充填黏土型巖溶隧道大變形換拱襯砌受力研究

唐國(guó)軍, 覃楨杰, 馬少坤, 李卓峰*, 李金梅

(1.廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司, 廣西 南寧 530029；2.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 廣西 南寧 530004)

0 引言

近年來(lái),隨著國(guó)家基建事業(yè)的迅捷發(fā)展,高速公路修建熱潮已輻射到地形復(fù)雜的西南地區(qū),山區(qū)公路隧道工程建設(shè)進(jìn)入了快速發(fā)展階段[1],同時(shí)西南部云、黔、桂和川、鄂、湘部分地區(qū)巖溶十分發(fā)育,巖溶區(qū)公路隧道的巖溶災(zāi)害時(shí)有發(fā)生,種類(lèi)甚多,大多會(huì)對(duì)隧道建設(shè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,甚至導(dǎo)致產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。

隧道洞身段巖溶發(fā)育且富含黏土填充物,對(duì)于巖溶區(qū)隧道來(lái)說(shuō)是一種常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害[2-3],隧道施工穿越該類(lèi)地段時(shí),施作初期支護(hù)后易出現(xiàn)大變形的情況,若處置不當(dāng)則會(huì)誘發(fā)塌方及地表塌陷等嚴(yán)重問(wèn)題。目前關(guān)于隧道圍巖大變形的問(wèn)題已有較多研究[4-9],其中圍巖條件是影響隧道變形的關(guān)鍵因素之一。王志杰等[10]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試手段研究土砂互層隧道發(fā)生圍巖大變形時(shí)的應(yīng)力狀態(tài),指出地層差異引起的應(yīng)力集中與施工措施缺乏針對(duì)性是導(dǎo)致大變形產(chǎn)生的主要原因,采用長(zhǎng)鋼管注漿及格柵鋼架換拱的手段可以起到良好變形控制效果。趙志剛等[11]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬手段分析表明注漿加固可以有效控制黃土隧道圍巖大變形。李玉平等[12]通過(guò)模擬數(shù)值計(jì)算證明了炭質(zhì)板巖隧道采用錨桿加固圍巖松動(dòng)圈具有可行性。李磊等[13]研究了高地應(yīng)力下陡傾層狀千枚巖小凈距隧道的大變形機(jī)理,提出調(diào)整施工工序的大變形控制方案。王睿等[14]通過(guò)理論推導(dǎo)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的手段對(duì)軟巖大變形隧道系統(tǒng)錨桿參數(shù)取值進(jìn)行了優(yōu)化。劉志春等[15]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與數(shù)值模擬手段提出了在軟巖大變形隧道中以隧道極限位移值為基礎(chǔ)判斷隧道二襯施作時(shí)機(jī)的方法。由于隧道圍巖大變形受?chē)鷰r條件影響顯著,不同情況下處置重點(diǎn)有較大差異,因此對(duì)于穿越填充黏土的巖溶區(qū)隧道圍巖受力變形特征、處置控制措施、支護(hù)與圍巖變形的相互作用機(jī)理等缺乏一定的研究。

三江至柳州高速公路大塘隧道的溶洞發(fā)育范圍貫穿整個(gè)隧道洞身,屬于典型的巖溶區(qū)隧道,施工開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生初期支護(hù)大變形,經(jīng)過(guò)換拱得到有效控制。研究該隧道大變形圍巖壓力及換拱前后初期支護(hù)結(jié)構(gòu)和二襯的應(yīng)力、應(yīng)變情況,對(duì)今后隧道穿越巖溶發(fā)育且黏土填充地段時(shí)處置大變形災(zāi)害具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

1 工程概況

大塘隧道位于三江至柳州高速公路柳城縣縣城附近,隧道設(shè)計(jì)為雙洞分離式隧道,左線長(zhǎng)970 m,右線長(zhǎng)960 m,左、右線起訖樁號(hào)分別為JK139+370～JK140+340、IK139+360～I(xiàn)K140+320,設(shè)計(jì)高程在146～170 m,最大埋深280 m。隧道施工過(guò)程中先后遇到尺寸不一的溶洞30余個(gè),其中左洞JK139+485～JK139+555段,埋深為32～35 m,巖溶強(qiáng)烈發(fā)育,多發(fā)育溶蝕裂隙、溶洞,溶洞空間形態(tài)多呈漏斗狀,巖體較破碎到較完整,充填物主要為軟塑狀黏土,如圖1所示。左洞JK139+485～JK139+555段施工期間發(fā)生大變形,導(dǎo)致嚴(yán)重侵限的病害,如圖2所示。

2015年3月31日,掌子面由大樁號(hào)方向開(kāi)挖至JK139+540,上部揭露為黑色黏土,拱頂向下約3 m部分充填軟塑性黏土,兩拱腳處冒水,4月27日掌子面開(kāi)挖至JK139+530,揭露溶洞填充物松散狀黑色黏土,下臺(tái)階以軟塑狀黃色黏土為主,隧道底板松軟,拱部及拱腳位置滲水嚴(yán)重,5月9日,JK139+540～JK139+534段初期支護(hù)下沉收斂,出現(xiàn)裂縫,開(kāi)挖至JK139+510,隧道仍在溶洞范圍內(nèi),業(yè)主組織進(jìn)行安全討論后決定封閉掌子面,然后從左洞進(jìn)口端反方向施工開(kāi)挖,11月份開(kāi)挖至封閉段后對(duì)大變形病害進(jìn)行治理,處置措施為鋼管樁加固基底防止拱腳下沉,超前注漿提升圍巖力學(xué)參數(shù),增加初支及二襯的厚度以確保結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,具體處置方案見(jiàn)表1和圖3所示。

圖1 軟塑狀黏土填充物

圖2 大變形(試驗(yàn)段隧道)

表1 大塘隧道左洞JK139+485～JK139+555段施工情況Tab.1 Construction of left line JK139+485～JK139+555 of Datang tunnel

圖3 大塘隧道左隧道JK139+485～JK139+555工程處理Fig.3 Treatment of Datang left tunnel at JK139+485～JK139+555

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

2.1 測(cè)試方案

為了研究大變形條件下?lián)Q拱后受力規(guī)律,在左洞JK139+485～JK139+555大變形段中選取JK139+534、JK139+538、JK139+542作為3個(gè)典型的斷面,對(duì)圍巖壓力、錨桿軸力、二襯混凝土應(yīng)變、二襯鋼筋應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)監(jiān)測(cè),具體監(jiān)測(cè)斷面位置如圖3所示。圍巖壓力采用土壓力盒監(jiān)測(cè),量程為1.0 MPa；錨桿軸力采用測(cè)力錨桿監(jiān)測(cè),量程為-40～80 kN；二襯混凝土應(yīng)變采用混凝土應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)；二襯鋼筋應(yīng)力采用鋼筋應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè),量程為-40～80 kN。監(jiān)測(cè)頻次均為每2 d一次。

每個(gè)典型斷面的土壓力盒、混凝土應(yīng)變計(jì)、二襯鋼筋應(yīng)力計(jì)、測(cè)力錨桿的布置位置如圖4所示。根據(jù)圍巖形態(tài)分布規(guī)律和擬監(jiān)測(cè)值的分布特征來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì),應(yīng)力變化較大的位置必須設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn),同時(shí)監(jiān)測(cè)儀器的布置還應(yīng)能體現(xiàn)出監(jiān)測(cè)值沿著隧道斷面分布情況,以便準(zhǔn)確把握圍巖壓力和支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布形態(tài)。基于以上原則,土壓力盒、混凝土應(yīng)變計(jì)及鋼筋計(jì)在每個(gè)斷面上均選取5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),分別為拱頂1處、拱腰2處、拱腳2處。對(duì)于測(cè)力錨桿,每個(gè)斷面布置5個(gè)測(cè)孔,每個(gè)測(cè)孔設(shè)置測(cè)力錨桿,每根測(cè)力錨桿由淺到深設(shè)置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)(即②和①)。

圖4 大塘隧道測(cè)試元件布置示意圖Fig.4 Layout diagram of test elements in Datang tunnel

2.2 測(cè)試結(jié)果

2.2.1 圍巖壓力

各斷面圍巖壓力變化時(shí)態(tài)曲線如圖5所示。隧道圍巖注漿后至換拱14 d左右的時(shí)間內(nèi),各部位圍巖壓力增長(zhǎng)迅速,換拱初期巖體應(yīng)力釋放較快,施工換拱應(yīng)循序漸進(jìn),若一次性換拱進(jìn)尺過(guò)大易導(dǎo)致圍巖應(yīng)力釋放過(guò)多,變形過(guò)大進(jìn)而造成二次塌方；而在完成換拱至二襯施工后各斷面的圍巖壓力呈現(xiàn)出緩慢增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),二襯施工完成7個(gè)月后圍巖壓力趨于穩(wěn)定,即支護(hù)與圍巖協(xié)同變形后達(dá)到相對(duì)平衡狀態(tài)?？梢酝茰y(cè)換拱后圍巖變形有限,沒(méi)有完全失去自穩(wěn)能力。

(a) JK139+534斷面

(b) JK139+538斷面

(c) JK139+542斷面

圖5 圍巖壓力時(shí)態(tài)曲線Fig.5 Pressure temporal curves of surrounding rock

最終沿著斷面的圍巖壓力分布狀態(tài)(壓為正,拉為負(fù))如圖6所示。襯砌在換拱完成后至變形穩(wěn)定期間,拱頂處的壓力值處于0.23～0.28 MPa,拱腰處壓力值處于0.04～0.09 MPa,拱腳處的圍巖壓力值介于0.01～0.35 MPa,拱頂平均圍巖壓力最大,拱腳次之,拱腰處的最大圍巖壓力相比于拱頂與拱腳而言明顯較小,圍巖壓力主要來(lái)自于拱頂與拱腳兩側(cè),拱頂?shù)膰鷰r壓力最為顯著,在換拱期間應(yīng)保證隧道拱頂?shù)呐R時(shí)支撐措施,并加強(qiáng)兩側(cè)鎖腳。換拱后初支所受?chē)鷰r壓力最大值為0.35 MPa,在常規(guī)Ⅴ級(jí)深埋圍巖壓力理論計(jì)算值范圍內(nèi),一般的Ⅴ級(jí)深埋支護(hù)型式可滿足受力要求。綜上分析可知，由于注漿后圍巖強(qiáng)度提升,且圍巖大變形已釋放了部分圍巖壓力,初期支護(hù)受力較小，因此,提升圍巖力學(xué)參數(shù)以及適度釋放圍巖壓力,是保證大變形段落換拱后初期支護(hù)穩(wěn)定的有效手段。

(a) JK139+534斷面圍巖壓力

(b) JK139+538斷面圍巖壓力

2.2.2 錨桿軸力

錨桿軸力的監(jiān)測(cè)結(jié)果(壓為正,拉為負(fù))如圖7所示。換拱初期圍巖變形速率較快,應(yīng)力釋放明顯。與初支所受壓力相對(duì)應(yīng),經(jīng)過(guò)14 d后,其他部位錨桿軸力趨于穩(wěn)定,只有拱頂部位近處錨桿軸力緩慢增長(zhǎng),并于二襯施工7個(gè)月后趨于穩(wěn)定。

(a) JK139+534斷面

(b) JK139+538斷面

(c) JK139+542斷面

錨桿軸力最終分布如圖8所示。錨桿所承受的應(yīng)力大部分為拉應(yīng)力,且位于圍巖深處的錨桿測(cè)點(diǎn)拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于錨桿近處拉應(yīng)力,錨桿②處圍巖變形大，①處圍巖變形小,說(shuō)明錨桿端頭已位于圍巖松動(dòng)區(qū)之外，進(jìn)一步表明注漿換拱后,圍巖松動(dòng)區(qū)范圍很小,此時(shí)圍巖壓力主要為形變壓力。拱頂范圍錨桿受力大,最大拉應(yīng)力為17.85 MPa,拱頂處錨桿受力作用較為明顯；左、右邊墻處錨桿受力小,且部分受壓,最大壓應(yīng)力為3.18 MPa。結(jié)合圍巖壓力圖6,圍巖壓力主要來(lái)自拱頂部位,拱腳圍巖壓力相對(duì)較小且不同斷面的拱腳圍巖壓力有不對(duì)稱(chēng)的表現(xiàn),拱腳圍巖壓力出現(xiàn)這種不規(guī)律的情況說(shuō)明邊墻處襯砌受力主要為自身形變擠壓圍巖所產(chǎn)生的主動(dòng)抗力?？傮w而言,在圍巖大變形情況下在拱頂打設(shè)錨桿,可以有效地控制頂部巖層的變形,對(duì)控制洞室的整體穩(wěn)定有著一定的促進(jìn)作用。

(a) 大塘隧道JK139+534錨桿受力

(c) 大塘隧道JK139+542錨桿受力

2.2.3 二襯混凝土應(yīng)力

將所測(cè)得混凝土應(yīng)變值轉(zhuǎn)換為應(yīng)力,測(cè)試結(jié)果如圖9、10所示。根據(jù)二襯受力時(shí)程曲線可知,在二襯澆筑完成前14 d內(nèi),二襯受力呈現(xiàn)增大—減小—增大的過(guò)程,原因是二襯臺(tái)車(chē)提供了預(yù)應(yīng)力,在拆除二襯臺(tái)車(chē)模板后,支護(hù)結(jié)構(gòu)恢復(fù)二次應(yīng)力狀態(tài),圍巖發(fā)生蠕變與流變[16],二襯荷載持續(xù)增大,最后達(dá)到穩(wěn)定。根據(jù)圖10二襯混凝土整體上受力處于3 MPa左右,遠(yuǎn)大于初期支護(hù)受力,說(shuō)明大變形隧道二襯結(jié)構(gòu)不僅作為安全貯備存在,還是主要的受力結(jié)構(gòu)。拱頂部位是變形的最大點(diǎn),也是受力的最大點(diǎn),最大混凝土應(yīng)力約為3.89 MPa；拱腰、拱腳處次之,均在極限抗壓強(qiáng)度范圍以內(nèi),整體結(jié)構(gòu)安全,有足夠的安全儲(chǔ)備。

(a) JK139+534斷面

(b) JK139+538斷面

(c) JK139+542斷面

(a) JK139+534斷面外側(cè)混凝土應(yīng)力

(c) JK139+542斷面外側(cè)混凝土應(yīng)力

2.2.4 內(nèi)側(cè)鋼筋應(yīng)力

二襯內(nèi)側(cè)鋼筋應(yīng)力的監(jiān)測(cè)結(jié)果(壓為正,拉為負(fù))如圖11、12所示。隨著二襯施作時(shí)間增加,各部位鋼筋由受壓轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾筅呌诜€(wěn)定，表明二襯施作初期,二襯不承擔(dān)或承擔(dān)極少部分圍巖壓力；而后由于圍巖發(fā)生蠕變與流變,二襯參與受力,承受主要圍巖壓力。圍巖變形達(dá)到穩(wěn)定后,鋼筋受力最大值出現(xiàn)在JK139+538斷面的左拱腰處,為20.3 MPa,但遠(yuǎn)未達(dá)到鋼材的極限強(qiáng)度值。

(a) JK139+534斷面

(b) JK139+538斷面

(c) JK139+542斷面

(a) JK139+534斷面內(nèi)側(cè)鋼筋應(yīng)力

(c) JK139+542斷面內(nèi)側(cè)鋼筋應(yīng)力

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型及參數(shù)

本節(jié)主要模擬隧道穿越溶洞填充黏土范圍發(fā)生大變形時(shí)支護(hù)的受力情況及換拱后新施作支護(hù)的受力情況。因此,模型簡(jiǎn)化為穿越黏土地層的隧道,模擬隧道施工開(kāi)挖和換拱的過(guò)程,對(duì)隧道支護(hù)受力進(jìn)行分析。采用MIDAS GTS NX軟件進(jìn)行計(jì)算,圍巖與襯砌均選用平面應(yīng)變單元模擬,單元數(shù)量為1 642個(gè),圍巖材料采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型,襯砌材料采用彈性模型,選取模擬區(qū)域?yàn)?00 m×70 m(寬度×高度),隧道埋深為35 m,中間30 m的溶洞黏土地層,隧道位于黏土層中間,如圖13所示,約束模型底部豎向位移以及兩側(cè)水平位移。

圖13 數(shù)值模型Fig.13 Numerical model

根據(jù)工程概況,計(jì)算參數(shù)選取見(jiàn)表2、3。為模擬隧道開(kāi)挖施工,計(jì)算中對(duì)初期支護(hù)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,選取加固范圍為3.5 m,采用提升強(qiáng)度法模擬地層加固,將其相應(yīng)的土層參數(shù)增大。增大后參數(shù)分別為:彈性模量1.3 GPa,泊松比0.35,容重21 kN/m3,黏聚力200 kN/m2,內(nèi)摩擦角27°。

表2 隧道圍巖物理、力學(xué)參數(shù)Tab.2 Physical and mechanical parameters of tunnel surrounding rock

表3 隧道支護(hù)參數(shù)Tab.3 Tunnel support parameters

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

隧道開(kāi)挖后,只施加初期支護(hù)的圍巖位移及受力情況如圖14所示。

(a) 圍巖水平位移

(b)圍巖豎向位移

(c)初支最大主應(yīng)力圖圖14 隧道換拱前位移及受力情況Fig.14 Displacement and stress of tunnel before lining replacement

數(shù)值模擬結(jié)果表明,未換拱前,拱頂部位是變形的最大點(diǎn),豎向沉降達(dá)到30 cm左右,侵限嚴(yán)重,拱腰兩側(cè)圍巖水平方向位移較小,最大約7 cm,拱腳范圍處圍巖向外側(cè)變形,說(shuō)明頂部壓力過(guò)大,引起鋼架向兩側(cè)擠壓變形；拱頂處應(yīng)力達(dá)到2 MPa左右,拱腰處次之,拱腳處局部拉應(yīng)力最大,初期支護(hù)整體上受力非常大。由于隧道變形明顯過(guò)大,因此采取換拱措施并且及時(shí)施加二襯,隧道位移及受力情況如圖15所示。

(a) 圍巖水平位移

(b) 圍巖豎向位移

(c) 初支最大主應(yīng)力圖

進(jìn)行換拱后,根據(jù)圖15(b)、(c),初期支護(hù)拱頂處的下沉值在10 cm以內(nèi),拱腳兩側(cè)區(qū)域水平方向位移與換拱之前相比,出現(xiàn)了收斂的現(xiàn)象,水平位移最大約6 cm,圍巖變形得到有效控制,說(shuō)明拱頂豎向壓力下降,鋼架側(cè)向變形減小,拱腳水平力減小,該類(lèi)隧道中初支所承受的水平壓力主要來(lái)自于襯砌形變所產(chǎn)生的彈性抗力,圍巖產(chǎn)生的水平壓力較小,進(jìn)一步驗(yàn)證了圖6中拱腳圍巖壓力突變是由于鋼架自身變形擠壓圍巖這一觀點(diǎn),也可以推斷出承受豎向壓力為主的拱頂處圍巖壓力最大,初期支護(hù)的整體受力特征與圖6所示實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示的受力特征相同。初支拱墻處的理論計(jì)算應(yīng)力值在0.03～0.46 MPa,總體上受力較小,二襯結(jié)構(gòu)承受大部分圍巖荷載,其所受應(yīng)力在0.16～1.61 MPa,二襯拱頂外側(cè)受壓明顯,拱腰與拱腳處外側(cè)應(yīng)力較小,對(duì)照?qǐng)D9實(shí)測(cè)曲線,二襯數(shù)值計(jì)算應(yīng)力值與分布規(guī)律比較接近實(shí)際二襯施作30 d左右的應(yīng)力值,而圖10所示實(shí)測(cè)的二襯最終應(yīng)力值在1.26～3.89 MPa,理論值相較實(shí)測(cè)結(jié)果較小,且二襯外側(cè)均受壓,推測(cè)其原因是實(shí)際圍巖相較數(shù)值模擬條件還存在后期的蠕變與流變現(xiàn)象。該類(lèi)隧道中圍巖長(zhǎng)期的變形影響顯著,但襯砌總體受力程度均在混凝土極限抗拉強(qiáng)度范圍以內(nèi)。

通過(guò)換拱將初期支護(hù)與二襯聯(lián)立作用的支護(hù)措施可減少支護(hù)結(jié)構(gòu)約66%的變形,能較好地控制圍巖變形。與此同時(shí),支護(hù)結(jié)構(gòu)相對(duì)單一的初次支護(hù)整體受力分布合理,結(jié)構(gòu)安全,有足夠的安全儲(chǔ)備,有利于結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文對(duì)三江至柳州高速公路大塘隧道在施工過(guò)程中左線JK139+489～JK139+555段圍巖大變形換拱段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與數(shù)值模擬,研究圍巖大變形情況下注漿換拱前后隧道初期支護(hù)及二襯的受力情況,獲得以下主要結(jié)論:

① 在溶腔充填黏土的巖溶隧道中,發(fā)生大變形時(shí)襯砌拱頂承受的圍巖壓力最大,拱腳次之,拱腰最小,隧道施工時(shí)應(yīng)注重對(duì)拱頂?shù)呐R時(shí)支撐,并加強(qiáng)鋼架鎖腳。換拱過(guò)后,初期支護(hù)承受的圍巖壓力減少,大變形能夠釋放大量圍巖壓力,有利于換拱后初期支護(hù)穩(wěn)定,此時(shí)拱頂壓力最大,拱腳、拱腰次之。

② 溶腔充填黏土的巖溶隧道發(fā)生大變形時(shí),通過(guò)注漿加固圍巖提升其自穩(wěn)能力是有效的處置手段,同時(shí)襯砌頂部系統(tǒng)錨桿可起到一定的支護(hù)作用。

③ 在易發(fā)生圍巖大變形的溶腔充填黏土的巖溶隧道中,應(yīng)注重考慮圍巖的長(zhǎng)期變形,初期支護(hù)與二襯聯(lián)立作用的支護(hù)結(jié)構(gòu)不僅起到安全儲(chǔ)備的作用,還能使支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力分布更為合理,進(jìn)而有效地減小變形,有利于提升該類(lèi)隧道長(zhǎng)期穩(wěn)定性。