是影響隧道圍巖穩(wěn)定性的主要因素，軟弱夾層傾角和分布位置對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響相對(duì)較小，軟弱夾層含水時(shí)，若夾層填充物為遇水軟化膨脹巖體，對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響較大。

3)基于圍巖分級(jí)的思路，按照軟弱夾層施工風(fēng)險(xiǎn)，按掌子面可能發(fā)生的施工風(fēng)險(xiǎn)，將含軟弱夾層圍巖分為A、B、C和D 4個(gè)等級(jí)，并給出不同指標(biāo)組合。根據(jù)某高鐵隧道多個(gè)實(shí)際施工斷面的地質(zhì)條件對(duì)軟弱夾層按以上方法進(jìn)行分級(jí)，通過分析開挖后掌子面災(zāi)害及初期支護(hù)的破壞情況驗(yàn)證了該分級(jí)方法的可行性。