砂質(zhì)頁(yè)巖隧道施工過(guò)程變形與受力分析

楊永強(qiáng)

(中鐵十七局集團(tuán)城市建設(shè)有限公司 貴州貴安 550025)

1 引言

受到賦存環(huán)境以及地質(zhì)成因的影響，與花崗巖等硬質(zhì)火山巖不同，砂質(zhì)頁(yè)巖屬于變質(zhì)巖，其力學(xué)性質(zhì)差，具體表現(xiàn)為受到掘進(jìn)擾動(dòng)后，砂質(zhì)頁(yè)巖的自穩(wěn)能力極差，具有各向異性及蠕變特性，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)承受較大的應(yīng)力、產(chǎn)生圍巖大變形，支護(hù)安全問(wèn)題突出，含有大量的黏土礦物導(dǎo)致遇水后軟化，強(qiáng)度折減強(qiáng)烈[1-2]。這些不良力學(xué)特征給隧道工程的建設(shè)帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。

由于砂質(zhì)頁(yè)巖在受到地下水、開挖卸載等作用后，其變形機(jī)理復(fù)雜，具有明顯的時(shí)效性和長(zhǎng)期性，對(duì)其力學(xué)行為的演變規(guī)律認(rèn)識(shí)還有待進(jìn)一步研究[3]。針對(duì)頁(yè)巖的變形機(jī)理和支護(hù)結(jié)構(gòu)措施方面，大量的研究學(xué)者主要采取了數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和物理模擬的手段展開研究[4]。何昌國(guó)[5]對(duì)成貴鐵路10座砂質(zhì)泥巖、砂質(zhì)頁(yè)巖隧道進(jìn)行了圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和統(tǒng)計(jì)分析，指出現(xiàn)行鐵路行業(yè)規(guī)范中變形預(yù)留量偏大；曾韋等[6]采用室內(nèi)物理試驗(yàn)方法研究了頁(yè)巖在卸載條件下的能量演化過(guò)程，指出其變形破壞的特征；馮忠居等[7]通過(guò)數(shù)值模擬手段研究了不同開挖施工工法下隧道圍巖的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，指出在掌子面附近3 m左右的圍巖應(yīng)力最大；韓偉歌等[8]采用變形監(jiān)測(cè)與三維激光掃描等方法研究了層狀巖體的隧道圍巖變形；劉德安等[9]針對(duì)大面積開挖的軟巖隧道提出了超前帷幕注漿加超前管棚的加固方案。

本文以桃子溪隧道工程為研究背景，結(jié)合砂質(zhì)頁(yè)巖的工程地質(zhì)特點(diǎn)，基于能量耗散與能力釋放原理，采用室內(nèi)三軸試驗(yàn)方法分析其應(yīng)力應(yīng)變損傷演化過(guò)程，并采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)手段分析砂質(zhì)頁(yè)巖的變形時(shí)空特征以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化過(guò)程。

2 工程背景

351國(guó)道咸豐謝家土至龍井段改擴(kuò)建工程桃子溪隧道位于湖北省恩施州咸豐縣境內(nèi)，隧址區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)性山地氣候，植被茂密，以松樹及山茶樹為主，隧道走向方位角291°～305°，海拔高程810～1 120 m，洞身最大埋深約289 m。進(jìn)口樁號(hào)K79+054，出口樁號(hào)K80+591，全長(zhǎng)1 537 m，為長(zhǎng)隧道。

隧道區(qū)域構(gòu)造位置處于恩黔斷裂-桃子溪斷裂左側(cè)740 m，區(qū)內(nèi)構(gòu)造線走向?yàn)镹E向，恩黔斷裂構(gòu)成了本區(qū)的構(gòu)造格架。恩黔斷裂位于恩施盆地西側(cè)，恩黔斷裂-桃子溪斷裂，走向NNE，略呈近直線型展布，傾向南東-北西。桃子溪隧道區(qū)位于恩黔斷裂西翼，斷裂距隧道距離較遠(yuǎn)，對(duì)隧道無(wú)大的影響。隧道洞身主要穿越志留系羅惹坪組(S2lr)、龍馬溪組(S1ln)砂質(zhì)頁(yè)巖，地層分布較穩(wěn)定，地層總體呈單斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀200°～265°3°～11°，產(chǎn)狀穩(wěn)定，圍巖級(jí)別主要為Ⅳ、Ⅴ級(jí)。隧址區(qū)地質(zhì)條件如圖1所示。

圖1 左隧道地質(zhì)縱斷面圖

3 砂質(zhì)頁(yè)巖的應(yīng)力應(yīng)變損傷演化過(guò)程

在隧道里程K80+050拱頂以上3 m采取原狀砂質(zhì)頁(yè)巖進(jìn)行室內(nèi)三軸試驗(yàn)，試驗(yàn)圍壓為14 MPa，獲取巖樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線，基于能量釋放、耗散原理[10]，得到砂質(zhì)頁(yè)巖的應(yīng)力應(yīng)變損傷演化過(guò)程曲線如圖2、圖3所示。圖中彈性應(yīng)變能We、破裂耗散能Wd以及總能量W的定義如下[11-12]:

圖2 砂質(zhì)頁(yè)巖彈性應(yīng)變能與耗散能的演變曲線

圖3 砂質(zhì)頁(yè)巖能量損傷演化因子變化曲線

式中，σi、εi、分別為主應(yīng)力、主應(yīng)變以及彈性應(yīng)變；We為彈性應(yīng)變能；Dde為能量損傷演化因子。

從圖2中可以看出，從砂質(zhì)頁(yè)巖的應(yīng)力應(yīng)變曲線以及能量曲線均可以看出其受力和應(yīng)變的演變過(guò)程，彈性應(yīng)變能和耗散能均表現(xiàn)為“S”形曲線，并大致可以分為4個(gè)階段。在第Ⅰ階段(初始?jí)好茈A段)，砂質(zhì)頁(yè)巖受荷載后將大部分的能量進(jìn)行吸收，巖石變形以彈性變形為主，內(nèi)部節(jié)理裂隙面被逐漸壓密，消耗了彈性應(yīng)變能，同時(shí)表現(xiàn)為耗散能的增加，在應(yīng)力大于σa點(diǎn)后，進(jìn)入能量硬化階段；在第Ⅱ階段(能量硬化階段)，這個(gè)階段的巖石吸收了大量的能量進(jìn)行存儲(chǔ)，使得彈性應(yīng)變能趨于增加，同時(shí)耗散能相應(yīng)減小，在應(yīng)力大于σb點(diǎn)后，進(jìn)入能量軟化階段；在第Ⅲ階段(能量軟化階段)，巖石內(nèi)部的裂縫加速擴(kuò)展，導(dǎo)致相對(duì)位移產(chǎn)生，彈性應(yīng)變能得到釋放并轉(zhuǎn)化為耗散能，表現(xiàn)為耗散能的非線性增加，在應(yīng)力大于σc點(diǎn)后，進(jìn)入破壞階段；在第Ⅳ階段(破壞階段)，在宏觀上巖石出現(xiàn)明顯不可逆變形，彈性應(yīng)變能被大量釋放，轉(zhuǎn)化為耗散能促使巖體內(nèi)部裂紋的加速擴(kuò)展，巖樣被剪切破壞。

從圖3中可以看出，砂質(zhì)頁(yè)巖的應(yīng)力應(yīng)變損傷演變過(guò)程具有明顯的規(guī)律性。在第Ⅰ、Ⅱ階段，砂質(zhì)頁(yè)巖的能量損傷指標(biāo)較小，損傷速率較緩慢；進(jìn)入第Ⅲ階段后，砂質(zhì)頁(yè)巖不斷軟化，損傷速率呈非線性增加。因此在隧道施工過(guò)程中，應(yīng)采取合理的措施延緩砂質(zhì)頁(yè)巖進(jìn)入第Ⅲ階段(能量軟化)的時(shí)間，以防止圍巖的加速變形。

4 砂質(zhì)頁(yè)巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力與圍巖變形

4.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化

為了研究支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載機(jī)理，在隧道的不同部位布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)控鋼拱架以及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化情況。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置位置分別為拱頂、左右拱肩和左右拱腰，監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)為200 d。

圖4～圖6為不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置鋼拱架內(nèi)外側(cè)的應(yīng)力變化情況。由于砂質(zhì)頁(yè)巖存在明顯的蠕變特性、各向異性以及巖層的產(chǎn)狀分布影響，在鋼拱架承受荷載后，不同位置的應(yīng)力變化并非同步的，在空間分布和時(shí)間分布上具有時(shí)效性；從時(shí)間分布來(lái)看，不同部位的鋼拱架在受力初期，應(yīng)力曲線表現(xiàn)為短時(shí)間內(nèi)呈近線性增加，隨后進(jìn)入應(yīng)力的不斷調(diào)整階段，應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定，拱腰和拱肩位置的應(yīng)力穩(wěn)定時(shí)間約為20 d，而拱頂位置的應(yīng)力穩(wěn)定時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，約為30 d；從空間分布來(lái)看，鋼拱架的應(yīng)力并非對(duì)稱分布的，總體而言隧道右側(cè)大于左側(cè)，兩側(cè)拱腰、兩側(cè)拱肩的應(yīng)力不同，鋼拱架內(nèi)外兩側(cè)的應(yīng)力變化也不同，各部位拱架外側(cè)應(yīng)力大于內(nèi)側(cè)應(yīng)力，鋼拱架最大應(yīng)力發(fā)生在拱頂部位，大小為156 MPa，其次為右拱肩和右拱腰位置，最大應(yīng)力分別為140 MPa、118 MPa。

圖4 拱頂位置鋼拱架內(nèi)外側(cè)應(yīng)力變化曲線

圖5 左、右拱肩鋼拱架內(nèi)外側(cè)應(yīng)力變化曲線

圖6 左、右拱腰鋼拱架內(nèi)外側(cè)應(yīng)力變化曲線

圖7為不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置初期支護(hù)與圍巖的接觸應(yīng)力變化情況。從圖中可以看出，初期支護(hù)與圍巖的接觸應(yīng)力變化規(guī)律與鋼拱架的變化規(guī)律類似，整體上應(yīng)力分布表現(xiàn)左右不對(duì)稱，隧道右側(cè)大于左側(cè)。拱頂接觸應(yīng)力最大，拱肩接觸應(yīng)力次之，拱腰接觸應(yīng)力最小，同時(shí)拱頂位置接觸應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間大于拱腰和拱肩位置。因此在隧道施工過(guò)程中，應(yīng)注意拱頂位置的支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)，并采取合理的加強(qiáng)措施。

圖7 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置初期支護(hù)與圍巖的接觸應(yīng)力變化曲線

圖8為不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置二次襯砌安全系數(shù)隨時(shí)間的變化情況。從圖中可以看出，由于砂質(zhì)頁(yè)巖的力學(xué)強(qiáng)度低，受開挖擾動(dòng)后自承能力差，盡管施作了初期支護(hù)和鋼拱架支護(hù)，圍巖的壓力依舊不斷向二次襯砌傳遞，導(dǎo)致隧道不同位置處二次襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)在20 d內(nèi)下降迅速，在20～80 d內(nèi)進(jìn)入緩慢下降階段，大于80 d后，安全系數(shù)基本穩(wěn)定，安全系數(shù)的穩(wěn)定范圍為3.9～7.8。由此表明，砂質(zhì)頁(yè)巖等軟巖的力學(xué)行為具有收斂時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，可以采取加厚二次襯砌結(jié)構(gòu)措施以應(yīng)對(duì)長(zhǎng)期的運(yùn)營(yíng)安全。

圖8 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置二次襯砌安全系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線

4.2 隧道圍巖變形

圖9為不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置二次襯砌安全系數(shù)隨時(shí)間的變化情況。從圖中可以看出，砂質(zhì)頁(yè)巖的變形在空間分布上整體呈現(xiàn)為不對(duì)稱變形，表現(xiàn)為拱頂部位變形最大，拱肩部位次之，拱腰部位最小，且右側(cè)變形大于左側(cè)，這些規(guī)律與支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的受力一致；在時(shí)間分布上，圍巖變形的收斂與支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的受力收斂時(shí)間并不一致，前者的收斂時(shí)間相對(duì)更長(zhǎng)，由此表明在砂質(zhì)頁(yè)巖隧道施工中，圍巖變形的監(jiān)測(cè)更為重要。

圖9 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置圍巖變形曲線

5 結(jié)論

以桃子溪隧道工程為研究背景，采用室內(nèi)三軸試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)手段分析砂質(zhì)頁(yè)巖的變形時(shí)空特征以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化過(guò)程，得出以下幾個(gè)結(jié)論:

(1)砂質(zhì)頁(yè)巖的能量曲線表明，其彈性應(yīng)變能曲線和耗散能曲線均表現(xiàn)為“S”形，大致可以分為4個(gè)階段，在第Ⅲ階段后，砂質(zhì)頁(yè)巖的能量損傷演化因子呈非線性增加，加劇了圍巖的變形進(jìn)程。

(2)由于砂質(zhì)頁(yè)巖存在明顯的蠕變特性、各向異性以及巖層的產(chǎn)狀分布影響，鋼拱架受力、初期支護(hù)的接觸應(yīng)力在空間分布上呈現(xiàn)非對(duì)稱性，收斂時(shí)間也不相同。

(3)在空間分布上，砂質(zhì)頁(yè)巖的變形整體呈現(xiàn)為不對(duì)稱變形，表現(xiàn)為拱頂部位變形最大，拱肩部位次之，拱腰部位最小，且右側(cè)變形大于左側(cè)，這些規(guī)律與支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的受力一致；在時(shí)間分布上，圍巖變形的收斂與支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的受力收斂時(shí)間并不一致，前者的收斂時(shí)間相對(duì)更長(zhǎng)。