高地應力富水區(qū)千枚巖隧道變形控制

馬殷軍

（中國鐵路蘭州局集團有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

近年來，隨著“一帶一路”倡議對鐵路建設的需求，鐵路網(wǎng)絡逐漸向西輻射，我國鐵路隧道工程建設重心逐步轉移至工程地質(zhì)條件復雜的西部地區(qū)。我國西部地區(qū)地質(zhì)災害頻發(fā)，許多隧道存在地應力高、圍巖軟弱、節(jié)理裂隙發(fā)育等問題，隧道工程建設難度極大［1-4］。其中，高地應力作用下的軟弱圍巖隧道建設問題較嚴重，由于隧道埋深大、節(jié)理發(fā)育、地下水豐富，導致出現(xiàn)圍巖變形、支護結構破壞、邊坡滑塌等事故，嚴重影響工程進度［5-8］。

針對上述問題，眾多學者進行了大量有意義的研究工作。張闖等［9］通過巴西劈裂試驗，得到在地下水、層理與孔洞耦合作用下，千枚巖的力學特征與破壞形式；蔡國軍等［10］通過不同浸水環(huán)境中的巖石直剪試驗，分析千枚巖的破裂形式，總結了水化作用對千枚巖力學特性的影響；牛雪凱等［11］以茂縣千枚巖隧道穿越富水地層為背景，以減小施工中圍巖擾動、加強襯砌支護為目標，對施工工法、爆破設計等研究提出完整的可行性方案；周藝等［12］依托某千枚巖隧道，通過反演并結合數(shù)值分析和現(xiàn)場監(jiān)測，得到地下水對千枚巖影響的安全性評價；史振宇［13］以包家山富水區(qū)千枚巖隧道施工為背景，從整體施工方案等方面介紹富水區(qū)千枚巖隧道施工方法。

在上述研究中，對于高地應力富水區(qū)千枚巖隧道開挖施工和變形控制的研究還不完善，對于千枚巖軟化后的變形特性、隧道襯砌結構力學行為影響均未給出具體說明。因此，以尖山隧道破碎千枚巖隧道高地應力富水區(qū)為背景，通過數(shù)值分析對不同地應力、不同水壓作用下的隧道受力和變形進行研究，結合現(xiàn)場監(jiān)測提出變形控制措施，并總結其施工方案與支護方式。

1 工程背景

銀蘭高速鐵路尖山隧道位于甘肅省白銀市平川區(qū)，穿越水泉尖山山脈，相對高差較大，為雙線隧道，起訖里程DK109+780—DK115+750，全長5.97 km，洞身穿越7條斷層，最大埋深約519 m（DK112+780），V級圍巖處斷面寬14.38 m、高12.24 m。

隧道位于水泉尖山中山區(qū)，所在位置為溫帶大陸性氣候，降水分布不均勻。雨季時，地下水位升高，對工程影響較大。在弱富水區(qū)，預測單位長度最大涌水量Qmax=0.7 m3/（d·m）；在中富水區(qū)，預測單位長度最大涌水量Qmax=1.4 m3/（d·m），隧道發(fā)生涌水突泥概率很大。

在DK112+360—DK113+230，隧道埋深較大、地應力高、地下水豐富。在施工過程中，該路段出現(xiàn)數(shù)次大量涌水，沖破圍巖，使千枚巖遇水軟化且長期處于水流浸泡中，產(chǎn)生泥化，造成大范圍塌方，部分隧道出現(xiàn)空腔、鋼拱架變形等問題（見圖1）。

圖1 施工現(xiàn)場存在的問題

2 隧道滑塌影響因素數(shù)值分析

2.1 計算模型與參數(shù)

采用FLAC3D有限差分軟件，對尖山隧道不同工況進行開挖和支護模擬。建立隧道數(shù)值模型，大小取值為：左右邊界取至距離隧道中線50 m，上邊界取至距離隧道起拱線以上55 m，下邊界取至距離隧道起拱線以下45 m，模型沿隧道軸向拉伸80 m，即模型在X、Y、Z方向分別為100、80、100 m（見圖2）。

圖2 尖山隧道數(shù)值模型

根據(jù)TB 1003—2016《鐵路隧道設計規(guī)范》和隧道地勘報告，隧道圍巖與支護結構力學參數(shù)見表1。

表1 隧道圍巖與支護結構力學參數(shù)

2.2 地應力影響

在隧道現(xiàn)場通過水壓致裂法測量地應力，當埋深320 m時，最大水平主應力δm為10.89 MPa；當埋深430 m時，δm為12.40 MPa。根據(jù)室內(nèi)試驗測試結果，千枚巖單軸飽和抗壓強度Rc為45.26 MPa，根據(jù)GB 50218—2014《工程巖體分級標準》：當Rc/δm＜4時，δm為極高地應力；當4＜Rc/δm＜7時，δm為高地應力。通過計算可知，當埋深320 m時，為高地應力；當埋深430 m時，為極高地應力。

為研究不同地應力作用下隧道的受力、變形影響，將埋深分別設為150、300、450 m，通過三維數(shù)值分析，得到不同埋深的隧道變形云圖（見圖3）和隧道變形值（見表2）。

由表2、圖3可知，在不同地應力作用下，隧道變形總體趨勢為：隨著地應力增大，隧道拱頂沉降、拱底隆起、水平收斂均有所增大；縱向變形變化幅度96.07%~104.24%，水平變形變化幅度160.54%~101.04%。由表可知，隧道處于高地應力狀態(tài)時，水平變形增長迅速，隨著埋深增大，水平變形逐漸超過縱向變形。

表2 不同埋深隧道變形值 mm

圖3 不同埋深隧道變形云圖

2.3 地下水影響

為研究地下水對隧道擠壓性大變形的影響，以基本工況為計算模型，將孔隙水壓力分別設為0、0.10、0.25、0.50 MPa，其他影響因素不變。通過三維數(shù)值分析，可得孔隙水壓力分布云圖（見圖4）和圍巖變形與孔隙水壓力的關系（見圖5）。

圖4 不同孔隙水壓力分布云圖

圖5 圍巖變形與孔隙水壓力的關系

由圖可知，隨著孔隙水壓力增大，圍巖變形呈增長趨勢。當孔隙水壓力為0~0.10 MPa、0.10~0.25 MPa時，圍巖變形較緩慢；當孔隙水壓力為0.25~0.50 MPa時，圍巖變形增加較快；當孔隙水壓力為0.50 MPa時，圍巖變形達到最大值。在不同孔隙水壓力作用下，拱肩處水平收斂均為最小值，上臺階水平收斂、拱頂沉降均為最大值，特別在孔隙水壓力為0.25~0.50 MPa時，圍巖變形增加迅速，要注意對拱頂和上部臺階進行加固保護。

3 隧道大變形控制

3.1 開挖工法

在高地應力富水區(qū)進行千枚巖隧道施工時，如果開挖不合理，極易引起隧道變形坍塌，導致隧道襯砌大裂縫、漏水等危害。因此，選取合理的開挖方法對于隧道的安全施工非常重要。

在研究模型尺寸與圍巖、支護參數(shù)基礎上，分別采用二臺階法、二臺階+預留核心土法、三臺階法3種施工方法進行模擬，對比不同工法下的圍巖變形情況，對各個施工方法進行合理評價。工況設置如下：二臺階法上臺階高6.5 m、下臺階高4.0 m，長度均為4.0 m；三臺階法上臺階高4.0 m，中、下臺階高3.5 m，長度為4.0 m。不同施工方法的細部模型見圖6。

圖6 不同施工方法細部模型

開挖完成后，拱頂沉降、拱肩水平收斂在斷面Y=40 m處的變形值對比見圖7。

圖7 拱頂沉降、拱肩水平收斂對比

由圖可知，相對于二臺階法，二臺階+預留核心土法、三臺階法的拱頂沉降分別降低23.06%、29.09%；拱肩水平收斂分別降低25.39%、32.10%。因此，二臺階+預留核心土法、三臺階法對于隧道的變形控制作用優(yōu)于二臺階法，考慮施工進度、難度，建議采用二臺階+預留核心土法。

3.2 注漿加固圈厚度

隧道圍巖與支護結構力學參數(shù)仍見表1，采用不同厚度加固圈的圍巖塑性區(qū)分布與最大變形值見表3。采用注漿加固圈可提高隧道圍巖結構的穩(wěn)定性。分別建立注漿加固圈厚度2、3、4 m的水平與縱向變形模型，其圍巖變形云圖見圖8。

表3 不同注漿加固圈厚度的圍巖塑性區(qū)分布與最大變形值

由表3、圖8可知：當隧道未采用加固措施時，塑性區(qū)廣泛分布，且逐一貫通成完整區(qū)域，圍巖水平變形與縱向變形較大，可認為已出現(xiàn)塌方；隨著注漿加固圈的采用，圍巖變形收斂，塑性區(qū)面積減小，僅出現(xiàn)在仰拱底、拱肩；隨著注漿加固圈厚度增加，塑性區(qū)面積進一步減??；注漿加固圈厚度增至4 m時，注漿效果趨于穩(wěn)定。因此，注漿加固對控制圍巖變形有明顯效果，隨著注漿加固圈厚度增大，圍巖最大水平、縱向變形均減小。綜上所述，注漿加固可改善圍巖自身穩(wěn)定性、提高圍巖承載能力、控制變形與塑性區(qū)發(fā)展。當注漿加固圈厚度達3 m時，其效果有所減緩，建議采用厚度3 m的注漿加固圈；當隧道圍巖縱向變形很大時，采用厚度4 m的注漿加固圈。

3.3 二次襯砌支護時機

高地應力富水區(qū)千枚巖隧道圍巖較松散、自承力相對較低，隧道開挖后，圍巖變形較明顯，受力不斷變化。選擇合理的支護時機，可改善圍巖的自承力、提高支護結構的調(diào)節(jié)能力。

在采用二臺階+預留核心土法、厚度3 m注漿加固圈的情況下，通過數(shù)值模擬，對不同二次襯砌支護時機λ（隧道變形達到極限位移70%、80%、90%）的隧道結構各關鍵部位變形進行分析（見表4），選擇最佳的二次襯砌支護時機。

表4 隧道結構關鍵部位變形值 mm

由表可知，隧道關鍵部位變形值隨λ增大而增大。當λ從70%增至80%時，增幅14.57%~21.47%；當λ從80%增至90%時，增幅7.79%~11.12%。其中，右拱肩收斂增幅最大，其次為左拱肩收斂，拱頂沉降增幅最小。

高地應力富水區(qū)破碎千枚巖隧道變形大于其他常規(guī)隧道，且具有明顯的流變特性，隧道變形是評價圍巖穩(wěn)定性的一個重要指標。因此，當λ達到70%，隧道變形仍在變化，但變化較??；當λ達到90%，隧道變形趨于穩(wěn)定。在隧道變形達到極限位移的80%時，是較好的二次襯砌支護時機。

4 現(xiàn)場監(jiān)測對比

在DK112+360—DK113+230，采用二臺階+預留核心土法以及厚度4 m注漿加固圈進行施工，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)進行歸納分析?，F(xiàn)場監(jiān)測布置示意見圖9，隧道變形監(jiān)測結果見圖10。

圖9 現(xiàn)場監(jiān)測布置示意圖

圖10 隧道變形監(jiān)測結果

由圖10可知，現(xiàn)場的隧道變形監(jiān)測結果與數(shù)值分析規(guī)律大體一致，隧道縱向變形大于水平變形。同時，當采用二臺階+預留核心土法，隧道變形得到一定控制，實施注漿加固防水措施后，隧道變形問題得到較大改善，并趨于收斂。最終在高地應力富水區(qū)現(xiàn)場施工實現(xiàn)了月進尺80 m，超過預期目標。

5 結論

（1）千枚巖因其遇水軟化、自穩(wěn)性差的特性，在富水區(qū)隧道開挖中，極易出現(xiàn)塌方、大變形等現(xiàn)象。結合現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬，對于尖山隧道高地應力富水區(qū)千枚巖隧道段施工，建議預留變形量250~300 mm。

（2）高地應力和富水區(qū)水壓作用是千枚巖隧道大變形的主要成因，建議在隧道變形及圍巖塑性區(qū)分布密集部位加強支護，并保持施工的緊密連續(xù)性；另外，在地下水流量大的區(qū)段，考慮使用注漿加固圈，減少地下水壓對圍巖與襯砌的作用。

（3）不同的施工方法對千枚巖隧道變形有不同的影響。二臺階+預留核心土法、三臺階法對隧道變形的控制作用明顯優(yōu)于二臺階法；在富水區(qū)施工中，可采用全范圍注漿加固或薄弱部位注漿加固，防止水流下滲；二次襯砌的支護結構在不被破壞時，需要承擔部分變形和受力，當隧道變形達到極限位移的80%時，二次襯砌支護更加有利。