大斷面砂質(zhì)板巖隧道圍巖動態(tài)設計分析
——以道吾山特長隧道為例

袁楓斌, 陳文智, 何東芝

(北京建達道橋咨詢有限公司, 北京 100195)

20世紀90年代以來,我國公路隧道建設迎來快速發(fā)展期,隨著隧道里程在公路長度中所占比例越來越大,隧道的建設規(guī)模與結(jié)構(gòu)形式更是變得多種多樣。單車道隧道首次出現(xiàn)在歷史舞臺中,隨著時間的推移逐漸發(fā)展為雙車道隧道,之后不斷地向著三車道、四車道隧道進發(fā)。隨之而來的是山嶺隧道的開挖方法的改進,從最初始的傳統(tǒng)礦山法不斷優(yōu)化為新奧法及掘進機法(tunnel boring machine,TBM)。但是,目前現(xiàn)有的公路隧道規(guī)范及技術文件在施工開挖方法設計方面僅對雙車道隧道及三車道隧道做了明確規(guī)定及說明,而四車道超大斷面隧道施工開挖方法設計并未有規(guī)定。隧道施工開挖方法與隧址區(qū)圍巖設計有極其密切的聯(lián)系,因此,隧道圍巖動態(tài)設計尚需更加深入的研究總結(jié)。隧道工程屬于隱蔽性工程,在設計過程中按照相關規(guī)范要求,并在繼承初步勘察成果基礎下完成隧道的勘察工作,在此基礎上進行隧道工程設計。但對于目前公路隧道勘察設計手段,任何隧道都無法精準預測其圍巖等級,這是由地質(zhì)勘查不確定性所導致的。因此,針對隧道工程的圍巖動態(tài)設計十分有必要。針對隧道圍巖動態(tài)設計,國內(nèi)外學者已做了部分研究。馬超峰等[1]首先希望建立起數(shù)學模型Bieniawski模型,之后進一步指定影響圍巖分級的各個因素的影響權重;隨后針對圍巖動態(tài)分級影響因素進行打分,用字符RMD表示該評分,當然在評分過程中需要明確各因素的定性特征和定量指標,同時要針對各個影響因素指定相應的評分區(qū)間,最后進行圍巖動態(tài)分級研究。經(jīng)過一系列研究后發(fā)現(xiàn),用字符RMD表示的評分與[BQ]值變化規(guī)律相似,整體呈線性關系,并且采用該方法進行分級后的結(jié)果與BQ法有很好的貼合性。張輝[2]主要考慮隧道信息化施工原則,通過一系列試驗、數(shù)值模擬等綜合手段,著重分析了高速公路隧道的圍巖穩(wěn)定性,針對正處于施工過程中的高速公路隧道圍巖動態(tài)分級進行深入探討。王宇[3]在現(xiàn)場進行了較多的室外試驗,并結(jié)合室內(nèi)試驗的方法,深入研究了如何進行圍巖分級參數(shù)指標,以此方法進行圍巖動態(tài)分級。還有學者以勘察資料為基礎進行地質(zhì)情況分段,并結(jié)合物探手段探測成果指標以及物探偏移圖像為基礎,組成機器學習訓練樣本;然后,建立計算機深度學習訓練框架及訓練樣本,進而開始圍巖等級的預測,建立圍巖類別預測模型;最后,結(jié)合隧道新開挖段落圍巖情況逐漸地完善與改進已經(jīng)建立的模型。但目前的研究成果只揭示了圍巖動態(tài)分級的影響因素及指標參數(shù),并未建立起統(tǒng)一的隧道圍巖動態(tài)設計體系,從而使隧道工程設計存在安全性不足或者經(jīng)濟浪費的現(xiàn)象。

道吾山特長隧道為上、下行分離式六車道一級公路隧道。隧址圍巖巖體為強風化砂質(zhì)板巖、中風化砂質(zhì)板巖、微風化砂質(zhì)板巖、強風化花崗巖,中風化砂質(zhì)板巖為隧道洞身段圍巖的主要組成部分,砂質(zhì)板巖地層占隧道總長的90%,根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及鉆孔揭露巖體情況顯示,砂質(zhì)板巖巖質(zhì)較硬,巖體較完整。隧道緊急停車帶設計凈寬17.69 m,設計凈高11.16 m,扁平率為0.63,開挖斷面最大面積為163.55 m2,屬于低扁平率大斷面隧道。以道吾山特長隧道為依托工程,綜合隧道圍巖動態(tài)設計的各個影響因素,采用統(tǒng)計學公式,結(jié)合現(xiàn)場實際強度檢測試驗結(jié)果及現(xiàn)場掌子面圍巖實際情況,針對大斷面砂質(zhì)板巖隧道圍巖分級進行分析,提出切實可靠的圍巖動態(tài)分級指標,建立大斷面砂質(zhì)板巖隧道圍巖動態(tài)設計體系,期望達到圍巖動態(tài)設計的目的,使隧道設計更符合實際情況,更經(jīng)濟合理,進而使隧道工程價值功能最大化。

1 隧道圍巖動態(tài)設計影響因素

1.1 圍巖飽和抗壓強度

在整體結(jié)構(gòu)的巖體中,控制圍巖穩(wěn)定性的主要因素是巖石的力學性質(zhì),尤其是巖石的強度。一般來說,巖石強度越高坑道越穩(wěn)定。在圍巖分類中所說的巖石強度指標,都是指巖石的單軸飽和極限抗壓強度,因此,圍巖飽和抗壓強度從根本上影響圍巖等級。圍巖強度與圍巖等級呈正比例關系。跟隨隧道開挖,在現(xiàn)場進行飽和抗壓試驗。進口段ZK1+527～ZK1+877取樣6個,經(jīng)飽和抗壓試驗得圍巖飽和抗壓強度分別為45、37、67、35、66、79 MPa,標準值為39 MPa。出口段ZK5+507～ZK5+677取樣8個,經(jīng)飽和抗壓試驗得圍巖飽和抗壓強度分別為93、28、98、85、47、32、100、82 MPa,標準值為51 MPa。從這些試驗數(shù)據(jù)可知,道吾山隧道進出口圍巖飽和抗壓強度均大于30MPa,圍巖抗壓強度較高,均屬于硬質(zhì)巖范圍。

1.2 圍巖完整性

巖體的結(jié)構(gòu)特征是長時間地質(zhì)構(gòu)造運動的產(chǎn)物,是控制巖體破壞形態(tài)的關鍵。從穩(wěn)定性分類的角度來看,巖體的結(jié)構(gòu)特征可以簡單地用巖體的破碎程度或完整性來表示。在某種程度上它反映了巖體受地質(zhì)構(gòu)造作用嚴重的程度。實踐證明,圍巖的破碎程度對隧道的穩(wěn)定與否起主導作用,在相同巖性的條件下,巖體越破碎,坑道就越容易失穩(wěn)。因此,在近代圍巖分類法中,都將巖體的破碎或完整狀態(tài)作為分類的基本指標之一,因此,圍巖完整性性狀也直接影響圍巖等級劃分[4]。巖體完整性系數(shù)(Kv)可以表達圍巖完整性,因此針對不同的工程地質(zhì)巖組、段落,認真選擇十分具有代表性的開挖斷面,采用測試巖體彈性縱波速度,并在同一巖體中間取樣測定該段落巖石縱波速度的方法,計算Kv值,以此確定圍巖完整性。

選取進口段ZK1+527～ZK1+877及出口段ZK5+507～ZK5+677,采用物探法分別測定兩段巖體縱波波速為3 500 m/s、4 400 m/s,進而計算得到進口段巖體完整性系數(shù)(Kv)為0.60,出口段巖體完整性系數(shù)(Kv)為0.65。且采用三臺階拉中槽分步開挖時,開挖拱頂+中槽后,拱頂沉降及收斂均開始增加,且開挖前7天內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)變形變化速率較快,拱頂沉降與水平收斂變形值極為接近,均達到了6 mm。隨著后續(xù)的部分不斷開挖,以及初期支護的進一步加固隧道結(jié)構(gòu),拱頂沉降及水平收斂變化趨于穩(wěn)定,但是拱頂沉降累計變化值大于水平收斂累計值,兩者趨于穩(wěn)定時相差約1 mm,但是變形值均趨于穩(wěn)定。由此可見,進出口段圍巖完整性及穩(wěn)定性較好。

1.3 地下水

隧道施工建設過程中,地下水的影響是不可忽略的。首先地下水的滲漏,由于水是有張力的,受到水張力的影響,地下水逐漸向下滲漏,會影響隧址區(qū)圍巖情況,因此,地下水的狀態(tài)也很大程度地影響著圍巖等級的劃分,同時隧道穿越的山體的構(gòu)造、地層情況、巖石性質(zhì)等因素又進一步控制了地下水的類型及富水狀況。通過地質(zhì)學的研究,可以在分析地層巖性及含水孔隙類型的基礎上,針對地下水進行類型劃分,具體可劃分為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水、碳酸巖巖溶水。道吾山特長隧道隧址區(qū)范圍內(nèi)地下水以第四系松散堆積孔隙水、風化基巖裂隙水為主。道吾山特長隧道隨著現(xiàn)場掌子面開挖,發(fā)現(xiàn)地下水出水情況為潮濕或點滴狀出水,掌子面較干燥?，F(xiàn)場開挖的巖面出水情況如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場開挖斷面

1.4 主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀

軟弱結(jié)構(gòu)面在隧道施工中的力學特性變化也極其重要。眾所周知,巖體均有不同的地層產(chǎn)狀,而不同的產(chǎn)狀,對隧道結(jié)構(gòu)施工中的穩(wěn)定性影響也不同,比如巖層傾向為順層時,對隧道掌子面開挖穩(wěn)定性極其不利。因此,在圍巖動態(tài)設計過程中還需要考慮軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及其與隧道洞軸線的組合關系是如何影響圍巖等級的劃分問題。當現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的軟弱結(jié)構(gòu)面走向與隧道洞軸線夾角較小,就說明軟弱結(jié)構(gòu)面的傾角越小,進一步推導出圍巖巖體質(zhì)量指標越小,從而導致圍巖等級越低。道吾山特長隧道隨著現(xiàn)場掌子面開挖,圍巖不斷揭露,發(fā)現(xiàn)進出口段圍巖整體呈層理板狀構(gòu)造,軟弱夾層少,且產(chǎn)狀與洞軸線夾角較大[8-10]。

1.5 初始應力狀態(tài)

圍巖的初始應力狀態(tài)場是影響隧道圍巖的破壞、變形及穩(wěn)定性的最基本的作用力,當隧道開挖時,圍巖的初始應力狀態(tài)受外力影響發(fā)生變化,進行應力重分布,當巖石強度較高時,且在掌子面開挖過程中頻繁地伴有巖爆現(xiàn)象發(fā)生,洞壁巖體有剝離和掉塊現(xiàn)象,掌子面開挖后新生裂縫增多,說明圍巖整體初始地應力高,成洞性差,在圍巖動態(tài)設計中應著重考慮。道吾山特長隧道隨著現(xiàn)場掌子面開挖,圍巖不斷揭露,發(fā)現(xiàn)進出口段圍巖成洞性較好,開挖后無巖爆、掉塊現(xiàn)象發(fā)生。

2 隧道圍巖動態(tài)設計體系

綜合分析前文圍巖分級影響因素,采用隧道圍巖動態(tài)設計體系對依托工程道吾山特長隧道圍巖進行動態(tài)優(yōu)化設計,以此為依托,進一步驗證本文的隧道圍巖動態(tài)設計體系。

2.1 圍巖飽和抗壓強度修正標準值

測定圍巖飽和抗壓強度時,需要進行現(xiàn)場取樣。由于圓形試樣具有軸對稱性,試樣應力分布均勻,在室內(nèi)試驗時加工方便,因此規(guī)定直徑為50 mm+2 mm,高度為直徑2.0倍的圓柱形試樣作為標準試樣。采用該標準試樣進行室內(nèi)單軸飽和抗壓強度試驗,進而得到圍巖飽和抗壓強度值。

考慮到部分取樣試件若為立方體時,則需要進行圍巖飽和抗壓強度修正。依據(jù)《公路工程巖石試驗規(guī)程JTG E41—2018》中公式(1)進行換算[11]。

Re=8R/(7+2D/H)

(1)

式中:Re為抗壓強度換算值;R為立方體單軸飽和抗壓強度值;D、H均為立方體試件邊長。

基于取樣得到的圍巖單軸飽和抗壓強度數(shù)據(jù),計算出該試樣組數(shù)據(jù)平均值與標準差,采用試樣組數(shù)據(jù)標準差除以平均值得到試樣組數(shù)據(jù)變異系數(shù)δ。之后采用統(tǒng)計學公式,即式(2)計算出試樣組數(shù)據(jù)圍巖飽和抗壓強度修正標準值。

(2)

式中:γs為圍巖飽和抗壓強度修正標準值;n為試樣組單軸飽和抗壓強度值個數(shù);δ為試樣組數(shù)據(jù)變異系數(shù)。

2.2 巖質(zhì)圍巖基本質(zhì)量指標修正

基于前文分析,得到試樣組數(shù)據(jù)圍巖飽和抗壓強度標準值后,進行圍巖基本質(zhì)量指標BQ值的計算及其修正。

依據(jù)《公路隧道設計規(guī)范 JTG 3370.1—2018》中針對圍巖基本質(zhì)量指標BQ的計算規(guī)定,采用圍巖飽和抗壓強度修正標準值代入式(3)進行BQ計算[12-15]。

BQ=100+3γs+250Kv

(3)

式中:BQ為圍巖基本質(zhì)量指標;γs為圍巖飽和抗壓強度修正標準值;Kv為巖體完整性系數(shù)。

在進行了初步的巖體分級基礎上,還需要進一步認真考慮地下水、主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及初始應力狀態(tài)等修正因素對圍巖最終分級的影響,綜合考慮完上述因素影響后針對巖體基本質(zhì)量指標BQ值進行修正,得出巖體基本質(zhì)量指標修正值[BQ],[BQ]值依據(jù)《公路隧道設計規(guī)范 JTG 3370.1—2018》中公式(4)進行修正。

[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)

(4)

式中:[BQ]為圍巖基本質(zhì)量指標修正值;BQ為圍巖基本質(zhì)量指標;K1為地下水影響修正系數(shù);K2為主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù);K3為初始應力狀態(tài)影響修正系數(shù)。

2.3 隧道圍巖動態(tài)設計

結(jié)合前文修正后得到的[BQ],同時綜合考察巖體的定性、定量特征,最后進行最終綜合評判,確定圍巖詳細分級,從而建立起隧道圍巖動態(tài)設計體系。

以依托工程道吾山特長隧道圍巖分級為例,進一步驗證前文建立的隧道圍巖動態(tài)設計體系。

道吾山特長隧道左洞起訖里程樁號為ZK1+390～ZK6+052,長4 662 m,隧道右洞起訖里程樁號為YK1+390～YK6+056,長4 666 m。左右雙洞相加9 328 m。該隧道在設計階段中隧道圍巖分級狀況見表1。

結(jié)合現(xiàn)場情況,由于現(xiàn)場開挖過程中圍巖完整性較好,掌子面干燥,圍巖強度較高,超前地質(zhì)報告前方地質(zhì)情況也較好。隨著現(xiàn)場掌子面開挖,現(xiàn)場取樣進行室內(nèi)飽和抗壓試驗。進口段ZK1+527～ ZK1+877取樣6個,經(jīng)飽和抗壓試驗得圍巖飽和抗壓強度試樣組數(shù)據(jù)分別為45、37、67、35、66、79 MPa。出口段ZK5+507～ZK5+677取樣8個,經(jīng)飽和抗壓試驗得圍巖飽和抗壓強度試樣組數(shù)據(jù)分別為93、28、98、85、47、32、100、82 MPa。采用公式(2)分別計算得到進口段與出口段圍巖抗壓強度修正標準值為39 MPa、 51 MPa。之后依次采用式(3)、式(4),綜合考慮地下水、主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及初始應力狀態(tài)等修正因素的影響,得到[BQ]值之后,基于計算結(jié)果針對施工圖圍巖設計情況進行動態(tài)設計優(yōu)化,優(yōu)化結(jié)果如表2所示。

由表2可知,經(jīng)過前文建立的隧道圍巖動態(tài)設計體系優(yōu)化圍巖設計后,Ⅴ級圍巖減少1 400 m,Ⅳ級、Ⅲ級圍巖分別增加280 m、1 120 m,可節(jié)約造價約7 000萬元,經(jīng)濟效益明顯。

3 結(jié)論

圍巖動態(tài)設計體系影響參數(shù)包括圍巖飽和抗壓強度、完整性、地下水、軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及初始應力。

表1 隧道圍巖級別長度表

表2 隧道圍巖動態(tài)設計體系優(yōu)化成果

通過現(xiàn)場取樣得到的試樣組圍巖單軸飽和抗壓強度數(shù)據(jù),進一步計算出該試樣組數(shù)據(jù)平均值與標準差,采用試樣組數(shù)據(jù)標準差除以平均值得到試樣組數(shù)據(jù)變異系數(shù)。之后采用統(tǒng)計學公式,計算出試樣組數(shù)據(jù)圍巖飽和抗壓強度修正標準值。

基于圍巖飽和抗壓強度修正標準值,綜合分析前文圍巖分級影響因素的影響,修正BQ值,同時綜合考察巖體的定性、定量特征,最后進行最終綜合評判,確定圍巖詳細分級,從而建立起隧道圍巖動態(tài)設計體系。

基于本文建立的隧道圍巖動態(tài)設計體系,類似隧道工程可結(jié)合實際勘察成果,隧道建設過程中進一步優(yōu)化圍巖等級及支護措施,進而達到設計合理、經(jīng)濟效益明顯的目的。