軟弱圍巖隧道變形預(yù)測與初期支護(hù)技術(shù)研究

劉樺森

(中鐵十六局集團(tuán)第一工程有限公司,北京 110113)

1 軟弱圍巖的變形特征及屈服準(zhǔn)則分析

根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTG 3370.1-2018)中的圍巖分級方法[1],軟弱圍巖屬于V、VI級圍巖,對于大斷面隧道,也可能包含Ⅳ級圍巖。軟弱圍巖分級方法較多,目前尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)單軸抗壓強(qiáng)度,軟巖可分為較軟巖、軟巖和極軟巖三級;軟巖根據(jù)工程上的定義可分為高地應(yīng)力軟巖、節(jié)理化軟巖及復(fù)合型軟巖等。

1.1 軟弱圍巖變形特征

隧道工程開挖之前,圍巖的應(yīng)力是處于三向應(yīng)力平衡狀態(tài)的。在隧道開挖過程中,洞內(nèi)形成臨空面,圍巖也由三向受力變?yōu)槎蚴芰?為軟弱圍巖的變形創(chuàng)造了條件。此時,隧道圍巖應(yīng)力重新分布,原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破。在此過程中,軟弱圍巖的變形特征主要有[2]。

(1)變形量大

軟弱圍巖具有松、散、軟、弱等特點,變形模量小,抗變形能力差,在卸荷作用下會產(chǎn)生較大變形。由軟巖隧道變形統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知,洞壁位移可達(dá)幾十厘米。過大圍巖變形會引起初期支護(hù)破壞失穩(wěn),對工程建設(shè)安全性影響極大。

(2)變形持續(xù)時間長

某些軟巖圍巖隧道(如泥巖、頁巖、千枚巖等)施工后,圍巖會出現(xiàn)明顯的蠕變變形。即軟弱圍巖開挖后,變形隨時間不斷增加,使得作用在初級支護(hù)上的圍巖壓力也持續(xù)增加會不斷變化。軟弱圍巖的蠕變性能與其自身的抗剪強(qiáng)度參數(shù)密切相關(guān),粘聚力越大,內(nèi)摩擦角越小,圍巖蠕變變越長,反之亦然。

(3)變形速率快

在隧道施工期間,軟弱圍巖的變形很快,尤其是在開挖初期。軟弱圍巖變形速率也是直接受其抗剪強(qiáng)度參數(shù)和破碎程度影響。圍巖粘聚力越小、破碎程度越大,其開挖后的變形速率越快。

1.2 軟弱圍巖屈服準(zhǔn)則

(1)摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則

摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則是土力學(xué)的經(jīng)典強(qiáng)度理論,它認(rèn)為土體內(nèi)任意一點發(fā)生剪切破壞時,其破壞面上的剪應(yīng)力≥破壞面上法向應(yīng)力引起的摩阻力+土體抗剪強(qiáng)度。因此,當(dāng)隧道工程穿越類似土質(zhì)的軟弱圍巖時,也能用摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則進(jìn)行驗算。軟弱圍巖開挖后,圍巖要發(fā)生破壞,必須滿足以下屈服條件,見公式(1)[3]

(1)

式中:σθ為圍巖壓力,kPa;φ為圍巖內(nèi)摩擦角,(°);c為圍巖粘聚力,kPa;σr為斜截面上法向應(yīng)力,kPa。

(2)霍克-布朗屈服準(zhǔn)則

當(dāng)隧道工程穿越非土質(zhì)軟弱圍巖時可用霍克-布朗屈服準(zhǔn)則驗算其穩(wěn)定性,見公式(2)～公式(4)

σ1=σ3+σc[mbσ3/σ+s]a

(2)

mb=miexp[(GSI-100)/(28-14D)]

(3)

s=exp[(GSI-100)/(9-3D)]

(4)

式中:σ1、σ3為分別為最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力,kPa;mb、a、s為巖體計算參數(shù);σc為圍巖抗壓強(qiáng)度,kPa;mi為巖石完整性常數(shù);GSI為地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo);D為隧道施工擾動因子,取值可參考表1。

表1 軟弱圍巖擾動因子取值

2 軟弱圍巖的變形預(yù)測結(jié)果分析

綜上,軟弱圍巖變形量大、變形持續(xù)時間長、變形速率快等,不能在掌子面開挖后立即施工初期支護(hù),否則使得支護(hù)體系因承受的圍巖壓力過大而破壞,也不能等到圍巖不再變形的時候再進(jìn)行初期支護(hù),這樣會延誤施工工期,也是沒有必要的[4]。因此,應(yīng)結(jié)合隧道開挖后的位移監(jiān)測數(shù)據(jù),進(jìn)行預(yù)測圍巖變形。

2.1 工程概況

以隧道工程為研究對象,基于現(xiàn)有的圍巖變形數(shù)據(jù),對后期變形量進(jìn)行預(yù)測。該隧道長度600 m,起訖樁號為K10+100～K10+700,拱部為單心半圓,側(cè)墻為大半徑圓弧,最大埋深約125 m,地應(yīng)力水平較高。隧道施工期間(臺階法開挖)揭露的圍巖為中～強(qiáng)風(fēng)化白云巖夾灰?guī)r,節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖體完整性較差,掌子面裂隙水滲出。該隧道所處區(qū)域?qū)賮啛釒駶檯^(qū),多年平均氣溫17.5 ℃,雨水充足,年平均降雨量為10 288 mm,主要集中在6～10月份。同時,地震設(shè)防烈度為Ⅶ度,峰值加速度取0.1 g。

2.2 隧道變形預(yù)測

該軟弱圍巖隧道在拱頂和側(cè)墻均布置了變形和位移監(jiān)測點,目前共有20 d的監(jiān)測數(shù)據(jù)。本位取前20 d的拱頂變形測數(shù)據(jù),利用數(shù)理統(tǒng)計軟件Origin2022對監(jiān)測時間和拱頂變形的關(guān)系用多項式函數(shù)進(jìn)行擬合,相關(guān)系數(shù)接近1,精確度能夠滿足隧道工程建設(shè)需求。利用軟件擬合的函數(shù)關(guān)系,可以預(yù)測隧道開挖后不同時間的拱頂變形,為掌子面圍巖支護(hù)提供依據(jù)。軟弱圍巖隧道的變形擬合結(jié)果見圖1。

圖1 未支護(hù)隧道開挖后變形

由圖1擬合結(jié)果可知:未支護(hù)條件下,軟巖隧道的拱頂變形隨掌子面開挖時間的增加而增加,但增加速率并不是固定的,兩者之間基本滿足二次多項式函數(shù)。在隧道開挖初期(小于10 d),拱頂變形速率快,這也對前文變形特征進(jìn)行了驗證。根據(jù)拱頂變形的擬合公式,可以計算出隧道開挖后的第30 d,拱頂變形進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài),且累積的變形量已超過總變形量的90%。

3 軟弱圍巖與支護(hù)相互作用及初支方案模擬

3.1 軟弱圍巖與支護(hù)相互作用

隧道的軟弱圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成了隧道結(jié)構(gòu)體系,此時軟弱圍巖不僅是承載體,也是作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載。由于軟弱圍巖的變形會經(jīng)歷發(fā)生、發(fā)展、穩(wěn)定的過程,支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖間的相互作用也會經(jīng)歷發(fā)生、發(fā)展、穩(wěn)定的過程。也就是說,初期支護(hù)結(jié)構(gòu)并不是在掌子面開挖結(jié)束后立即對圍巖產(chǎn)生約束作用,而是需要圍巖產(chǎn)生一定的變形后才能發(fā)揮作用,直到圍巖-支護(hù)達(dá)到應(yīng)力平衡。圍巖支護(hù)時機(jī)不同、支護(hù)體系剛度不同,支護(hù)與圍巖達(dá)到平衡狀態(tài)時的應(yīng)力狀態(tài)也有差異。

根據(jù)相關(guān)研究成果[5]:在支護(hù)時間相同的條件下,支護(hù)體系剛度越大,支護(hù)體系達(dá)到平衡狀態(tài)時所承受的圍巖壓力越大;在支護(hù)體系剛度相同的條件下,支護(hù)時間越早,支護(hù)體系達(dá)到平衡狀態(tài)時所承受的圍巖壓力越大。

3.2 初期支護(hù)措施及加固機(jī)理

(1)錨桿

錨桿由于施工簡單,作業(yè)面小,基本不會占用洞內(nèi)作業(yè)空間,在軟弱圍巖隧道中取得了較廣泛的應(yīng)用。錨桿能從軟弱圍巖內(nèi)部進(jìn)行補強(qiáng),不僅能夠提高軟弱巖體間的整體性,還能改善圍巖自身的力學(xué)性能。錨桿支護(hù)對軟弱圍巖的補強(qiáng)機(jī)理包括組合梁理論、懸吊理論、成拱理論等,但基本都是從以下兩個方面進(jìn)行解釋:一方面,錨桿打進(jìn)軟弱圍巖內(nèi)部,增加了圍巖彈性模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角等,使得圍巖在相同荷載作用下,抗變形能力更強(qiáng);另一方面,圍巖與錨桿間的相對變形會產(chǎn)生摩擦力,摩擦力張拉錨桿。根據(jù)牛頓第三定律,此時錨桿會與摩擦力大小相等,方向相反支反力,約束軟弱圍巖的變形。

(2)噴射混凝土

軟弱圍巖隧道開挖后及時噴射混凝土,能夠沿著巖體表面形成一定厚度的拱形噴層,在圍巖變形擠壓時能為其提供一個支反力,從而達(dá)到約束圍巖變形的目的。同時,噴射混凝土密封性好,可以緊貼在圍巖表面,形成一道隔水層,防止裂隙水、地下水等沿著圍巖滲出,避免巖層中粒徑較小的顆粒在滲流動水力的作用下流失,是有利于提高軟弱圍巖的穩(wěn)定性的。

(3)鋼拱架

軟弱圍巖性能差,隧道開挖后短時間內(nèi)會產(chǎn)生較大變形,錨桿與混凝土噴層無法提供足夠的支護(hù)力,宜用鋼拱架輔助支護(hù),從而維持圍穩(wěn)定。目前,隧道工程中常用的鋼拱架有格柵鋼拱架和型鋼拱架兩類,其中型鋼鋼拱架的剛度大,能承受的圍巖壓力大,但與混凝土噴層的粘結(jié)相對較差,容易出現(xiàn)空洞,且型鋼鋼拱架施工空間大,不便于施工操作;格柵鋼拱架剛度較低,承載能力較差,但與混凝土噴層的結(jié)合性好,且施工操作簡單。需注意,無論哪種形式的鋼拱架,都很少單獨使用,通常和錨噴支護(hù)聯(lián)合使用。

綜上可知,每種初期方式技術(shù)都有一定的優(yōu)勢和缺陷,如果只采用某一種方法對軟弱圍巖隧道進(jìn)行初期支護(hù),可能無法發(fā)揮約束軟巖變形的作用,導(dǎo)致隧道拱頂和側(cè)墻變現(xiàn)過大,給隧道工程的建設(shè)和運營帶來較大的安全隱患。因此,軟弱圍巖隧道一般是采用錨桿、鋼拱架、噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)的方案,有效維持圍巖穩(wěn)定性,以確保施工安全。如有必要,還應(yīng)該采取超前錨桿、管棚、超前小導(dǎo)管、圍巖預(yù)注漿等超前支護(hù)方案[6]。

3.3 初期支護(hù)效果模擬

項目采用“型鋼鋼拱架+錨噴支護(hù)”的初期支護(hù)方案對隧道進(jìn)行加固,為了驗證初期支護(hù)的效果,利用有限元軟件midas GTS建立平面模型,計算了初期支護(hù)前后的圍巖變形,計算參數(shù)見表2。

表2 初期支護(hù)計算參數(shù)

(1)有限元模型建立

為了提升計算效率和精確度,midas GTS計算時做了兩個假設(shè):①軟弱圍巖是均質(zhì)、各向同性、連續(xù)的彈塑性變形體;②圍巖變形滿足霍克-布朗屈服準(zhǔn)則,擾動因子取0。

根據(jù)圣維南定理,隧道洞身承受的圍巖荷載是有限范圍內(nèi)的。因此,軟弱圍巖隧道的有限元模型尺寸取100 m×100×30 m(高×寬×洞長),通過在隧道頂部施加等效荷載來模擬隧道埋深。圍巖使用實體solid單元模擬,錨桿、噴射混凝土和鋼拱架換算成支護(hù)力后用板單元模擬。隨后利用正六面體單元劃分網(wǎng)格,隧道洞身周圍的巖體網(wǎng)格適當(dāng)加密,尺寸取0.5 m,其它部位網(wǎng)格尺寸取2 m,共劃分出3 689個單元,3 977個節(jié)點,如圖2所示。

圖2 軟弱圍巖隧道有限元模型

(2)隧道變形計算結(jié)果

Midas GTS計算了初期支護(hù)施工30 d,軟弱圍巖隧道的拱頂變形量,也用Origin2022軟件對變形數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,具體計算結(jié)果見圖3。

圖3 隧道初期支護(hù)后變形

由圖3擬合結(jié)果可知:軟巖隧道在初期支護(hù)后,任意階段的拱頂變形均有了明顯的減小。未支護(hù)前的隧道拱頂變形最大值約158 mm,初期支護(hù)后隧道拱頂變形最大值約53.6 mm公,降低幅度約66.1%。在開挖時間達(dá)到20 d后,拱頂變形基本趨于穩(wěn)定,說明擬訂的初期支護(hù)方案效果較好,是合理可行的。

4 結(jié) 論

分析了軟弱圍巖的變形特征、屈服準(zhǔn)則、初期支護(hù)措施等,并依托隧道項目,探討了隧道初期支護(hù)前后的拱頂變形發(fā)展規(guī)律,主要得出以下結(jié)論:(1)軟弱圍巖隧道具有變形量大、變形持續(xù)時間長、變形速率快等特征,破壞時滿足摩爾-庫倫或霍克-布朗屈服準(zhǔn)則;(2)軟弱圍巖隧道的變形會經(jīng)歷發(fā)生、發(fā)展、穩(wěn)定階段,可結(jié)合隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù),預(yù)測圍巖后期變形;(3)軟弱圍巖隧道的初期支護(hù)措施主要有錨桿、鋼拱架、噴射混凝土等,但一般不單獨使用,聯(lián)合支護(hù)方案較多;(4)軟巖隧道在施工初期支護(hù)后,其拱頂變形有明顯的減小,且變形穩(wěn)定時間提前。