緩傾層狀圍巖高鐵隧道施工變形特征及控制技術(shù)

張鵬ZHANG Peng

（中鐵十二局集團(tuán)第三工程有限公司，太原 030024）

0 引言

隨著我國“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略及“一帶一路”倡議的推進(jìn)，西部地區(qū)逐漸成為高速公路、鐵路建設(shè)的活躍區(qū)域[1]。我國西部地區(qū)的幅員遼闊，地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，層狀巖體工程建設(shè)也不斷的增多，由于軟弱節(jié)理面破裂導(dǎo)致的工程事故也日益凸顯[2]。

隧道工程中遇到的層狀巖體通常為緩傾巖層，巖層傾角通常在0～25°，根據(jù)巖體強(qiáng)度又可分為緩傾軟巖和緩傾硬巖。緩傾巖層對工程的主要危害包括拱部易掉塊、塌方，隧底易發(fā)生底鼓，而緩傾硬巖對工程的主要危害為施工中拱部易掉塊。針對層狀圍巖隧道的研究方法通常包括數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)及現(xiàn)場監(jiān)測。林崇德[3]通過數(shù)值模擬和相似模型試驗(yàn)，并與實(shí)踐相結(jié)合，對層狀圍巖巷道的破壞模式進(jìn)行了研究，得出層狀巖層在橫向壓力下發(fā)生了離層和彎曲破壞的結(jié)論。邵遠(yuǎn)揚(yáng)[4]針對層狀巖體隧道圍巖變形特征和機(jī)理，提出層狀巖體具有順層滑移、彎曲折斷、擠壓外鼓和楔形體破壞4 種典型破壞模式。資曉魚等[5]基于成蘭鐵路楊家坪隧道，建立宏觀層理分布模型，對層狀千枚巖隧道形變破壞規(guī)律與支護(hù)措施展開了相關(guān)研究。張力等[6]依托WYQ1000-Ⅰ型地下工程綜合試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)，對深部層狀圍巖巷道展開物理模型試驗(yàn)，研究了三種支護(hù)方式下巷道的變形破壞特征及圍巖的應(yīng)力演化規(guī)律。既有研究指出，層狀巖體中的隧道設(shè)計(jì)需要尤其關(guān)注施工擾動對節(jié)理面的影響，隧道開挖后拱頂位置最容易受到破壞，層狀圍巖的多樣性和復(fù)雜性使其在空間上的力學(xué)響應(yīng)具有很高的不確定性。

本文依托中鐵十二局集團(tuán)承建的渝昆高鐵格萊村隧道工程，針對隧道修建中遇到的緩傾巖層問題，展開有限元數(shù)值模擬分析和施工對策研究，對現(xiàn)場施工的展開具有指導(dǎo)意義。

1 工程概況

新建渝昆高鐵格萊村隧道位于昆明市尋甸回族彝族自治縣功山鎮(zhèn)，起訖里程DK597+035～DK600+676，全長3641m，最大埋深為178m，最小埋深8.5m，為設(shè)計(jì)速度350km/h 的雙線高速鐵路隧道，是全線的重點(diǎn)控制工程。經(jīng)現(xiàn)場增質(zhì)測繪和鉆探揭示，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，隧址范圍內(nèi)主要地層巖性為第四系全新統(tǒng)坡殘積層（Q4dl+el）粉質(zhì)黏土、細(xì)角礫土，下伏二疊系上統(tǒng)玄武巖組（P2β），二疊系下統(tǒng)茅口組（P1m）、棲霞組（P1q）石灰?guī)r。測區(qū)位處以沾益山字形構(gòu)造體系卡竹反射弧構(gòu)造帶，由一系列向北突出的弧形壓性沖斷層和褶曲組成，這個弧形構(gòu)造帶寬達(dá)20km。在區(qū)內(nèi)尚有新華夏構(gòu)造體系之車烏～照福鋪斷褶帶，由一系列北東向的壓性沖斷層和褶皺組成，并有張性斷裂與其垂直，扭斷裂與其斜交。

從地質(zhì)背景資料可以得知，格萊村隧道洞身部分穿越層狀圍巖，巖層走向普遍為0～25°緩傾，巖性多為砂巖、泥巖及灰?guī)r，故將針對其工程特點(diǎn)，利用有限元軟件建模，開展緩傾巖層隧道變形機(jī)理及控制對策研究。

2 有限元數(shù)值模型

2.1 模型建立

以格萊村隧道某斷面為研究對象，采用有限元軟件建立地層模型分析不同巖層條件下隧道裸洞開挖巖體的承載特征。隧道埋深為60m，跨度和高度分別為14.56m 及12.11m，斷面形狀為仰拱和三心圓。為消除邊界條件影響，考慮圣維南原理，模型邊界取3～5 倍洞徑，模型的縱向長度為1m，橫向長度為150m，隧底距離下邊界取60m。模型底部完全固定，前后左右邊界分別施加法向約束，保證土體在縱向方向有應(yīng)力而無位移，頂部為自由邊界。

為研究節(jié)理面對隧道開挖后破壞特征的影響，使用界面模型模擬在土體中嵌入不同角度的0 厚度界面單元作為土體節(jié)理面，節(jié)理面的間距為2m，如圖1 所示為不同節(jié)理面角度的土體模型。

圖1 不同巖體數(shù)值模型圖

圍巖力學(xué)行為采用莫爾-庫倫模型進(jìn)行模擬，節(jié)理面采用庫倫摩擦模型模擬，數(shù)值模型中的力學(xué)參數(shù)如表1 及表2 所示。采用混合網(wǎng)格生成器劃分網(wǎng)格。定義初始地應(yīng)力平衡階段和開挖施工兩個施工步驟，初始地應(yīng)力場的側(cè)壓力系數(shù)設(shè)置為0.4，并清零初始階段位移，采用鈍化隧道范圍內(nèi)的土體及節(jié)理面單元實(shí)現(xiàn)開挖模擬。

表1 圍巖參數(shù)

表2 節(jié)理面參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

分別獲取隧道開挖后不同巖體條件下的數(shù)值模擬結(jié)果，分析節(jié)理面的破壞特征。

2.2.1 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

提取隧道開挖后不同巖體條件下的洞周應(yīng)力分布云圖進(jìn)行對比分析。結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同圍巖Mises 應(yīng)力云圖

從Mises 應(yīng)力分布云圖可以看出，在均質(zhì)圍巖中，巖土體不存在節(jié)理面，因此Mises 應(yīng)力呈現(xiàn)對稱光滑分布，應(yīng)力集中主要發(fā)生在隧道邊墻位置。從節(jié)理巖體的計(jì)算結(jié)果可以看出，節(jié)理面的存在對應(yīng)力重分布起到了阻礙作用，應(yīng)力在穿越節(jié)理面時出現(xiàn)了非連續(xù)分布，應(yīng)力集中更加受限于層狀巖體內(nèi)。當(dāng)節(jié)理面角度為0°時，模型整體對稱，因此應(yīng)力呈左右對稱分布，且與均質(zhì)圍巖工況應(yīng)力分布較為接近，這是由于節(jié)理走向?yàn)?°時，節(jié)理面主要受到垂直方向壓縮應(yīng)力的影響，而拉伸和剪切應(yīng)力并不明顯。隨著節(jié)理走向的角度增大，邊墻位置的應(yīng)力集中出現(xiàn)偏移，不再呈左右對稱分布，當(dāng)節(jié)理面走向?yàn)?5°時，應(yīng)力更加向節(jié)理面走向下行的一側(cè)集中。因此，節(jié)理面對隧道施工穩(wěn)定性的影響不可忽略。

2.2.2 變形計(jì)算結(jié)果

提取不同圍巖條件下的總體位移分布云圖及洞周圍巖變形特征圖結(jié)果如圖3 所示，為了更加直觀的反應(yīng)變形特征，將洞周圍巖統(tǒng)一放大1500 倍。

圖3 總體位移云圖及洞周變形特征

從圖3 可以看出，節(jié)理面的存在對圍巖的變形有著明顯的影響，均質(zhì)圍巖工況時，洞周圍巖的位移分布情況較為均勻，在拱頂、仰拱及邊墻都存在著較大的變形。當(dāng)節(jié)理走向?yàn)?°時，洞周圍巖有明顯的仰拱隆起和拱頂沉降現(xiàn)象，仰拱和拱頂?shù)淖冃蚊黠@大于兩側(cè)邊墻。隨著節(jié)理走向的傾角增大，仰拱隆起和拱頂沉降的影響范圍逐漸減小，圍巖的變形逐漸呈現(xiàn)明顯的順層分布，圍巖的變形主要集中在節(jié)理下行的一側(cè)，當(dāng)節(jié)理走向?yàn)?5°時，可以明顯看出，較大的變形集中在仰拱和左側(cè)邊墻，符合變形順層分布的趨勢。

3 控制措施分析

由數(shù)值模擬分析可知，節(jié)理面的存在對隧道開挖的圍巖穩(wěn)定性有著不可忽略的影響。圍巖的變形總體趨勢與變形程度與節(jié)理面的走向有著直接關(guān)系，因此在設(shè)計(jì)和施工中，需要對緩傾層狀圍巖隧道進(jìn)行重點(diǎn)控制，尤其是隧道邊墻及仰拱部位。

3.1 設(shè)計(jì)原則

確保緩傾圍巖施工安全的措施通常包括加強(qiáng)鋼架和超前支護(hù)。

隧道圍巖緩傾地段加強(qiáng)設(shè)置鋼架的具體參數(shù)如表3所示，其余特殊地段鋼架設(shè)置按需加強(qiáng)。

表3 鋼架措施參數(shù)

超前支護(hù)一般設(shè)置在IV、V 級圍巖一般緩傾巖層。

對于緩傾巖層的仰拱隆起風(fēng)險(xiǎn)，可采取仰拱加深處理的措施，加深深度為45cm，具體參照相應(yīng)工點(diǎn)的設(shè)計(jì)圖紙。

在施工中，除了常規(guī)的監(jiān)控量測外，應(yīng)在緩傾軟巖隧底隆起地段設(shè)置專項(xiàng)監(jiān)測，重點(diǎn)關(guān)注仰拱的豎向位移。施工完成后，應(yīng)重點(diǎn)對存在仰拱隆起風(fēng)險(xiǎn)的段落進(jìn)行后續(xù)監(jiān)測，測點(diǎn)每25m 設(shè)置，監(jiān)測點(diǎn)的布置、監(jiān)測頻率應(yīng)嚴(yán)格參照施工圖紙，及時整理匯總并分析，如有異常應(yīng)及時分析原因，妥善解決。

3.2 施工注意事項(xiàng)

3.2.1 地質(zhì)預(yù)報(bào)及超前支護(hù)

施工中應(yīng)加強(qiáng)掌子面的地質(zhì)素描工作，及時了解前方巖體的節(jié)理產(chǎn)狀，識別掉塊風(fēng)險(xiǎn)。對于薄層和中厚層的緩傾巖層地段應(yīng)做及時的超前支護(hù)加強(qiáng)措施，超前支護(hù)的打設(shè)角度、長度及注漿參數(shù)應(yīng)嚴(yán)格參照設(shè)計(jì)參數(shù)。若拱部揭示較大的掉塊風(fēng)險(xiǎn)，必要時應(yīng)設(shè)置拱部超前支護(hù)。

3.2.2 施工穩(wěn)定性保障措施

盡量減小隧道開挖的圍巖擾動，保護(hù)圍巖的自承載能力，做好掌子面光面爆破，炮眼殘留率不宜小于80%，嚴(yán)格控制超欠挖，開挖后及時排查掉塊風(fēng)險(xiǎn)。

加強(qiáng)初期支護(hù)的工序質(zhì)量管理，掌子面開挖后及時施做初支噴砼，初噴封閉后及時架立處置鋼架，鋼架與噴砼緊貼密實(shí)，在鋼架的保護(hù)下施做系統(tǒng)錨桿。隧道拱部錨桿打設(shè)角度盡量垂直于節(jié)理面，必要時邊墻錨桿可調(diào)整至隧道拱部，加密拱部錨桿間距。

4 結(jié)語

針對渝昆高鐵格萊村隧道緩傾巖層地段的施工穩(wěn)定性控制難題，采用數(shù)值模擬的方法探究了緩傾圍巖隧道的變形特征，確定了不同角度下緩傾巖層隧道容易發(fā)生應(yīng)力集中及較大變形的區(qū)域。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，提出緩傾巖層隧道設(shè)計(jì)與施工的重點(diǎn)注意事項(xiàng)，包括拱墻及仰拱部位的加強(qiáng)支護(hù)和監(jiān)控量測，施工中超前支護(hù)施做以及施工穩(wěn)定性的控制要求，為類似的緩傾巖層隧道工程提供參考。