軟弱粉砂巖隧道開挖變形特征研究

覃鐘欽,楊庭偉,盧超波,姜洪亮

(1.廣西壯族自治區(qū)公路隧道安全預(yù)警工程研究中心,廣西 南寧 530007;2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室,廣西 南寧 530007;3.廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007;4.高等級公路建設(shè)與養(yǎng)護技術(shù)、材料及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心,廣西 南寧 530007)

0 引言

“十三五”期間,廣西公路通車總里程由2015年的11.8×104km提高至2020年的13.16×104km,增幅為11.5%?！笆奈濉逼陂g,廣西著力提升交通運輸對外開放水平,建成基本綜合立體交通網(wǎng),公路預(yù)期增幅為6.4%。在這龐大的交通里程中,公路隧道占比非常大。

開挖后初期變形量值大、速度快是軟弱圍巖隧道開挖變形的顯著特征[1-3]。如東西山隧道發(fā)生主支護大變形,襯砌開裂剝落[4];烏鞘嶺隧道由于圍巖大變形,圍巖坍塌[5]等。圍巖大變形易造成嚴重的人身安全和社會經(jīng)濟損失,準確預(yù)測和研究軟巖變形特征規(guī)律對指導(dǎo)隧道安全施工、減少人員傷亡具有重要意義。

本文以粉砂巖隧道的Ⅴ級淺埋圍巖段作為研究對象,通過現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)值分析,對開挖后的圍巖在空間上的影響范圍進行研究,得到軟弱粉砂巖隧道開挖后對隧道周邊圍巖的影響范圍及圍巖變形特性,以優(yōu)化現(xiàn)場施工、設(shè)計及監(jiān)測方案。

1 隧道開挖變形研究

由于淺埋段軟弱粉砂巖具有強風(fēng)化、易碎、吸水軟化等特性,隧道開挖后,開挖及已支護周邊圍巖易受到施工擾動,產(chǎn)生一定的影響區(qū),大致分為塑性區(qū)及彈性區(qū)。彈性區(qū)對隧道開挖影響較小,認為在該區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的巖體位移是可恢復(fù)的;塑性區(qū)范圍是研究軟巖隧道開挖后圍巖變形特征的重要影響參數(shù)。對于確定圍巖塑性區(qū)范圍的研究已有許多,比較常用的分析手段為小孔擴張理論,小孔擴張理論綜合考慮圍巖應(yīng)力、空隙水壓及位移變化,可以得到線性或非線性巖體隧道開挖變形的合理解答。

軟巖隧道開挖后,由于圍巖壓力釋放是一個過程,圍巖變形在開挖范圍內(nèi)呈現(xiàn)一定的分布特性。戴世偉等[6]建立基于N-K模型的致災(zāi)因素耦合模型,得到大變形事故致災(zāi)因素耦合影響性序列;陶永虎等[7]基于灰色理論對圍巖變形進行預(yù)測,驗證了灰色模型對軟巖大變形具有預(yù)測精度;韓常領(lǐng)等[8]從應(yīng)力釋放和塑性流變兩方面對軟巖隧道擠壓性大變形的機理進行了分析;于維剛[9]以九綿高速公路白馬隧道為背景,從概率統(tǒng)計角度對已有監(jiān)測預(yù)警數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,總結(jié)給出建議預(yù)警閾值。張標[10]基于Hoek-Brown屈服準則采用FLAC 3D軟件建立了三維隧道開挖模型,得到了修正的縱向變形曲線擬合公式,分析了不同巖質(zhì)條件下開挖區(qū)圍巖變形特征。本文采用圍巖縱向變形曲線(Longitudinal Deformation Profile,以下簡稱LDP曲線)結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)控量測結(jié)果綜合分析,得到圍巖隨著隧道開挖掘進時的變形分布規(guī)律。

2 圍巖縱向變形曲線

LDP曲線綜合考慮圍巖性質(zhì)、圍巖應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造等因素,直觀體現(xiàn)出隧道開挖過程中開挖面空間特性,反映圍巖變形及開挖后圍巖應(yīng)力釋放與開挖面之間的關(guān)聯(lián)性。LDP曲線可以更好地描述和預(yù)測開挖掘進的影響范圍和影響程度。Vlachopoulos提出的二維軸對稱分析模型考慮了最大塑性半徑對圍巖變形的顯著影響,對分析圍巖變形的空間分布特性具有良好的適用性,其表達式如下[11]:

(1)

(2)

C′=2C/D

(3)

xi=li/D

(4)

Umax——掌子面后方初期支護變形穩(wěn)定后的最大位移量(mm);

C——塑性區(qū)半徑(m);

D——隧道開挖洞徑(m);

li——距開挖面的距離(m);

xi——離掌子面的距離(m),xi<0即掌子面前方,xi>0為掌子面后方。

3 工程實例分析

3.1 項目概括

百灣隧道位于桂林市龍勝縣百灣村的山嶺中,地表水裂隙水發(fā)育,隧道全長1 355 m,隧道圍巖等級多為Ⅳ、Ⅴ級。隧址屬構(gòu)造侵蝕低山丘陵深切割地貌區(qū),隧道穿過低緩丘陵地區(qū),地形起伏大,地面標高367.9～725.5 m,地面相對高差約372.5 m。本文選?、跫墖鷰r段ZK7+460～ZK7+510為分析斷面,其圍巖為強風(fēng)化粉砂巖,薄層狀,整體破碎,開挖易掉塊、坍塌,開挖方式為預(yù)留核心土臺階法。依據(jù)室內(nèi)試驗成果結(jié)合物探情況及有關(guān)規(guī)范綜合確定圍巖特性及物理指標如表1所示。

表1 圍巖特性指標表

3.2 監(jiān)控量測結(jié)果分析

3.2.1 監(jiān)控量測方案

為標定軟弱粉砂巖圍巖開挖后的最終累計位移量,結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)條件,確定的監(jiān)測方案如下:根據(jù)地質(zhì)條件和工程特點,每10 m量測一個斷面,拱頂下沉和凈空收斂的測點布置在同一斷面上。采用徠卡全站儀TZ08型進行持續(xù)監(jiān)測,測量精度優(yōu)于0.5 mm。根據(jù)現(xiàn)場掌子面開挖的實際情況,圍巖變形監(jiān)測示意圖如圖1所示。

圖1 圍巖變形監(jiān)測示意圖

3.2.2 監(jiān)控量測結(jié)果分析

選取監(jiān)測段五個斷面的拱頂沉降情況作為分析重點,監(jiān)測結(jié)果如圖2所示。

圖2 拱頂沉降監(jiān)測結(jié)果圖

由上圖可以看出,當圍巖趨于穩(wěn)定時,最大沉降量Umax為32.0 mm,隨著隧道開挖掘進的進行,已開挖面的隧道周邊位移收斂會受到影響。約為0.5～1倍洞徑時,圖形斜率最大,開挖所造成的空間效應(yīng)的影響最大,大于2倍洞徑時趨于平緩,在超過2.1倍開挖洞徑時開挖的影響趨于零。

3.3 圍巖變形特征分析

結(jié)合國內(nèi)、外學(xué)者對軟巖開挖的塑性區(qū)的研究成果,圍巖塑性區(qū)比例C/D取1.5[12]。LDP曲線計算參數(shù)如表1所示。

表1 LDP曲線計算參數(shù)表

將計算參數(shù)代入式(1)可得圍巖縱向變形曲線如圖3所示。

圖3 圍巖開挖特征分析曲線圖

速調(diào)開挖后,短時間內(nèi)掌子面圍巖會釋放一部分位移,由圖3可知,開挖面處(xi=0)的位移釋放量為8.1 mm,占遠處已穩(wěn)定斷面總變形量的25.0%左右。隧道開挖縱向影響范圍大致為2.1倍開挖洞徑,在未開挖區(qū)域的影響范圍大致為開挖洞徑的2倍。

4 結(jié)語

研究表明,粉砂巖地區(qū)隧道Ⅴ級不良圍巖段開挖后,短時間內(nèi)圍巖會釋放掉約25%的位移量;開挖影響范圍大致為前后2倍開挖洞徑,同時考慮到臺階法的分步開挖會產(chǎn)生擾動,實際的開挖影響半徑應(yīng)大于2倍開挖洞徑。本文研究結(jié)果對在已有建筑物旁新修隧道或其他大型構(gòu)造物制定合理的監(jiān)測方案具有重要的參考意義,同時可為其他巖質(zhì)隧道開挖變形特征研究提供參考。