高地應(yīng)力斷層破碎帶隧道變形及受力特征研究*

馬藝虎,周容名,周春雨,張衛(wèi)衛(wèi),王小偉,郭炎偉

(1.河南省欒盧高速公路建設(shè)有限公司,河南 洛陽 471500; 2.長安大學(xué)公路學(xué)院,陜西 西安 710064; 3.河南省沿太行高速公路有限公司,河南 鄭州 450016; 4.河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司,河南 鄭州 451460)

0 引言

隨著我國在中西部地區(qū)高速公路建設(shè)的增多,不良地質(zhì)條件和不斷提升的建設(shè)標準要求對隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求也日益提高。由于斷層破碎帶處節(jié)理、裂隙發(fā)育,含水豐富,開挖時易出現(xiàn)隧道拱頂坍塌、涌水、突泥、隧道掌子面大面積塌方等施工災(zāi)害,因此對高地應(yīng)力斷層破碎帶圍巖的變形特征和機制研究具有重要的工程意義和實際價值。

為了解決高地應(yīng)力條件下隧道穿越斷層破碎帶施工困難問題,許多學(xué)者通過數(shù)值模擬技術(shù)結(jié)合現(xiàn)場試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)對隧道開挖支護進行了優(yōu)化設(shè)計,在克服高地應(yīng)力條件下隧道施工方面取得了豐富成果[1-4]。萬飛等[5]通過對關(guān)角隧道斷層破碎帶隧道襯砌受力和支護結(jié)構(gòu)變形進行現(xiàn)場監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)原方案的施工工序并不能滿足設(shè)計要求,并提出提高支護結(jié)構(gòu)剛度和環(huán)向注漿等方法進行加固,并用數(shù)值模擬驗證了其想法。陳曉祥等[6]提出“超前預(yù)注漿+錨網(wǎng)索”的支護方式控制斷層破碎帶變形,通過數(shù)值模擬與原設(shè)計方案相比塑性區(qū)面積顯著減小。劉志春等[7]對烏鞘嶺隧道斷層大變形段進行現(xiàn)場測試,深入分析了圍巖壓力對支護結(jié)構(gòu)影響。劉泉聲等[8]通過地表預(yù)注漿技術(shù)提高了巷道穿越斷層破碎帶能力,極大地提高了圍巖的自承能力。楊青瑩[9]通過數(shù)值模擬手段分別從斷層破碎帶厚度、傾角、水頭壓力的角度探究其對隧道孔壁位移的影響,結(jié)果表明圍巖最大位移分別與斷層破碎帶處的傾角、水頭壓力和厚度呈拋物線、線性和指數(shù)遞減關(guān)系。王道遠等[10]在新蓮隧道采用了剛性強支護、超前導(dǎo)洞+擴挖等方案進行現(xiàn)場試驗研究,發(fā)現(xiàn)“超前導(dǎo)洞+擴挖”方案可有效控制隧道變形。李鵬飛等[11]通過對軟巖隧道初支結(jié)構(gòu)受力和圍巖深部變形進行系統(tǒng)性監(jiān)測和分析,發(fā)現(xiàn)襯砌受力在空間上呈現(xiàn)“上部大,下部小”特點,合理設(shè)計初支和超前支護能有效控制大變形發(fā)展。丁振遠等[12]針對柿子園高地應(yīng)力隧道提出在隧道初支設(shè)計時可采用非對稱預(yù)留變形和布設(shè)錨桿方式控制隧道變形。李曉紅等[13]通過對共和隧道現(xiàn)場松動圈范圍的檢測,并將所得數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對比分析,發(fā)現(xiàn)二者松動圈范圍基本一致,且層狀圍巖破壞方向主要分布在與巖體層理垂直的方向上。張德華等[14]采用先柔后剛的支護方案,即先設(shè)立格柵拱架后采用鋼架套拱支護方式,能給予圍巖充分變形空間,且襯砌受力明顯小于傳統(tǒng)的剛性支護方式。

上述研究成果對控制高地應(yīng)力斷層破碎帶處隧道大變形提供了施工方案,但對高地應(yīng)力條件下圍巖的變形規(guī)律和支護結(jié)構(gòu)受力特征的研究還不夠豐富。本文以高速公路隧道穿越高地應(yīng)力石英巖構(gòu)造斷層破碎帶為工程依托,在隧道開挖后對斷層破碎帶處圍巖變形、鋼架應(yīng)力、圍巖-初支壓力進行了實時監(jiān)測。結(jié)合隧道區(qū)域的地應(yīng)力空間分布特征,圍巖節(jié)理發(fā)育情況,分析了斷層破碎帶處圍巖的變形及受力規(guī)律特征,并對斷層破碎帶的變形控制提出相應(yīng)的優(yōu)化支護設(shè)計方案。

1 工程概況

河南某高速公路隧道工程位于秦嶺東西復(fù)雜構(gòu)造帶南亞支的西段,隧道左起ZK52+627—ZK58+124,全長5 508m,右線里程K52+627—K58+124,全長5 497m,隧道凈寬10.25m,凈高5.0m,最大埋深395m,為分離式隧道。隧道洞身段存在2處斷層F1和F2,其地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 隧道地質(zhì)剖面

通過水壓致裂法檢測該隧道地應(yīng)力,試驗結(jié)果表明,工程區(qū)應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主,最大水平主應(yīng)力值范圍為9.09～12.53MPa,最小水平主應(yīng)力值范圍為7.04～8.41MPa,垂直應(yīng)力值范圍為7.08～8.76MPa。根據(jù)GB/T 50218—2014 《工程巖體分級標準》,研究區(qū)域?qū)儆诟叩貞?yīng)力區(qū)[15]。

2 現(xiàn)場觀測布置

隧道現(xiàn)場監(jiān)測布置如圖2所示,初支受力重點觀測圍巖壓力、噴射混凝土應(yīng)力及鋼拱架受力,其中每個斷面布置9個土壓力盒測量圍巖壓力,各布置7個混凝土應(yīng)變計和表面應(yīng)變計測量混凝土和鋼拱架應(yīng)力,其中表面應(yīng)變計每個測點安裝2個,數(shù)據(jù)均由手持式振弦采集儀采集,監(jiān)測頻率為1～3次/d, 直至數(shù)據(jù)未發(fā)現(xiàn)明顯變化為止(15d內(nèi))?，F(xiàn)場變形監(jiān)測內(nèi)容為拱頂沉降和周邊收斂,分別采用萊卡全站儀、反光片和JSS30A型數(shù)顯式收斂計進行測量。拱頂沉降共選取3個測點,從左到右依次為G1,G2,G3,其中G1與G3和隧道軸線夾角均為20°。周邊收斂觀測選取2條測線分別為BC,GC,隧道變形及初支受力現(xiàn)場布置如圖2b所示。

圖2 監(jiān)測斷面布設(shè)

3 監(jiān)測結(jié)果及分析

3.1 監(jiān)測斷面初支設(shè)計參數(shù)

監(jiān)測斷層破碎帶附近2個Ⅳ級圍巖斷面,分別為ZK53+830和ZK53+950,斷層破碎帶處4個Ⅴ級圍巖斷面,分別為ZK53+860,ZK53+880,ZK53+900,ZK53+920,其中Ⅳ級圍巖采用全斷面開挖法開挖,Ⅴ級圍巖采用上下臺階法開挖。通過對比斷層破碎帶及其影響區(qū)隧道變形和初支受力特征研究高地應(yīng)力斷層破碎帶隧道圍巖的變形和受力機理。臺階法開挖順序如圖3所示。具體施工步驟如下:①上臺階預(yù)留核心土開挖 上臺階開挖高度4.5m、寬度6m,進尺0.8m,核心土距拱頂2.0m,長3m;②下臺階交錯開挖支護 交錯開挖左、右部,開挖進尺0.8m,錯開長度約1.5m;③仰拱開挖及支護 仰拱開挖采用半幅施工,仰拱上側(cè)鋪設(shè)棧橋,仰拱開挖后立即噴射混凝土,盡快使初支閉合成環(huán)。

圖3 現(xiàn)場開挖示意(單位:m)

斷層破碎帶處采用φ42×4雙層超前小導(dǎo)管支護,初支噴射C25混凝土厚度為30cm,二次襯砌厚度為60cm,錨桿型號為φ25中空錨桿,長3.0m,錨桿布設(shè)間距100cm×60cm,鋼拱架為I20a,間距0.6m。

3.2 圍巖變形監(jiān)測

分別選取ZK53+830斷面和ZK53+860斷面進行觀測,分析斷層破碎帶及其影響區(qū)圍巖變形特征,其拱頂沉降和周邊收斂時程曲線如圖4所示,通過分析兩斷面的變形曲線可得出以下結(jié)論。

圖4 圍巖變形時程曲線

1)斷層破碎帶處圍巖變形量大,變形速率快。對于ZK53+860斷面,在初支完成前(0～8d)隧道變形處于急劇變化階段,G1,G2,G3 3測點平均沉降值為50.37mm,占總變形量的77%。而斷面ZK53+830在相同時間內(nèi)拱頂沉降均值為11.7mm,占總變形量的40.5%。該階段斷層處變形更劇烈,一方面是因為現(xiàn)場施工預(yù)留的鋼拱架和圍巖間空隙不足,另一方面隧道在開挖后由于初始應(yīng)力重分布和圍巖自穩(wěn)能力較差所致。在仰拱開挖前,下臺階BC測線收斂速率明顯大于上臺階GC測線收斂速率,平均每天收斂速率分別為6.3,4.5mm/d,明顯大于拱頂沉降速率。而對于ZK53+830斷面,在仰拱開挖前(0～15d),拱頂沉降和周邊收斂的均值為15.9,18.1mm,分別占總變形量的55%,51%。與ZK53+860斷面相比,其變形速率明顯減緩,斷層處圍巖水平向變形為非斷層處的3.92倍,這表明斷層處圍巖水平變形受到水平側(cè)向壓力和開挖方式的影響要比非斷層處圍巖更大。

2)斷層破碎帶圍巖變形位置較非斷層處圍巖更集中,變形位置集中在拱部和邊墻位置。對于ZK53+860斷面,監(jiān)測過程中拱腰沉降值基本呈現(xiàn)對稱性,拱腰變形量大于拱頂,最大累計沉降值為73.4mm,而對于ZK53+830斷面,拱頂和拱肩沉降值變形并不明顯,在仰拱開挖前,拱頂沉降值始終大于拱腰沉降值,ZK53+860斷面前期變形規(guī)律與之相反。斷層處初支混凝土出現(xiàn)局部開裂和鋼拱架扭曲現(xiàn)象,這表明在初支-圍巖間預(yù)留了15cm空隙并不能滿足圍巖變形需求,后續(xù)施工時應(yīng)適當增大空隙。在二襯施作后,拱頂沉降和周邊收斂速率明顯減緩,這說明二襯對高地應(yīng)力斷層破碎帶的變形控制作用明顯。因此,在合適時機施作二襯可有效控制圍巖變形。對于ZK53+830斷面,在二襯施作后BC測線收斂速率并未放緩,這表明在斷層破碎帶附近圍巖的水平方向變形明顯大于豎直方向,在后續(xù)施工過程中可適當提高隧道拱頂和拱腰處支護結(jié)構(gòu)剛度。

3.3 圍巖壓力分析

ZK53+830和ZK53+880斷面巖體壓力時程曲線如圖5所示,最大巖體壓力分布如圖6所示。

圖5 圍巖壓力時程曲線

圖6 圍巖壓力分布(單位:MPa)

由圖5a和圖6b可知,ZK53+830斷面的巖體壓力在開挖后5d達到最大值,且水平方向拱肩和拱腰應(yīng)力明顯大于拱頂處應(yīng)力,說明在拱腰和拱肩處受圍巖水平擠壓作用較大,且圍巖壓力關(guān)于隧道軸線呈不均勻分布,在空間上呈現(xiàn)出離散性。左拱腰和左拱肩處最大壓力分別為0.212,0.234MPa,而右拱腰和右拱肩處最大壓力分別為0.179,0.159MPa,隧道斷面左側(cè)應(yīng)力明顯大于右側(cè)。而在二襯施作后,拱腰和拱肩處壓力逐漸減小,此時初支承受的圍巖壓力逐漸向二襯轉(zhuǎn)移。在初支施作10d后左、右拱腳應(yīng)力開始逐漸減小,這表明開挖后圍巖壓力在拱腳處釋放和調(diào)整已達到峰值。

斷層破碎帶處最大圍巖壓力呈對稱式分布,非斷層破碎帶圍巖壓力呈離散性分布,但二者受構(gòu)造應(yīng)力的影響總體表現(xiàn)出“上大下小”特點。斷層破碎帶處圍巖壓力呈對稱分布,一方面是由于隧道開挖后圍巖壓力釋放時間較非斷層處明顯更長,初支在開挖后8d才完成閉合,受高地應(yīng)力影響前期圍巖壓力釋放更劇烈,結(jié)合斷層破碎帶前期圍巖拱部變形也呈現(xiàn)對稱分布;另一方面,斷層處圍巖屬于石英片巖,圍巖壓力受巖體各向異性影響不明顯。非斷層處隧道采用全斷面開挖2d內(nèi)即完成初支閉合,圍巖壓力受初始地應(yīng)力和卸荷作用釋放受阻。

由圖5b和圖6a可看出,下臺階開挖前拱頂、拱肩和拱腰巖體壓力迅速增大,說明巖體壓力的變化是由于上臺階開挖引起。在初支閉合后圍巖壓力增長明顯放緩,左拱腰處壓力明顯減小,說明初支可有效控制圍巖壓力釋放。仰拱開挖后圍巖壓力基本趨于穩(wěn)定,尤其是在二襯施作完成后效果明顯,說明二襯對斷層破碎帶支護效果明顯。由圖6a可看出,斷面最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在右拱腰處,為0.345MPa,圍巖壓力關(guān)于隧道軸線呈對稱分布,圍巖壓力范圍在0.058～0.345MPa,且圍巖壓力在空間上呈“上大下小”現(xiàn)象。

3.4 噴射混凝土壓力分析

噴射混凝土壓力時程曲線和混凝土壓力分布如圖7,8所示?；炷恋膽?yīng)力發(fā)展和圍巖壓力變化趨勢相似,即“快速增大→緩慢增長→趨于穩(wěn)定”,但在二襯施作后,噴射混凝土應(yīng)力出現(xiàn)短暫快速增長后逐漸減小,并最終趨于穩(wěn)定。這是由于:①二襯施作時臺車內(nèi)混凝土在硬化過程中水化熱反應(yīng)造成;②在二襯施作時需很大壓力將混凝土注滿襯砌,高壓混凝土將壓力傳導(dǎo)到初支上。

圖7 初支混凝土壓力時程曲線

如圖8b所示,噴射混凝土壓力在空間分布時也呈現(xiàn)不對稱性,且左拱肩明顯大于右拱肩,但左拱腰處壓力明顯小于右拱腰。上臺階混凝土壓力明顯大于下臺階混凝土。ZK53+900斷面初支噴射混凝土強度等級為C25,抗壓強度16.7MPa,抗拉強度1.78MPa,現(xiàn)場觀測到拱部混凝土出現(xiàn)隆起和細微開裂現(xiàn)象。由圖7可看出,除拱腳處混凝土受拉力,噴射混凝土整體處于受壓狀態(tài)。其中,ZK53+830斷面最大壓力出現(xiàn)在右拱肩,為3.84MPa;最小壓在拱腳,為0.95MPa。而ZK53+900處最大壓力出現(xiàn)在右拱腰處,為4.76MPa。

圖8 混凝土內(nèi)力分布(單位:MPa)

初支噴射混凝土壓力在斷層破碎帶及其影響區(qū)域都呈現(xiàn)“上大下小”特點,隧道拱部是主要承載部分,這是由于斷層破碎帶及其影響區(qū)域圍巖受高地應(yīng)力影響產(chǎn)生“蠕變”,受圍巖變形影響混凝土壓力局部集中在拱腰和拱肩部位。仰拱開挖后隧道下部支撐明顯減小,隧道上部混凝土壓力急劇增長,其主要原因是受施工擾動影響,圍巖應(yīng)力在這一階段急劇釋放,使得圍巖與支護結(jié)構(gòu)間出現(xiàn)應(yīng)力調(diào)整。二襯施作前,圍巖壓力主要由鋼拱架和初噴混凝土按一定比例共同承受。由圖8b可看出,在仰拱開挖前混凝土應(yīng)力迅速增大,在斷面開挖10d左右便達到最大應(yīng)力的75%,說明在開挖前期混凝土是主要受力承載體。在ZK53+900和ZK53+830斷面初支表面均出現(xiàn)局部隆起和開裂現(xiàn)象,因此可在地應(yīng)力較大標段采用“先柔后剛”支護方式,即第1次支護采用剛度較小的格柵拱架支護,二次支護采用鋼拱架支護來滿足前期隧道圍巖快速變形需求。

3.5 鋼拱架壓力分析

隧道各監(jiān)測斷面鋼拱架內(nèi)力(以壓為正、拉為負)時空演化如圖9,10所示。由圖9a和圖9b可看出,鋼拱架受力變化也經(jīng)歷快速增長、緩慢增長、趨于穩(wěn)定3個階段,其應(yīng)力變化趨勢與噴射混凝土應(yīng)力變化趨勢相似,在1個月左右達到壓力峰值。ZK53+920處斷面鋼拱架內(nèi)、外側(cè)壓力差明顯大于ZK53+950處,在拱部尤其明顯,斷層破碎帶鋼拱架壓力差為附近Ⅳ級斷面的1.6～1.95倍。且斷層鋼拱架受力關(guān)于隧道軸線不對稱。一方面,斷層處石英片巖受水平構(gòu)造應(yīng)力作用,使得拱腰和拱肩周圍圍巖節(jié)理、裂隙發(fā)育,隧道開挖后塊狀或碎塊狀圍巖變形超過預(yù)留設(shè)計值后,向隧道內(nèi)輪廓擠入;另一方面,此處地應(yīng)力方向與圍巖片理方向角度呈40°,在最大地應(yīng)力作下圍巖產(chǎn)生擠壓變形和剪切變形,使得斷層處鋼拱架左、右側(cè)受力不均。

圖9 鋼拱架內(nèi)力時程曲線

由圖10可看出,ZK53+920處鋼拱架外側(cè)受力明顯大于ZK53+950處鋼拱架外側(cè),但鋼拱架內(nèi)側(cè)受力卻與之相反。由圖9c和圖9d可看出,下臺階開挖后,鋼拱架應(yīng)力迅速增長,這是因為下臺階開挖使得鋼拱架處于懸空狀態(tài)。從中可看出不同位置的鋼拱架應(yīng)力分布不均,應(yīng)力形式分布復(fù)雜,主要是因為鋼拱架應(yīng)力受支護時機、開挖方法和溫度等因素影響。在二襯施作后,鋼拱架外側(cè)受力變化明顯,鋼拱架內(nèi)側(cè)受力緩慢增大,這是由于二襯施作混凝土水熱反應(yīng)造成。

圖10 鋼拱架內(nèi)力分布(單位:MPa)

4 結(jié)語

1)受構(gòu)造應(yīng)力影響,斷層破碎帶處圍巖地應(yīng)力分布復(fù)雜,圍巖變形擠壓和蠕變作用明顯。斷層破碎帶處圍巖的水平收斂與拱頂沉降的變形速率快,圍巖變形總量大,在初支閉合前(0～8d)斷層和非斷層處圍巖拱頂變形分別占總變形量的77%,55%,水平收斂值為拱頂沉降值的1.61倍,遠大于非斷層處。

2)斷層破碎帶處初支噴射混凝土的壓力變化與鋼拱架壓力變化趨勢并不協(xié)同。噴射混凝土應(yīng)力在5d左右便達到峰值的75%,而鋼拱架應(yīng)力在1個月左右才達到受壓峰值,說明圍巖壓力前期主要靠混凝土承受,后期主要靠鋼拱架承受,二者在承受圍巖壓力不同時間段的承受比例不一致。

3)圍巖壓力主要以壓應(yīng)力為主,斷層破碎帶和影響區(qū)壓力表現(xiàn)為“上部大,下部小”特征,但斷層處壓力分布呈對稱性。在下臺階開挖(5d)前圍巖壓力便達到峰值壓力的70%以上,這表明相同條件下,開挖后初支閉合時間越長圍巖壓力越大,因此在圍巖壓力快速發(fā)展階段需盡快使初支閉合。

4)采用組合支護方式結(jié)合預(yù)留一定變形空間能在一定程度上控制隧道變形。隧道斷層破碎帶的拱頂沉降最大值為73.4mm,說明采用上下臺階法施工時,雙層超前小導(dǎo)管支護+預(yù)留15cm空隙變形空間并不能完全滿足設(shè)計要求,后期可考慮采用“先柔后剛”支護方式進行施工。