隧道周邊圍巖軟化對(duì)結(jié)構(gòu)安全影響研究

【摘要】隧道與地下工程迅速發(fā)展，隧道病害越來越多，其中軟巖隧道建設(shè)運(yùn)營中開裂滲水等病害現(xiàn)象日益嚴(yán)重，碳質(zhì)板 巖、千枚巖等巖層在施工過程中周邊圍巖遇水軟化現(xiàn)象以及隧道仰拱底部施工軟化虛渣不清理軟化現(xiàn)象普遍存在。峨眉至漢源高速公路某隧道建設(shè)中出現(xiàn)二襯開裂，經(jīng)過鉆孔發(fā)現(xiàn)周邊圍巖以及隧底存在軟弱虛渣，對(duì)隧道周邊圍巖軟化以及隧底軟化虛渣進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)隧道周邊圍巖軟化現(xiàn)象會(huì)大幅度降低結(jié)構(gòu)安全系數(shù)降低，施工中應(yīng)積極采取相關(guān)注漿等加固圍巖措施，一是提高圍巖強(qiáng)度，二是提高圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間粘結(jié)力。研究結(jié)論對(duì)以后類似工程具有一定借鑒及指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】隧道； 圍巖軟化； 仰拱； 虛渣； 結(jié)構(gòu)； 安全影響

【中圖分類號(hào)】U451+.2A

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和地面空間有限，隧道與地下工程迅速發(fā)展，地質(zhì)條件、地下水、施工質(zhì)量問題均會(huì)導(dǎo)致隧道病害越來越多，其中軟巖隧道建設(shè)運(yùn)營中開裂滲水等病害現(xiàn)象日益嚴(yán)重，碳質(zhì)板巖、千枚巖等巖層在施工過程中周邊圍巖遇水軟化現(xiàn)象以及隧道仰拱底部施工軟化虛渣不清理現(xiàn)象普遍存在。峨眉至漢源高速公路某隧道建設(shè)中出現(xiàn)二襯開裂，經(jīng)過鉆孔發(fā)現(xiàn)周邊圍巖以及隧底存在圍巖軟化以及虛渣軟化現(xiàn)象，本文對(duì)隧道周邊圍巖軟化以及隧底軟化虛渣進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)隧道周邊圍巖軟化現(xiàn)象會(huì)大幅度降低結(jié)構(gòu)安全系數(shù)降低，施工中應(yīng)積極采取相關(guān)注漿等加固圍巖措施，一是提高圍巖強(qiáng)度，二是提高圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間黏結(jié)力。目前國內(nèi)對(duì)變質(zhì)巖（千枚巖、碳質(zhì)板巖）等進(jìn)行了大量研究［1-5］，但是對(duì)其隧道圍巖軟化及隧底軟化虛渣研究極少，本文通過數(shù)值模擬對(duì)隧底軟化進(jìn)行定量研究，具有一定指導(dǎo)和參考意義。

1 工程概況

峨眉至漢源高速公路某隧道長(zhǎng)3.6 km，隧道以板巖、砂質(zhì)板巖、炭質(zhì)板巖為主，隧道主要受金口河擠壓破碎帶影響，該破碎帶從隧道北西側(cè)700 m左右通過，與隧道近平行，該破碎帶中主要為炭質(zhì)板巖，巖體極破碎，炭質(zhì)板巖千枚理化嚴(yán)重，巖體在臨空陡壁附近的自穩(wěn)能力差，巖體中地下水發(fā)育，該破碎帶對(duì)本隧道圍巖影響大。 隧道圍巖巖層產(chǎn)狀變化較頻繁，斷裂破碎帶巖體較破碎—破碎，局部段落極破碎，非斷裂區(qū)域巖體較完整，進(jìn)口段巖層優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀為150°∠82°～160°∠60°，其后傾向由150°逐漸轉(zhuǎn)為80°，出口段優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀80°∠60°。巖體中主要發(fā)育兩組節(jié)理，L1：15～85°∠57～85°，延伸3～5 m，切深3～5 m，間距1～1.5 m，閉合，面較平；L2：215～285°∠63～88°，局部有反傾現(xiàn)象，延伸3～8 m，切深3～5 m，局部8～10 m，間距0.3～0.8 m，一般閉合，臨空面微張，面較平。隧址區(qū)巖體受結(jié)構(gòu)面切割，以碎塊狀為主，局部大塊狀。 二次襯砌開裂出現(xiàn)在隧道進(jìn)口段400 m范圍，主要原因?yàn)椋?（1）為軟質(zhì)巖，千枚狀—板狀構(gòu)造，傾角較陡，隧道軸線與巖層走向小角度相交；（2）受構(gòu)造影響，層間擠壓錯(cuò)動(dòng)形成碎粉巖，層間結(jié)合差，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎—極破碎，見圖1物探斷面以及圖2地質(zhì)斷面，進(jìn)口段500 m范圍為低阻段，地質(zhì)極為破碎；（3）隧道開挖后，由于地應(yīng)力的釋放、豐富地下水對(duì)隧道周邊碎粉巖的軟化以及圍巖荷載加大是該隧道開裂的主要原因。關(guān)于該隧道開裂處治進(jìn)行了專項(xiàng)研究，本文僅針對(duì)隧道周邊圍巖軟化以及仰拱底部軟化虛渣對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全影響進(jìn)行研究分析（圖3、圖4）。

2 數(shù)值模擬計(jì)算簡(jiǎn)介

本文采用控制變量的方法，針對(duì)兩車道公路山嶺隧道，選取常規(guī)的鋼筋混凝土V級(jí)圍巖及襯砌（Z5）以及常規(guī)的IV級(jí)圍巖素混凝土為基準(zhǔn)組，建立荷載-結(jié)構(gòu)法計(jì)算模型，其中圍巖荷載的計(jì)算和分擔(dān)比、巖土體及襯砌參數(shù)的選取均參照J(rèn)TG 3370.1-2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范第一冊(cè)土建工程》及GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（2015年版）的相關(guān)要求。所有計(jì)算過程均由基于通用有限元程序ANSYS和面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)語言.net開發(fā)的“隧道全自動(dòng)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件V2.0” ［6］自動(dòng)完成。針對(duì)襯砌的安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，采用規(guī)范以及田志宇等［6-10］在相關(guān)文獻(xiàn)中推導(dǎo)的計(jì)算公式，本文不作贅述。

2.1 圍巖荷載

圍巖荷載按淺埋非偏壓隧道進(jìn)行計(jì)算，V級(jí)圍巖初期支護(hù)承擔(dān)35%的總荷載，二次襯砌承擔(dān)65%的總荷載。IV級(jí)圍巖初期支護(hù)承擔(dān)70%的總荷載，二次襯砌承擔(dān)30%的總荷載（表1）。

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)（表2）。

（2）材料參數(shù)。本文以V級(jí)圍巖下的鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，所涉及的材料主要為巖土及支護(hù)結(jié)構(gòu)（混凝土、鋼筋），其中二次襯砌混凝土采用C30，噴混凝土均采用C25。材料參數(shù)見表3和表4。

3 隧底軟化虛渣對(duì)結(jié)構(gòu)安全影響計(jì)算分析

3.1 V級(jí)圍巖（鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)）隧底虛渣軟化圍巖荷載對(duì)結(jié)構(gòu)安全影響計(jì)算分析

數(shù)值模擬中通過調(diào)整隧底彈性抗力系數(shù)模擬隧底虛渣，見圖5～圖9，虛渣越軟弱，彈性抗力系數(shù)越小，模擬中虛渣從圍巖彈性彈力系數(shù)取180～60 MPa/m進(jìn)行模擬研究，結(jié)果見表5及圖10。

根據(jù)對(duì)常規(guī)V級(jí)隧道鋼筋結(jié)構(gòu)的計(jì)算，Z5鋼筋混凝土拱頂軸力較小、彎矩較大，安全系數(shù)為4.28，裂縫出現(xiàn)在拱頂，最大裂縫為0.10 mm。

通過計(jì)算結(jié)果并結(jié)合圖10分析可知：（1）隧道仰拱底部軟化反映了襯砌背后接觸的松散程度。彈性抗力系數(shù)減小時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)軸力有所減小，但是由于結(jié)構(gòu)受到的圍巖約束減弱，導(dǎo)致彎矩增大，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)降低；（2）襯砌拱腳部位安全系數(shù)較拱頂處略大，當(dāng)圍巖彈性抗力系數(shù)由180 MPa/m降低至60 MPa/m時(shí)，拱頂安全系數(shù)從4.28減小到3.28，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)降低了24%左右，可見隧底虛渣軟化對(duì)結(jié)構(gòu)安全性影響大，施工中應(yīng)嚴(yán)格清除控制隧底虛渣。

3.2 IV級(jí)圍巖（素混凝土結(jié)構(gòu)）隧底虛渣軟化圍巖荷載對(duì)結(jié)構(gòu)安全影響計(jì)算分析

根據(jù)對(duì)常規(guī)IV級(jí)隧道結(jié)構(gòu)（素混凝土）的計(jì)算，Z4素混凝土半結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為4.60，裂縫出現(xiàn)在拱頂，最大裂縫為0.16 mm。數(shù)值模擬對(duì)IV級(jí)圍巖仰拱彈性抗力系數(shù)從400～100 MPa/m進(jìn)行模擬研究，計(jì)算結(jié)果見表6及圖11。

通過計(jì)算結(jié)果并結(jié)合圖11可知：當(dāng)圍巖彈性抗力系數(shù)由400 MPa/m降低至100 MPa/m時(shí)，隧道軸力略有減小，彎矩略有增加，拱頂安全系數(shù)從4.60減小到4.10，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)降低了11%左右，可見隧底虛渣軟化對(duì)結(jié)構(gòu)安全性有一定影響，由于IV級(jí)圍巖二次襯砌只承擔(dān)30%的荷載，結(jié)構(gòu)承受荷載很小，虛渣在較好圍巖，荷載較小情況下，相對(duì)影響較小。

4 隧道周邊圍巖軟化對(duì)結(jié)構(gòu)安全影響

圍巖軟化主要在V級(jí)較差圍巖中發(fā)生，本文僅對(duì)V級(jí)圍巖周邊圍巖軟化工況進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)規(guī)范V級(jí)圍巖彈性彈力系數(shù)取100～200 MPa/m，圍巖級(jí)別越差，彈性抗力系數(shù)越小。施工襯砌背后接觸松散可通過減小彈性抗力系數(shù)進(jìn)行模擬，文章中對(duì)彈力抗性系數(shù)從50～200 MPa/m進(jìn)行模擬研究， 結(jié)果見表7、圖12、圖13。

通過計(jì)算結(jié)果并結(jié)合圖12、圖13分析可知：（1）彈性抗力系數(shù)反應(yīng)了襯砌背后接觸的軟化程度。彈性抗力系數(shù)減小時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)軸力影響不大，但是由于結(jié)構(gòu)受到的圍巖約束減弱，導(dǎo)致彎矩增大，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)降低；（2）襯砌拱腳部位安全系數(shù)較拱頂處略大，當(dāng)圍巖彈性抗力系數(shù)由200 MPa/m降低至50 MPa/m時(shí)，拱頂安全系數(shù)從5.0減小到1.9，拱腳安全系數(shù)由5.3降低到2.5，均降低了50%～60%，可見襯砌背后接觸松散對(duì)結(jié)構(gòu)安全性影響極大；（3）當(dāng)圍巖彈性抗力系數(shù)由200 MPa/m降低至50 MPa/m時(shí)，拱頂裂縫從0.08 mm增大到0.47 mm，當(dāng)彈性抗力系數(shù)減小到75 MPa/m后，拱腳位置也開始出現(xiàn)裂縫；（4）圍巖越差，背后空洞或者接觸松散越容易形成，可見對(duì)于地質(zhì)極差或者背后噴砼不密實(shí)形成松散圈需要進(jìn)行注漿加固等處理措施，確保結(jié)構(gòu)和巖層緊貼密實(shí)。

5 結(jié)束語

通過研究，可以得出如下結(jié)論：

（1）隧道周邊圍巖軟化對(duì)結(jié)構(gòu)影響：不良地質(zhì)段“支護(hù)-圍巖”接觸不良通常成為病害事故的主要誘因之一，同時(shí)也是較難控制的，當(dāng)圍巖彈性抗力系數(shù)由200 MPa/m降低至50 MPa/m時(shí)，拱頂安全系數(shù)從5.0減小到1.9，拱腳安全系數(shù)由5.3降低到2.5，均降低了50%～60%左右，裂縫從0.08 mm增大到0.47 mm，可見襯砌圍巖軟化（松弛接觸不佳）對(duì)結(jié)構(gòu)安全性影響極大。可見對(duì)于遇水軟化圍巖應(yīng)進(jìn)行注漿加固等處理措施，確保結(jié)構(gòu)和巖層緊貼密實(shí)，形成良好的“支護(hù)-圍巖”良好的接觸狀態(tài)。

（2）隧底虛渣軟化對(duì)結(jié)構(gòu)影響：對(duì)遇水軟化隧底巖體以及隧底虛渣軟化未清理干凈等影響，通過對(duì)V級(jí)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析，隧底虛渣軟化對(duì)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)可降低約24%；IV級(jí)素混凝土混凝土結(jié)構(gòu)分析，由于IV級(jí)圍巖二襯受力較小，隧底虛渣軟化對(duì)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)可降低相對(duì)較小約11%，虛渣在較好圍巖，荷載較小情況下，相對(duì)影響較小。

該后期隧道開裂通過裂縫注漿加固、基底注漿、背后圍巖注漿以及樹根樁等綜合措施處治，本文不作贅述。

本文主要對(duì)公路兩車道V級(jí)及IV級(jí)圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，具有一定片面性，特殊地質(zhì)及地應(yīng)力情況下宜特殊研究分析。該文研究具有一定的指導(dǎo)意義，施工中應(yīng)加強(qiáng)軟弱坡圍巖或軟化圍巖注漿加固以及隧底虛渣清理或加固措施，通過施工措施增加支護(hù)與結(jié)構(gòu)的粘結(jié)性及整體性，形成共同受力體，確保隧道結(jié)構(gòu)安全。

參考文獻(xiàn)

［1］ 關(guān)寶樹，趙勇. 軟弱圍巖隧道施工技術(shù)［M］. 北京：人民交通出版社，2011：1-22.

［2］ 趙勇. 隧道軟弱圍巖變形機(jī)制與控制技術(shù)研究［D］. 北京： 北京交通大學(xué)， 2012.

［3］ 周藝，何川，汪波，等. 基于支護(hù)參數(shù)優(yōu)化的強(qiáng)震區(qū)軟巖隧道變形控制技術(shù)研究［J］. 巖土力學(xué)，2013.

［4］ 施玉晶. 軟巖大變形小凈距隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)研究［D］.蘭州：蘭州交通大學(xué)，2014.

［5］ 沙鵬，伍法權(quán)，李響，等. 高地應(yīng)力條件下層狀地層隧道圍巖擠壓變形與支護(hù)受力特征［J］. 巖土力學(xué)，2015，36（5）：1407-1414.

［6］ 向龍，田志宇，王俊，等. 隧道施工因素對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全性影響評(píng)價(jià)研究［J］.施工技術(shù).2021.11.

［7］ 田志宇，林國進(jìn)，丁堯，等. 隧道全自動(dòng)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件SDC的研發(fā)與應(yīng)用［J］. 現(xiàn)代隧道技術(shù)，2014（2）：30-34.

［8］ 田志宇，李海清，鐘勇. 巖溶隧道處治方案的支護(hù)參數(shù)選?。跩］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2011（5）：82-86.

［9］ 田志宇，鄧承波，林國進(jìn). 隧道塌方處治支護(hù)參數(shù)選?。跩］.鐵道建筑. 2012（6）：54-57.

［10］ 田志宇，鄭金龍. 隧道穿越錯(cuò)落體的設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù). 2013（4）：152-157.