相山隧道圍巖變形風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及控制對(duì)策研究

張政

（中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司 合肥鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部，安徽合肥 230041）

0 引言

山區(qū)隧道修建常會(huì)受到基巖破碎、褶皺及斷層等不良地質(zhì)條件的影響，從而易造成圍巖強(qiáng)度降低及洞周應(yīng)力集中，進(jìn)而導(dǎo)致施工隧道產(chǎn)生變形并誘發(fā)失穩(wěn)破壞，既造成經(jīng)濟(jì)損失，也產(chǎn)生安全隱患。

針對(duì)隧道變形問題，丁秀麗[1]等依據(jù)國(guó)內(nèi)外工程案例，闡明多種因素對(duì)隧道變形的影響機(jī)理，并將所提出的判據(jù)及公式應(yīng)用于實(shí)際；郭新新[2]等從蠕變角度入手，分析考慮蠕變特性下的隧道變形特性；楊林霖[3]等對(duì)各支護(hù)參數(shù)施加敏感性展開分析，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工工序進(jìn)行改進(jìn)，達(dá)到控制隧道變形的目的；孫克國(guó)[4-6]等在傳統(tǒng)主動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，結(jié)合波紋板、鋼筋網(wǎng)等新型支護(hù)材料，構(gòu)建隧道整體支護(hù)體系，共同控制隧道變形。

上述研究為隧道變形控制提出了豐富的思路及方法。但現(xiàn)場(chǎng)施工往往受到多種因素的影響，因此應(yīng)基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，因地制宜地提出隧道控制方案。本文以安徽省相山隧道為工程背景，分析隧道開挖與圍巖變形之間的關(guān)系，通過FLAC3D數(shù)值模擬計(jì)算隧道變形情況，研究不同開挖方式對(duì)隧道變形的影響，并探究相應(yīng)支護(hù)體系對(duì)隧道變形的控制作用。

1 工程背景

相山隧道主體所在區(qū)域位于淮北市、宿州市蕭縣境內(nèi)的相山西北部，地貌為剝蝕低丘，山體呈北北東向分布，區(qū)內(nèi)地形稍有起伏，相對(duì)高差為30～144 m。山體主要由鹽酸巖夾碎巖屑組成，多為單斜地形。坡麓地帶的小型溶洞、溶溝（槽）、石芽等巖溶地貌發(fā)育。線路經(jīng)過區(qū)內(nèi)基巖露出地表，主要巖性為寒武系中薄層的白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖，呈北北東，東北向。

由超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果可知，相山隧道洞身穩(wěn)定性條件較差，沿線共涉及5 處斷層破碎帶、褶皺等，其圍巖級(jí)別統(tǒng)計(jì)如表1 所示。尤其該隧道進(jìn)口段（圖1）位于采石場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，受采石爆破影響，造成該部分巖體裂隙發(fā)育、基巖破碎，基本處于Ⅴ級(jí)圍巖范圍內(nèi)，若不采取強(qiáng)制措施，易導(dǎo)致進(jìn)口段隧道圍巖變形量增大，最終導(dǎo)致失穩(wěn)破壞。

圖1 隧道進(jìn)口位置示意圖

表1 相山隧道圍巖分級(jí)表

2 相山隧道圍巖變形風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

為探究高風(fēng)險(xiǎn)條件下相山隧道圍巖變形問題，使用FLAC3D有限元計(jì)算軟件，對(duì)相山隧道進(jìn)口里程DK5+080 ～DK5+110范圍內(nèi)共計(jì)30 m 長(zhǎng)隧道建立數(shù)值計(jì)算模型。如圖2 所示，模型尺寸為60 m×30 m×60 m（長(zhǎng)×寬×高），采用全斷面開挖，每次開挖進(jìn)尺為0.6 m，并在拱頂設(shè)置三個(gè)測(cè)點(diǎn)（圖3）對(duì)拱頂沉降展開監(jiān)測(cè)。

圖2 計(jì)算模型示意圖

圖3 數(shù)值模擬結(jié)果

巖體各項(xiàng)基本力學(xué)參數(shù)由現(xiàn)場(chǎng)取樣，并進(jìn)行室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)獲得。建模范圍內(nèi)巖體主要為緬狀含白云質(zhì)灰?guī)r，其各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)如表2 所示。

表2 巖體力學(xué)參數(shù)

圖3 所示為隧道沉降數(shù)值模擬結(jié)果，由圖3(a)可知，隧道開挖造成的圍巖變形主要來自于拱頂沉降和底鼓，達(dá)到平衡狀態(tài)后，拱頂總沉降量為663 mm，總底鼓量為451 mm。圖3(b)所示為隧道拱頂下沉曲線，頂板最大沉降位于拱頂中部位置，在開挖方向與巖體最大水平主應(yīng)力方向一致的情況下，拱頂左右兩側(cè)沉降量基本一致，且變化規(guī)律相似。在掌子面前5 m 范圍內(nèi)，拱頂開始產(chǎn)生沉降，在到達(dá)掌子面位置處時(shí)，三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量分別為66.13 mm、47.58 mm 及14.75 mm。當(dāng)經(jīng)過掌子面，在掌子面后0～10 m 范圍內(nèi)，拱頂沉降量開始急劇升高，當(dāng)?shù)竭_(dá)掌子面后10 m 位置處時(shí)，3 個(gè)測(cè)點(diǎn)的沉降量分別為376 mm、433 mm及562 mm。在掌子面后10～20 m 范圍內(nèi)，拱頂沉降速度開始緩慢降低，并在掌子面后20 m 范圍外趨于恒定。達(dá)到恒定狀態(tài)時(shí)，三測(cè)點(diǎn)的沉降量分別為663 mm、507 mm及489 mm。

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，由于隧道圍巖性質(zhì)較差，在開挖完成后會(huì)造成較大圍巖變形，存在變形失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。若不采取相應(yīng)手段進(jìn)行控制，將會(huì)誘發(fā)隧道整體失穩(wěn)破壞。

3 相山隧道變形控制對(duì)策研究

本文主要通過開挖方式改變及支護(hù)手段控制兩方面對(duì)相山隧道變形控制進(jìn)行分析。

3.1 開挖方式影響

在使用鉆爆法開挖過程中，使用二臺(tái)階或三臺(tái)階法能夠降低單次開挖對(duì)圍巖擾動(dòng)的影響。因此可通過在Ⅴ級(jí)圍巖所在區(qū)域使用二臺(tái)階及三臺(tái)階法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，構(gòu)建二臺(tái)階及三臺(tái)階模型，如圖4 所示。

圖4 臺(tái)階法開挖模型

臺(tái)階法模型尺寸、邊界條件及巖體物理力學(xué)參數(shù)等均與第3 節(jié)中類似。其中，二臺(tái)階法使用超短臺(tái)階法開挖，上臺(tái)階超前下臺(tái)階4.8 m交替開挖；三臺(tái)階法開挖時(shí)，中臺(tái)階滯后上臺(tái)階4.8 m，下臺(tái)階滯后中臺(tái)階7.2 m 開挖。分別整理臺(tái)階法開挖過程中拱頂沉降量與全段面法開挖的對(duì)比，得到對(duì)比圖（圖5）。

圖5 不同開挖方式拱頂沉降對(duì)比

由圖5 所示不同開挖方式下拱頂沉降對(duì)比可知，全段面法、二臺(tái)階法及三臺(tái)階法開挖過程中，拱頂最終沉降量分別為663 mm、647 mm 及632 mm，以全斷面法為基準(zhǔn)，使用二臺(tái)階法及三臺(tái)階法開挖，最終沉降量分別為全段面法開挖的98%、95%。說明開挖方式的改變能在一定程度上降低圍巖變形。尤其在V 級(jí)圍巖情況下，使用三臺(tái)階法配合臨時(shí)仰拱施工，能夠?qū)⒋髷嗝鎰澐殖勺陨隙碌? 個(gè)小單元開挖，縮小開挖面，同時(shí)臨時(shí)仰拱能將每個(gè)小單元及時(shí)封閉成環(huán)，形成環(huán)向受力，從而有效發(fā)揮初期支護(hù)整體受力效果，阻止結(jié)構(gòu)變形。

3.2 支護(hù)措施控制

基于3.1 節(jié)計(jì)算結(jié)果，針對(duì)相山隧道進(jìn)口處基巖破碎的實(shí)際情況，擬采用三臺(tái)階法進(jìn)行開挖，同時(shí)施加聯(lián)合支護(hù)措施，增強(qiáng)圍巖整體強(qiáng)度。其主要工序包括以下幾部分：

（1）掌子面開挖前，沿隧道縱向在拱部開挖輪廓線外向上方傾斜一定角度設(shè)置超前小導(dǎo)管，加固掌子面前方圍巖；

（2）掌子面開挖后，沿隧道臨空面支設(shè)鋼架及錨桿，并噴射混凝土將其覆裹在內(nèi)。由鋼架、錨桿及噴射混凝土等共同組成的支護(hù)體系，起到初期臨時(shí)支護(hù)的作用，同時(shí)又作為永久支護(hù)的一部分；

（3）隨初期支護(hù)完成，在圍巖變形趨于穩(wěn)定后，需要進(jìn)行第二次支護(hù)及封底，通過補(bǔ)噴射混凝土，封閉整個(gè)開挖面，起到提高安全度和增強(qiáng)支護(hù)體系整體強(qiáng)度的作用。

以上過程中應(yīng)用到的主要支護(hù)措施參數(shù)如表3 所示。

表3 主要支護(hù)措施參數(shù)

為驗(yàn)證表3 中各項(xiàng)支護(hù)措施是否能有效控制相山隧道圍巖變形，構(gòu)建圖6 所示支護(hù)狀態(tài)下數(shù)值計(jì)算模型。

圖6 數(shù)值計(jì)算模型

本節(jié)中隧道使用三臺(tái)階法開挖，模型尺寸、邊界條件及巖體物理力學(xué)參數(shù)等均與第3 節(jié)中類似。隧道內(nèi)部襯砌結(jié)構(gòu)在建模過程中提前建立，隨開挖賦予elastic本構(gòu)關(guān)系，通過改變參數(shù)大小，分別模擬不同等級(jí)混凝土襯砌，其中C25、C35 混凝土參數(shù)值如表4 所示。初期支護(hù)錨桿使用FLAC3D內(nèi)置cable（CABLE）結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬，并通過Fish 語言控制錨桿施加時(shí)機(jī)。鋼架則是使用liner 單元結(jié)構(gòu)沿隧道內(nèi)壁施加，與襯砌錨桿共同作用，限制隧道變形。

表4 噴射混凝土參數(shù)

如圖7 所示為支護(hù)力共同作用下隧道變形云圖及拱頂沉降曲線。相較于無支護(hù)開挖，圍巖整體變形量大幅降低，拱頂最大沉降量降低至36.6 mm，最大底鼓量降低至28 mm，符合施工隧道正常沉降量范圍。且隧道在掌子面后20 m 位置達(dá)到平衡，說明使用“三臺(tái)階法+聯(lián)合支護(hù)”的方式可有效控制隧道圍變形破壞發(fā)生，預(yù)防圍巖變形量過大而造成隧道的整體失穩(wěn)破壞。

圖7 聯(lián)合支護(hù)作用下隧道變形

4 結(jié)論

本文基于相山隧變形情況，采用理論分析、數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，得到如下結(jié)論：

（1）隧道變形受圍巖強(qiáng)度及內(nèi)部應(yīng)力影響，相山隧道在無支護(hù)極端情況下，拱頂最大下沉量為663 mm，最大底鼓量為451 mm，具有變形失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)；

（2）對(duì)比分析全斷面開挖、二臺(tái)階開挖及三臺(tái)階開挖情況下隧道變形可知，三臺(tái)階開挖能夠在一定程度上降低圍巖變形，且支護(hù)能夠及早閉合，增強(qiáng)抵抗變形能力；

（3）在使用“三臺(tái)階法+聯(lián)合支護(hù)”的控制手段下，拱頂最大沉降量降低至36.6 mm，表明該控制體系能有效控制圍巖變形。