淺埋隧道拱頂土石混合體圍巖沉降預(yù)測(cè)

黃建陽(yáng)，彭澤宇，楊紅運(yùn)，張國(guó)嬌*，陸原恩，李海斌

(1.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032；2.重慶交通大學(xué)省部共建山區(qū)橋梁及隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；3.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司，南寧 530029)

一般情況下，隧道洞口所處的位置，大多數(shù)都是屬于風(fēng)化土層，但是又不完全是土，里面還含有未完全風(fēng)化的巖石。這些大小不一的巖石，加上風(fēng)化的表層土，形成了較差隧道圍巖地質(zhì)條件，對(duì)于隧道開挖沉降具有重要的影響。這類土與石混合的巖體，稱為土石混合體[1]。由于其不均勻、非連續(xù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其力學(xué)性質(zhì)也不同于巖石。針對(duì)這類巖體，楊小彬等[2]利用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行解算分析，認(rèn)為土石混合體強(qiáng)度和穩(wěn)定性隨粒徑增大而呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。陶慶東[3]基于三大軸實(shí)驗(yàn)的土石混合體強(qiáng)度特性分析了其影響因素，認(rèn)為影響內(nèi)摩擦角的最大因素是含石量。林錦騰等[4]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的手段對(duì)淺埋隧道在開挖條件下的圍巖的變形進(jìn)行分析，得出了淺埋隧道開挖過程中隧道的變形規(guī)律。文獻(xiàn)[5-7]分析認(rèn)為，當(dāng)巖石含量較低時(shí)，塊石之間距離大，難以發(fā)生相互作用，碎石幾乎不會(huì)影響宏觀變形特征，此時(shí)強(qiáng)度主要取決于土體；增大巖石含量時(shí)，混合體中塊石之間的距離更小，相互接觸更加緊密，碎石之間的相互摩擦與咬合程度直接決定土石混合體的宏觀力學(xué)強(qiáng)度。

目前針對(duì)淺埋隧道圍巖軟弱土石混合體問題，學(xué)者們開展了大量研究，但其采用理論和連續(xù)介質(zhì)數(shù)值分析方法研究具有較大局限性，同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)條件限制，分析影響因素和工況相對(duì)較少，另外對(duì)淺埋隧道拱頂土石混合體圍巖的研究較少。為此，以紅崖山隧道為工程背景，采用連續(xù)-非連續(xù)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)方法分析多工況條件拱頂沉降的影響因素，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，給出了拱頂沉降值預(yù)測(cè)范圍，驗(yàn)證了該拱頂沉降值預(yù)測(cè)的適用性，對(duì)土石混合體圍巖洞口段施工沉降預(yù)測(cè)進(jìn)行了有力的探索。

1 計(jì)算模型

1.1 模型的實(shí)現(xiàn)

由于要綜合研究土體和巖石的性質(zhì)，不能簡(jiǎn)單將其等效為均一的巖體，一般的有限元軟件很難開展相關(guān)模擬計(jì)算。選用中國(guó)科學(xué)力院研究所和北京極道成然科技有限公司聯(lián)合開發(fā)的GDEM(global digital elevation model)力學(xué)分析軟件開展研究。GDEM在塊體內(nèi)部使用連續(xù)本構(gòu)，塊體邊界使用非連續(xù)本構(gòu)；塊體間的非連續(xù)變形主要通過彈簧來實(shí)現(xiàn)，通過彈簧的斷裂來模型材料的開裂、滑移等。

1.2 模型的建立

數(shù)值計(jì)算采用地層結(jié)構(gòu)法，為便于計(jì)算采用如下假設(shè)：①本次計(jì)算選用二維計(jì)算模型研究；②假定土層、巖層、巖石塊為均質(zhì)且各項(xiàng)同性的介質(zhì)，巖土體本構(gòu)模型選用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則；③初始應(yīng)力場(chǎng)僅由自重應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生不考慮構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和其他應(yīng)力場(chǎng)，不考慮地下水；隧道無偏壓。

選取數(shù)值計(jì)算模型，隧道內(nèi)輪廓為三心圓，其半徑分別為：R1=5.2 m、R2=8.5 m、R3=1 m，仰拱半徑16 m。在地層結(jié)構(gòu)法模型中，由圣維南邊界條件，一般只需考慮3～5倍洞徑圍巖變化情況，采用GDEM軟件建立二維模型，由于研究隧道洞口的淺埋段，這里是二維模型，考慮拱頂沉降時(shí)，只考慮豎直方向的力，水平方向的力影響很小，故模型尺寸取120 m×80 m。兩側(cè)邊界施加水平約束，底部施加豎直約束，網(wǎng)格劃分采用四邊形模型。模擬時(shí)把二次襯砌作為安全儲(chǔ)備，計(jì)算中不考慮其作用。圍巖與支護(hù)均采用實(shí)體二維單元模擬；圍巖采用摩爾庫(kù)倫材料，初期支護(hù)和二次襯砌為彈性材料，超前支護(hù)的作用可根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)提高超前支護(hù)區(qū)的圍巖級(jí)別來體現(xiàn)[8-10]，支護(hù)參數(shù)如表1所示。

表1 隧道支護(hù)參數(shù)

采用正臺(tái)階環(huán)形開挖[11-12]如圖1所示。建立的隧道模型如圖2所示，其中隧道處在土石混合圍巖中，隧道下方為巖層。

1～5為隧道開挖順序

藍(lán)色為基巖；紅棕色為土；綠色為超前支護(hù)；彩色小塊為不同粒徑的巖石塊

如圖2所示，隧道所處為土石混合圍巖層，下方為巖層，彩色的小塊為粒徑不同的巖石塊，將研究巖石塊的含量(巖石塊個(gè)數(shù))和巖石粒徑來研究其對(duì)拱頂沉降的影響，從而得出拱頂沉降的預(yù)測(cè)范圍。

1.3 巖土體參數(shù)選擇

采用常見的“黏土層+巖石塊”的土石混合圍巖模型，黏土層的參數(shù)取表2中的3種，巖石塊參數(shù)固定，土質(zhì)混合圍巖采用黏土層所屬于的圍巖等級(jí)來命名。如土層為Ⅳ3級(jí)黏質(zhì)土，那么該土質(zhì)混合圍巖就叫做Ⅳ3級(jí)土石混合圍巖。采用控制變量法研究各個(gè)因素對(duì)于沉降的影響，最后得出各種模擬情況下的拱頂沉降的范圍。計(jì)算3種工況的土石混合圍巖，如表2所示。

表2 計(jì)算工況

土石混合圍巖的參數(shù)按照表2取得，參數(shù)由好到差依次取3種，隨著黏土體參數(shù)的改變，巖石塊參數(shù)隨著改變。由于考慮的是洞口淺埋段的情況，所以埋深取10、20、30 m。

2 模擬計(jì)算

2.1 10 m埋深計(jì)算結(jié)果

由于巖石塊體產(chǎn)生的隨機(jī)性，可能會(huì)使得沉降值不準(zhǔn)確，盡量選取巖石分布較均勻的情況計(jì)算，這里采取計(jì)算3次，取得平均值的結(jié)果，保證模擬計(jì)算的結(jié)果的準(zhǔn)確性與代表性，根據(jù)不同工況采取的變量可分為以下3種情況。

(1)巖石粒徑0.1～0.2 m固定，用巖石塊個(gè)數(shù)來表示這里巖石塊含量，取巖石塊個(gè)數(shù)0、100、200、300、400、500、600、700、800、900和1 000作為變量。3種工況模擬結(jié)果如圖3所示。

巖石最小粒徑0.1 m，最大粒徑0.2 m

分析可知,埋深10 m時(shí)，隨著巖石塊數(shù)(巖石含量)的增加隧道開挖產(chǎn)生的拱頂沉降值逐漸減小，當(dāng)巖石塊數(shù)從0增加到1 000塊時(shí)，拱頂沉降基本呈線性關(guān)系逐漸減小，工況1拱頂沉降從40.8 mm減少到34.31 mm，減少了6.49 mm，減少量量達(dá)到了15.91%；同樣，工況2減少量為27.22%；工況3減少量為21.02%。

另外，工況1～工況3，試驗(yàn)采用的土和巖石參數(shù)逐漸變差，拱頂沉降也明顯增大。

(2)巖石含量選用500塊巖石個(gè)數(shù)固定，最小粒徑選用0.1 m固定，因?yàn)閹r石塊太少，可能會(huì)出現(xiàn)某些地方巖石分布過于稀疏，對(duì)拱頂沉降影響不明顯，過多會(huì)導(dǎo)致巖石過于密集，影響結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)選取最大粒徑0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4 m作為變量，3種工況模擬結(jié)果如圖4所示。

巖石塊個(gè)數(shù)500，最小粒徑0.1 m

分析可知，埋深10 m時(shí)，隨著最大粒徑的增大，拱頂沉降逐漸減小，當(dāng)最大粒徑從0.15 m增加到0.4 m，增加了167%，工況1拱頂沉降從38.36 mm降低到了30.62 mm，減少了20.18%，工況2減少了21.96%，工況3減少了16.51%，且隨著最大粒徑的增大，拱頂沉降減少的速度越來越快。

另外，由于工況1～工況3中土和巖石參數(shù)逐漸變差，拱頂沉降也明顯增大。

(3)巖石含量選用500塊巖石個(gè)數(shù)固定，最大粒徑選用0.3 m固定，選取最小粒徑0.05、0.1、0.15、0.2、0.25 m作為變量，3種工況模擬結(jié)果如圖5所示。

巖石塊個(gè)數(shù)500，最大粒徑0.3 m

分析可知，埋深10 m時(shí)，最小粒徑從0.05 m增加到0.25 m，增加了400%，工況1拱頂沉降從36.99 mm降低到了28.15 mm，減少了23.9%工況2減少16.73%，工況3減少14.26%。且隨著最小粒徑的增大，拱頂沉降減少的速度越來越快。

另外，在工況1～工況3的土和巖石參數(shù)逐漸變差的情況下，拱頂沉降量有明顯的增大。

2.2 20 m埋深計(jì)算結(jié)果

隧道20 m埋深的時(shí)候，根據(jù)不同工況采取的變量可分為以下3種情況。

(1)巖石粒徑0.1～0.2 m固定，用巖石塊個(gè)數(shù)來表示這里巖石塊含量，取巖石塊個(gè)數(shù)0、200、400、600、800、1 000、1 200、1 400、1 600塊巖石個(gè)數(shù)作為變量。3種工況模擬結(jié)果如圖6所示。

巖石最小粒徑0.1 m，最大粒徑0.2 m

分析可知，埋深20 m時(shí)，隨著巖石塊數(shù)的增加隧道開挖產(chǎn)生的拱頂沉降逐漸減小，工況1當(dāng)巖石塊數(shù)從0增加到1 600塊時(shí)，拱頂沉降83.4 mm減少到65.14 mm，減少了18.26 mm減少量達(dá)到了21.89%，工況2減小22.34%，工況3減少19.20%。

另外，工況1～工況3采用不同的土和巖石進(jìn)行試驗(yàn)，且其巖石參數(shù)逐漸變差，顯然隨著土質(zhì)的變差，拱頂沉降明顯增大。

(2)巖石含量選用800塊巖石個(gè)數(shù)固定，最小粒徑選用0.1 m固定，選取最大粒徑0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4 m作為變量，3種工況模擬結(jié)果如圖7所示。

巖石塊個(gè)數(shù)800，最小粒徑0.1 m

分析可知，埋深20 m時(shí)，隨著巖石塊最大粒徑的增大，拱頂沉降逐漸減小，減小的速度越來越來越快，這種變化可以從折線圖的斜率看出，工況1中當(dāng)最大粒徑從0.15 m增加到0.4 m，增加了0.25 m，拱頂沉降從76.93 mm降低到了58.95 mm，減小了17.98 mm，減少了23.37%，工況2減少了18.21%，工況3減少了19.92%。

另外，工況1～工況3，巖石參數(shù)逐漸變差，拱頂沉降量明顯增加。

(3)巖石含量選用800塊巖石個(gè)數(shù)固定，最大粒徑選用0.3 m固定，選取最小粒徑0.05、0.1、0.15、0.2、0.25 m作為變量，3種工況模擬結(jié)果如圖8所示。

巖石塊個(gè)數(shù)800，最小粒徑0.3 m

分析可知，埋深20 m時(shí)，當(dāng)最小粒徑從0.05 m增加到0.25 m，增加了0.2 m，工況1拱頂沉降從69.76 mm降低到了57.99 mm，減小了11.77 mm，減少了16.87%，工況2減少了17.02%，工況3減少了17.03%。

另外，工況1～工況3土和巖石逐漸變差，顯然隨著土質(zhì)的變差，拱頂沉降量明顯增大。

2.3 30 m埋深計(jì)算結(jié)果

30 m埋深土石混圍巖層采取與20 m埋深土石混合圍巖層相比，增加了巖石塊個(gè)數(shù)1 800塊和2 000塊這兩個(gè)變量，同時(shí)改變粒徑時(shí)候固定巖石塊數(shù)為1 000塊，這是考慮到土層變厚，可以適當(dāng)增加巖石塊數(shù)，根據(jù)不同工況采取的變量可分為以下3種情況。

(1)巖石粒徑0.1～0.2 m固定，用巖石塊個(gè)數(shù)來表示這里巖石塊含量，取巖石塊個(gè)數(shù)作為變量，3種工況模擬結(jié)果如圖9所示。

巖石最小粒徑0.1 m，最小粒徑0.2 m

30 m埋深時(shí)，隨著巖石塊數(shù)(巖石含量)的增加隧道開挖產(chǎn)生的拱頂沉降逐漸減小，工況1當(dāng)巖石塊數(shù)從0增加到2 000塊時(shí)，從最開始的111.5 mm減少到94.05 mm，減少了17.45 mm減少量量達(dá)到了15.65%，工況2減少25.51%，工況3減少24.16%。

另外，工況1～工況3的巖石參數(shù)依次變差，在其他情況一致的情況下，拱頂沉降量明顯增大。

(2)巖石含量選用1 000塊巖石個(gè)數(shù)固定，最小粒徑選用0.1 m固定，選取最大粒徑0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4 m作為變量，3種工況模擬結(jié)果如圖10所示。

分析可知，埋深30 m時(shí)，隨著巖石塊最大粒徑的增大，拱頂沉降逐漸減小，減小的速度越來越快，這是因?yàn)榱綄?duì)應(yīng)的是面積，變化是大于一次線性，工況1當(dāng)最大粒徑從0.15 m增加到0.4 m時(shí)，增加了0.25 m，拱頂沉降從105.03 mm降低到了86.26 mm，減少18.77 mm，減少了17.87%，工況2減少了20.85%，工況3減少了20.62%。

另外，工況1～工況3采用不同的土和巖石進(jìn)行試驗(yàn)，拱頂沉降量也有明顯的差異，即巖石參數(shù)逐漸變差，顯然隨著土質(zhì)的變差，拱頂沉降明顯增大。

(3)巖石含量選用1 000塊巖石個(gè)數(shù)固定，最大粒徑選用0.3 m固定，選取最小粒徑0.05、0.1、0.15、0.2、0.25 m作為變量，3種工況模擬結(jié)果如圖11所示。

巖石塊個(gè)數(shù)1 000，最小粒徑0.3 m

分析可知，埋深30 m時(shí)，當(dāng)最大粒徑從0.15 m增加到0.4 m時(shí)，增加了0.25 m，拱頂沉降從105.03 mm降低到了96.51 mm，減少8.52 mm，減少了81.12%，當(dāng)最小粒徑從0.05 m增加到0.25 m，增加了0.2 m，拱頂沉降從98.11 mm降低到了84.82 mm，減少了13.29 mm，減少了13.55%。工況2減少了17.88%，工況3減少了15.04%。

另外，工況1～工況3的土和巖石參數(shù)依次變差，拱頂沉降量也明顯增加。

2.4 沉降值預(yù)測(cè)

對(duì)于土石混合圍巖，只有根據(jù)給定的土和巖石的物理力學(xué)性質(zhì)和巖石含量才能確定沉降范圍。根據(jù)2.1節(jié)、2.2節(jié)和2.3節(jié)的計(jì)算結(jié)果，給出了土石混合圍巖的計(jì)算沉降預(yù)測(cè)范圍，如表3所示，其他沉降參數(shù)在范圍內(nèi)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以采取插值法計(jì)算。

表3 計(jì)算沉降預(yù)測(cè)范圍

3 工程驗(yàn)證

3.1 隧道進(jìn)出口概況

G7611都勻至香格里拉高速公路守望(滇黔界)至紅山(滇川界)段紅崖山隧道入口位于魯?shù)榭h樂紅鄉(xiāng)關(guān)溜村南側(cè)，出口位于魯?shù)榭h梭山鄉(xiāng)黑石河五級(jí)電站以北，黑石河大溝坐岸陡崖底部。

隧道進(jìn)洞口：隧道進(jìn)出口段為淺理，易誘發(fā)滑坡、塌方以及崩塌等嚴(yán)重工程地質(zhì)災(zāi)害，穩(wěn)定性較差。隧道進(jìn)口段里程穿越分布厚度為0～20.0 m，碎石粒徑為20～300 mm的土石混合體圍巖地層。碎石骨料主要由強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r、花崗巖組成，少量為板巖風(fēng)化碎屑，表面粗糙、棱角分明、形狀各異且不規(guī)則，填充介質(zhì)為黏土(圖12)。隧道進(jìn)口段上伏第四系崩坡積層的粉質(zhì)黏土及卵石，下伏基巖為奧陶系中統(tǒng)大臂組、湄潭組，主要為灰?guī)r、頁(yè)巖，屬較破碎、軟巖。圍巖為碎裂結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂腺發(fā)育，巖體破碎。頁(yè)巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度RC=14.8 MPa，完整性系數(shù)Kv=0.38，K1=0.40，K2=0.20，K3=0，巖石基本質(zhì)量指標(biāo)[BQ]=179?；尹S色，稍濕，稍密、中密，主要由灰?guī)r碎塊石和紅黏土組成，碎塊石呈菱角狀，一般粒徑為20～300 mm，含量約30%，為崩坡積成因。下層灰?guī)r呈灰白色，灰黑色，微晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，主要礦物成分為碳酸鈣，隧道進(jìn)口段地質(zhì)剖面如圖13所示。

圖12 隧道進(jìn)洞口土石混合體

ZK68+390為里程樁號(hào)

隧道出洞口：洞口出口段巖體破碎，洞口段為崩坡堆積體，地表被第四系崩坡積成因的土石混合體覆蓋，下伏基巖為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r,表層的土石混合圍巖，巖石塊粒徑為10～250 mm，黏質(zhì)土為填充介質(zhì)，如圖14所示，隧道出口段地質(zhì)剖面如圖15所示。

圖14 隧道出洞口土石混合體

ZK74+295為里程樁號(hào)

3.2 沉降預(yù)測(cè)

根據(jù)勘測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得，得到隧道進(jìn)口所處的地區(qū)的圍巖如下：上層為土石混合圍巖，下層為灰?guī)r。其中黏土體、巖石塊、巖層具體參數(shù)如表4所示。根據(jù)上一章的計(jì)算結(jié)果，洞口相對(duì)拱頂沉降應(yīng)該在0.234 58%～0.340 00%，即28.12～40.8 mm。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果，拱頂沉降的實(shí)測(cè)值為32.68 mm，在預(yù)測(cè)的范圍28.12～40.8 mm，說明拱頂沉降值在預(yù)測(cè)范圍內(nèi)。

表4 隧道進(jìn)口圍巖參數(shù)

隧道出口所處的地區(qū)的圍巖條件如下：土石混合圍巖厚度為15 m，具體參數(shù)如表5所示，根據(jù)10 m埋深土石混合圍巖的相對(duì)拱頂沉降范圍在0.333 41%～0.487 92%，20 m埋深的土石混合圍巖的相對(duì)拱頂沉降范圍在0.558 83%～0.777 17%，14.7 m埋深(取10 m和20 m埋深的中間值)拱頂沉降的范圍在0.410 67%～0.668 00%，拱頂沉降范圍為49.28～80.16 mm。實(shí)際測(cè)得隧道拱頂沉降值為68.74 mm，在預(yù)測(cè)的拱頂沉降范圍內(nèi)，說明該方法的有效性。

表5 隧道出口圍巖參數(shù)

4 結(jié)論

土石混合體圍巖，在實(shí)際隧道工程洞口段施工時(shí)很常見，模擬分析了土石混合體圍巖隧道施工時(shí)巖石塊含量和粒徑對(duì)于拱頂沉降的影響，得出以下結(jié)論。

(1)當(dāng)埋深、土和巖石參數(shù)以及巖石粒徑范圍固定時(shí)，隨著巖石塊數(shù)(巖石含量)的增加隧道開挖產(chǎn)生的拱頂沉降值逐漸減小，且下降速率逐漸遞增。

(2)當(dāng)埋深、土和巖石參數(shù)以及巖石塊數(shù)(巖石含量)固定時(shí)，隨巖石粒徑的增大隧道開挖產(chǎn)生的拱頂沉降值逐漸減小，且下降速率逐漸遞增。

(3)通過數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，給出了拱頂沉降值預(yù)測(cè)范圍，并且結(jié)合紅崖山隧道實(shí)際工況，驗(yàn)證了該拱頂沉降值預(yù)測(cè)的適用性。