淺埋軟巖隧道大變形特征及控制措施

李建敦， 肖靖,2*， 江鴻,2， 楊林,2， 陳世豪,2

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司， 武漢 430040； 2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室， 武漢 430040)

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對基礎(chǔ)設(shè)施的投入不斷增長，公路、鐵路等交通工程逐漸向地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)發(fā)展。在受到線路和地形限制的情況下，山嶺隧道所占的比例越來越大，施工環(huán)境極其復(fù)雜。山嶺隧道在修建時經(jīng)常會遇到圍巖軟弱、強度低等復(fù)雜地質(zhì)條件，導(dǎo)致隧道開挖后極易發(fā)生混凝土開裂、鋼拱架扭曲、隧道大變形發(fā)生侵限等重大工程災(zāi)害[1-4]，對設(shè)計和施工提出了重大挑戰(zhàn)。

目前大量中外學(xué)者對軟巖隧道大變形進(jìn)行了研究，并取得寶貴成果。李生杰等[5]依托高速公路安遠(yuǎn)隧道，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果對軟巖大變形的特征和產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析；高發(fā)征[6]針對六盤山隧道的大變形情況，提出了型鋼和格柵拱架相結(jié)合的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，充分發(fā)揮格柵拱架的柔性作用；李玉平等[7]依托鳳合高速公路大草山隧道，提出在軟巖大變形段采用預(yù)應(yīng)力鋼束(錨桿)將圍巖松動圈加固形成承載拱，計算結(jié)果表明控制變形效果良好；韓常領(lǐng)等[8]通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析了高地應(yīng)力軟巖的大變形機理，并對圍巖大變形進(jìn)行分級的基礎(chǔ)上提出分級控制理念；王偉等[9]依托文馬文麻高速公路大法郎隧道，對32個監(jiān)測斷面的變形特征進(jìn)行分析；王升等[10]在超前地質(zhì)預(yù)報的基礎(chǔ)上基于屬性綜合評價模型對圍巖級別進(jìn)行二次評價，利用數(shù)值計算軟件對深埋軟巖隧道的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

上述研究成果對軟巖隧道大變形的控制和治理提供了有益參考，但是研究較多的是高地應(yīng)力和深埋隧道，對于處于淺埋洞口段的軟巖隧道研究較少?，F(xiàn)依托在建隧道工程，通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析淺埋洞口段隧道的大變形特征，結(jié)合數(shù)值模擬軟件分析大變形發(fā)生的原因，在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的控制措施，保證工程的施工進(jìn)度和施工安全，為類似軟巖隧道的設(shè)計和施工提供借鑒和參考。

1 工程概況

董奉山隧道位于福建省福州市，中間布置雙洞雙向八車道主路隧道，兩側(cè)布置雙洞雙向四車道輔路隧道，輔路隧道全長4 098 m。隧道屬于剝蝕殘丘地貌，起伏變化大，進(jìn)口段圍巖為Ⅴ級，地面自然坡度6°～10°，主要組成為坡積粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖和砂土狀強風(fēng)化花崗巖，其結(jié)構(gòu)較為松散，強度低，開挖后自穩(wěn)能力差，遇水易軟化；隧址區(qū)地下水水位較高，土體天然含水率高，承載力低，存在較高施工安全隱患。隧道V級洞口段襯砌類型為FS5x，如圖1所示，采用初期支護(hù)+防水板+二次襯砌的復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)參數(shù)見表1。

表1 隧道原始設(shè)計支護(hù)參數(shù)

圖1 V級洞口段襯砌圖

由于隧道洞口段圍巖松散，整體性較差，在施工過程中隧道橫向裂縫、地表裂縫、拱架變形、開挖后掌子面掉塊和小型溜塌、隧道大變形及初支局部侵限等均有出現(xiàn)，如圖2、圖3所示。

圖3 地表開裂

2 隧道圍巖變形情況

監(jiān)控量測是新奧法施工必不可少的環(huán)節(jié)，是隧道進(jìn)行信息化設(shè)計與施工的基礎(chǔ)。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)可以為判斷圍巖穩(wěn)定性，支護(hù)結(jié)構(gòu)可靠性提供依據(jù)。根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3660—2020)[11]要求，在隧道5～10 m斷面處布置監(jiān)測點。隧道采用三臺階預(yù)留核心土+臨時仰拱施工方法，在上臺階開挖之后及時布置測點，保證能夠采集到變形的最原始數(shù)據(jù)，監(jiān)測點布置如圖4所示。

圖4 隧道洞內(nèi)監(jiān)測點布置示意圖

針對隧道洞口淺埋段，選取里程樁號FZK6+102.5～ FZK6+197，共18個監(jiān)測斷面進(jìn)行分析。該淺埋軟弱圍巖段隧道的變形如下特點。

(1)隧道變形量大且分布不均勻。隧道開挖后，對圍巖的擾動明顯，圍巖變形十分劇烈。如圖5為各監(jiān)測斷面的變形情況。洞內(nèi)各監(jiān)測斷面的累計沉降能夠達(dá)到數(shù)百毫米以上，且沿縱向表現(xiàn)出不均勻分布的規(guī)律。在同一斷面上，拱頂沉降普遍大于水平變形。

圖5 隧道洞口淺埋段圍巖變形的縱向分布

(2)開挖初期變形快且變形速率大。選取FZK6+123、FZK6+147斷面進(jìn)行分析，這兩個斷面的累計時程變化曲線分別如圖6和圖7所示。

圖6 FZK6+123斷面支護(hù)變形-時間變化圖

圖7 FZK6+147斷面支護(hù)變形-時間變化圖

由圖可知，隧道在開挖之后初期變形快和變形速率大，基本上在20 d內(nèi)能夠完成大部分的變形。FZK6+129斷面20 d內(nèi)累計拱頂沉降達(dá)355.1 mm，最大拱頂下沉速率可達(dá)38.4 mm/d，20 d內(nèi)累計周邊收斂達(dá)73.9 mm，最大周邊收斂速率可達(dá)28.2 mm/d。FZK6+147斷面20 d內(nèi)累計拱頂沉降達(dá)260.0 mm，最大拱頂下沉速率可達(dá)27.8 mm/d，20 d內(nèi)累計周邊收斂達(dá)143.5 mm，最大周邊收斂速率可達(dá)29.2 mm/d。

(3)變形持續(xù)時間長。隧道在初期大變形之后并未逐漸趨于穩(wěn)定，而是以較大的速率繼續(xù)發(fā)生變形。如FZK6+129變形后期拱頂下沉和周邊收斂日變形速率最大分別能達(dá)到10.2 mm/d和3.9 mm/d，表明隧道圍巖具有軟弱和顯著流變性的特征。

(4)隧道沉降主要發(fā)生在上、中臺階開挖階段。不同施工階段拱頂沉降占比如圖8所示。由圖8可知，上臺階、中臺階、下臺階及仰拱開挖拱頂沉降占比分別為17.69%、55.45%、11.72%和15.14%。隧道拱頂沉降主要發(fā)生在上臺階和中臺階開挖階段。在施工時應(yīng)加強上、中臺階支護(hù)參數(shù)及各工序銜接，讓初支盡早封閉成環(huán)。

圖8 不同施工階段拱頂沉降占比

3 數(shù)值模擬分析

采用計算模擬軟件[12-13]，建立三維隧道模型，對董奉山隧道在施工過程中圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及受力特征進(jìn)行分析。

3.1 模型建立

根據(jù)依托工程的實際地質(zhì)情況，建立了計算模型?；谑ゾS南原理，為了減小邊界條件的影響， 取地層范圍為橫向114 m，約4倍洞徑，下部取50 m，約4倍洞徑，上部取至底部，整個模型尺寸為114 m×50 m×74 m(長×寬×高)，計算模型如圖9所示。采用固定邊界條件，模型左右兩側(cè)施加水平方向的約束，底部施加法向約束，地表為自由邊界，本構(gòu)模型采用摩爾庫倫模型。圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)采用實體單元進(jìn)行模型，計算時僅考慮重力。

圖9 模型整體示意圖

模擬計算過程為：初始地應(yīng)力模擬；上臺階開挖并支護(hù)；上臺階核心土開挖和中臺階左側(cè)開挖并支護(hù)；中臺階右側(cè)開挖并施做初期支護(hù)和臨時仰拱；下臺階左側(cè)開挖并支護(hù)；下臺階右側(cè)開挖并支護(hù)；仰拱開挖。各部分計算時錯開3 m，每循環(huán)開挖1 m，仰拱一次開挖3 m。

3.2 材料參數(shù)選取

在數(shù)值計算時，為了考慮型鋼拱架的影響，將型鋼拱架的彈性模量按照抗彎剛度等效的原則結(jié)合到噴射混凝土中[14]。計算模型圍巖從上到下依次是坡積粉質(zhì)黏土，全風(fēng)化花崗巖和砂土狀強風(fēng)化花崗巖，根據(jù)地勘資料和《公路隧道設(shè)計細(xì)則》，數(shù)值計算參數(shù)取值如表2所示。

表2 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

3.3 數(shù)值計算結(jié)果分析

為了使研究的圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力變化規(guī)律具有代表性，消除邊界條件的影響，選取模型的中間截面進(jìn)行分析。

3.3.1 初期支護(hù)應(yīng)力

初期支護(hù)為混凝土結(jié)構(gòu)，是隧道在開挖后抑制松動區(qū)發(fā)展的重要支護(hù)措施。計算完成后，初期支護(hù)的最小主應(yīng)力云圖和最大主應(yīng)力云圖如圖10所示。

圖10 初期支護(hù)主應(yīng)力云圖

最小主應(yīng)力為負(fù)表示壓應(yīng)力，最大主應(yīng)力為正表示拉應(yīng)力。由圖10可知，隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)大部分位置受壓，在拱腳左右兩側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中，壓應(yīng)力最大，最大壓應(yīng)力為16.3 MPa，超過C25噴射混凝土的抗壓強度設(shè)計值13.5 MPa。由圖可知，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)在上臺階范圍內(nèi)出現(xiàn)拉應(yīng)力，拱頂處應(yīng)力集中，最大拉應(yīng)力為2.24 MPa，超過C25噴射混凝土的抗拉強度設(shè)計值1.3 MPa。計算時支護(hù)結(jié)構(gòu)強度是瞬時達(dá)到設(shè)計值，而實際施工過程中噴射混凝土達(dá)到設(shè)計強度會有一個過程，在剛施工完成后由于應(yīng)力過大會導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)細(xì)微裂縫，后續(xù)再受到施工擾動、降雨等原因會使圍巖壓力增大，導(dǎo)致裂縫繼續(xù)擴展。由于初期支護(hù)混凝土的抗拉強度遠(yuǎn)小于其抗壓強度，因而多數(shù)情況下混凝土?xí)捎诔惺苓^大拉力發(fā)生破壞。

3.3.2 隧道變形規(guī)律

實際施工時隧道變形特征能夠最直觀地反映隧道的穩(wěn)定狀態(tài)。計算完成后圍巖豎向位移云圖和水平位移云圖如圖11所示，監(jiān)測斷面拱頂下沉和周邊收斂與開挖步的關(guān)系曲線如圖12所示。由圖可知，在隧道開挖到監(jiān)測斷面之前，圍巖變形很小，在隧道開挖到第25步，即上臺階之后，變形突然增大，后續(xù)在開挖中臺階、下臺階和仰拱的時候變形也有較大增長，最后由于整個斷面封閉成環(huán)，隨著開挖步的進(jìn)行逐漸趨于穩(wěn)定。最終拱頂累計沉降為286.8 mm，周邊收斂值為133.6 mm。數(shù)值模擬結(jié)果比現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)小，這是由于在模擬時對模型進(jìn)行了簡化，忽略了地下水、圍巖節(jié)理裂隙和走向以及結(jié)構(gòu)面填充情況等眾多因素，導(dǎo)致計算結(jié)果和實測值存在一定差異。

圖11 圍巖位移云圖

圖12 監(jiān)測斷面拱頂下沉和周邊收斂與開挖步的關(guān)系曲線

3.3.3 圍巖塑性區(qū)分布

隧道施工計算完成后圍巖的塑性區(qū)分布如圖13所示。由圖13可知，塑性區(qū)范圍是比較大的，基本沿著隧道開挖輪廓線呈對稱分布，兩側(cè)拱肩處塑性區(qū)深度最大，其次是兩側(cè)拱腳處。后續(xù)塑性區(qū)會由于受到開挖擾動、圍巖滲水等原因屈服區(qū)域進(jìn)一步擴大，造成圍巖松動壓力增大，從而發(fā)生混凝土開裂、剝落，鋼架扭曲和初支侵限等病害，甚至發(fā)生隧道坍塌。

圖13 圍巖塑性區(qū)分布

4 大變形處治措施

4.1 開挖工法優(yōu)化

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，采用計算模擬軟件對三臺階七步開挖法、三臺階預(yù)留核心土+臨時仰拱法、中隔壁(center diaphragm,CD)法進(jìn)行分析。各開挖工法下數(shù)值計算結(jié)果如表3所示。

由表3可知，采用三臺階七步開挖法由于各臺階分左右兩側(cè)錯開進(jìn)行開挖，隧道開挖縱深過長，隧道初期支護(hù)閉合成環(huán)時間長，因而隧道沉降、支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力和塑性區(qū)范圍均大于其他兩種工法。三臺階預(yù)留核心土+臨時仰拱法和CD法相比只有在控制圍巖水平位移方面優(yōu)于CD法，因而后期根據(jù)監(jiān)測情況，在考慮到實際地質(zhì)情況、項目成本、人員配置及施工進(jìn)度等因素下可以考慮采用CD法進(jìn)行施工。

表3 各開挖工法下數(shù)值計算結(jié)果

4.2 綜合處治方案

針對隧道地質(zhì)條件差，圍巖易發(fā)生大變形的特點，采取如下針對性的措施。

(1)將臨時仰拱鋼支撐由I16變更為工I18。

(2)超前小導(dǎo)管采用Φ42 mm(壁厚4 mm)的無縫鋼管，長3.5 m，在拱部150°范圍內(nèi)施做，環(huán)形間距30 cm，每環(huán)54根，縱向間距由2.4 m變?yōu)?.2 m。

(3)設(shè)置雙層鎖腳錨管，錨管采用Φ42 mm(壁厚4 mm)的無縫鋼管，長3.5 m，每處打設(shè)4根，每榀共24根。

(4)上、中、下臺階兩側(cè)拱腳采用I16型鋼進(jìn)行連接，增強拱架的整體性。

(5)拱腳支墊采用40 cm×30 cm×15 cm的C35混凝土預(yù)制塊。

(6)對大變形段采用Φ42 mm(壁厚4 mm)無縫鋼管，環(huán)向間距1 m，縱向間距1.2 m，梅花形布置進(jìn)行注漿加固，漿液采用水泥漿，水灰比0.5∶1，注漿壓力0.5～1 MPa。

(7)在隧道中臺階左右兩側(cè)設(shè)置降水井，管徑125 mm，深度15 m，縱向間距10 m，梅花形布置。

(8)將預(yù)留變形量由50 cm調(diào)整為60 cm。

5 結(jié)論

針對董奉山隧道，介紹了隧道的大變形情況，分析了大變形的原因及機制，并根據(jù)分析結(jié)果提出相應(yīng)的工程處治措施，得到如下主要結(jié)論。

(1)董奉山隧道進(jìn)口處于淺埋段，地下水位高，圍巖工程力學(xué)性質(zhì)差，巖體破碎、軟弱，強度低，遇水易軟化，自穩(wěn)性差，造成開挖之后圍巖發(fā)生大變形和隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重。

(2)隧道變形量大，拱頂最大累計沉降達(dá)到624.7 mm，累計最大水平收斂達(dá)到174.9 mm。隧道初期變形量大且變形速率快，后期達(dá)到穩(wěn)定的時間長。

(3)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞是由于開挖之后支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力過大，且塑性區(qū)過度發(fā)展導(dǎo)致屈服區(qū)逐漸變?yōu)樗蓜訁^(qū)，引起圍巖松散壓力增大。

(4)針對隧道變形特征，采用計算模擬軟件對三臺階七步開挖法、三臺階預(yù)留核心土+臨時仰拱法和CD法進(jìn)行分析，結(jié)果表明CD法優(yōu)于其他兩種工法，在后續(xù)施工中可以考慮采用此工法。另外，為了控制圍巖變形，采取加大支護(hù)參數(shù)，進(jìn)行洞內(nèi)降水，增大預(yù)留變形量的措施，嚴(yán)格控制各臺階的變形，確保圍巖的變形在允許范圍內(nèi)。研究結(jié)果可為后續(xù)段的施工和類似工程提供參考。