軟巖隧道穩定性的影響因素及判別方法

何曉東 張廣軍

1 影響軟巖隧道穩定性的因素

1.1 隧道工程地質條件

影響軟巖隧道穩定性的工程地質條件主要有初始地應力、巖石的破碎程度和結構特征以及地下水等參數[1]。

1)初始地應力。初始地應力對軟巖隧道穩定性的影響主要表現為:軟巖隧道的失穩是由于隧道開挖引起的應力重分布超過圍巖強度而導致圍巖過大變形造成的強度破壞。2)圍巖破碎程度及結構特征。圍巖破碎程度在一定程度上反映了巖體遭受地質構造作用的強度與方式。圍巖破碎程度和結構特征對軟巖隧道穩定性的影響可以概括為:圍巖越破碎則隧道越不穩定,越容易塌方。3)地下水。地下水對軟巖隧道穩定性的影響主要表現為:地下水的存在會使巖質軟化、強度降低,穩定性降低、巖塊易滑動下掉。地下水的流動也可能沖蝕構造破碎帶或結構面的充填物,在這種情況下,地下水對軟巖隧道穩定性的影響往往是極其顯著的。

1.2 隧道工程結構條件

影響軟巖隧道的工程結構條件主要有隧道的方位、隧道的形狀、隧道的斷面大小和隧道的埋深等。

隧道方位的影響主要表現為:圍巖最大主應力為自重應力時,隧道的縱軸線與最大主應力方向近于正交,拱頂受到的垂直壓力較大,對圍巖穩定不利;當隧道的縱軸線平行或小角度相交最大主應力方向則較為有利;而對大的斷層或軟弱夾層則正好相反,隧道縱軸線與之正交較為有利。

隧道形狀的影響主要表現為:在隧道建設過程中為了滿足自然成拱原則,經常將隧道的形狀做成馬蹄形。當水平應力不大時,隧道橫斷面兩側可簡化為直邊墻。當隧道底部無上鼓力時,隧道橫斷面底部簡化為直底板。

隧道斷面大小的影響主要表現為:對于不同的隧道尺寸,跨徑越大,開挖空間越大,開挖時釋放荷載也越大,因此開挖后的二次應力也相應增大,圍巖變形也顯著,開挖影響范圍也增大。

隧道埋深的影響主要表現為:隨著埋深的增加,隧道圍巖的力學特性將發生很大變化,對隧道的設計和施工帶來很大影響。在軟巖隧道中,如果埋深小于500 m,且水平應力大于垂直應力,地應力的變化將對軟巖隧道的變形與支護帶來諸多不利因素。

1.3 隧道工程施工條件

影響軟巖隧道穩定性的施工技術條件主要有施工方法、施工速度、掌子面的支撐作用及掘進方式等。

隧道施工方法對穩定性的影響表現為:隧道開挖方式的不同,應力重分布的次數就不同,應力重分布的次數越多,對圍巖的穩定性就越不利。

隧道施工速度對穩定性的影響表現為:施工速度對圍巖的穩定性有著明顯的影響,所以,在軟巖隧道的開挖過程中,應該盡量保證開挖速度與支護速度協調一致。

掌子面的支撐作用對穩定性的影響表現為:軟巖隧道在開挖過程中,其掌子面的變形很大,一般情況下,對于軟巖隧道在開挖完掌子面,隧道的變形已基本完成總變形量的1/3或更大。所以在變形較大的軟巖中開挖隧道,應很好地控制掌子面的變形,從而對隧道的穩定性起到很大的作用(Llunardi,2000年)[2]。

隧道掘進方式對穩定性的影響表現為:開挖破巖時的沖擊力和振動強度越大,對圍巖的擾動程度就越大,對圍巖就越不利,而且圍巖越破碎,影響就越大。

2 軟巖隧道穩定性的判別方法

2.1 變形速率比值判別法

李世輝(1992年)[3]將該方法用于判斷隧道開挖與初期支護穩定性的判別,稱之為比值判別法。該方法假定預設計的初期支護全部施加后的圍巖變形速率 v1與相應斷面實測圍巖變形速率最大值v0的比值v1/v0不應大于典型工程監控量測統計的最大值。

2.2 極限位移判別法

用極限位移判別隧道的穩定性,就是從隧道出現的各種極限狀態入手,找出在某種極限狀態下各控制點的位移,即極限位移,作為穩定性判別依據。

法國M.Louls指出最大容許位移隨埋深而異,他認為隧道的極限位移值約為埋深的1‰[4]。日本“新奧法設計施工技術指南草案”提出采用圍巖類別的容許凈空收斂值。前蘇聯學者通過大量觀測數據的整理,得出了用于計算隧道周邊容許最大變形值的計算公式[5]:

其中,f為普氏系數,其取值一般在0.5～1之間;b0為隧道跨度;H為邊墻高度。

實際上,由于每個隧道所處地質條件、隧道埋深、斷面形狀和尺寸以及初期支護性狀等各不相同,隧道極限位移量的確定并不是一件容易的事情。所以在實際工程應用中,必須從工程實際出發,結合已有的工程經驗和實際工程施工進展情況確定具體的極限位移值。

2.3 經驗數據法

對于經驗數據法,前人的研究方法主要有經驗數值法和經驗公式法兩種思路[6],一般規范中給出的極限位移值在思路上與此類似。

Singh(1992年)基于39個隧道實例得出了如下的結論:如果H≥350Q1/3則發生大的擠壓變形,反之則不會。Goel(1995年)得出的結論:如果H≥(275N0.33)B-1(m)則發生大的擠壓變形,反之不會(其中,N=(Q)SRF=1,Q為巖石質量指標;H為隧道埋深;B為隧道跨度)。Singh和Goel(1999年)提出了擠壓程度的分級。具體分為以下三級:

1)輕微擠壓變形,隧道變形量一般為直徑的1%～3%;2)中等擠壓變形,隧道變形量一般為直徑的3%～5%;3)大擠壓變形,隧道變形量一般為大于直徑的5%。

巖體單軸抗壓強度σcm與初始地應力p0的比值對隧道收斂變形的影響如圖1所示。

從圖1可以得出,圍巖初始應力對隧道穩定性的影響顯著。在圖1中,隨著巖體強度與圍巖初始應力比值的下降,軟巖隧道的變形不斷增加,而且當此比值下降到0.2時,軟巖隧道的變形將很快增大,隧道坍塌的可能性增大。在修建軟巖隧道的過程中,可以結合監控量測,利于此比值判斷圍巖的穩定性。一般地,此比值大于0.4,圍巖的穩定性較好,反之,應該注意采取措施。

為了分析上述三種穩定性判別方法在軟巖隧道中的實用性,以新嶺格隧道為例,予以對比分析。

從數據可以看出,變形速率比值判別法對于評價圍巖穩定性有著很好的直觀性。極限位移法對于判別隧道穩定性有著快速直觀、計算簡單的優勢,但是由于每個隧道的極限位移的量值不同給判別帶來了一定的難度。Singh和Goel法以及Hoek法對于判別隧道穩定性有著更為直觀和簡單的優勢,但是Singh和Goel法所判定的位移相對于我國的隧道設計規范所建議的相對位移限制值相比較小,而Hoek法的結果與JTG D70-2004公路隧道設計規范的相應值接近。在判斷隧道圍巖穩定性時,應綜合各因素,選擇一個(或多個)合適的判別準則對隧道圍巖穩定狀態進行判定。

3 結語

1)影響隧道圍巖穩定性的因素有以下三大類:隧道工程地質條件、隧道工程結構條件和隧道施工條件。其中,隧道工程地質條件表現為:初始地應力、圍巖破碎程度及地下水;隧道工程結構條件表現為:隧道方位、隧道形狀、斷面大小及埋深;隧道施工條件表現為:施工方法、施工速度、掌子面的支撐作用及掘進方式等。同時對各影響因素進行了較為深入的論述。2)三種常用的判別隧道穩定性的方法:變形速率比值判別法、極限位移判別法及Hoek判別法。以新嶺格隧道監測數據為例,分析了各判別方法的實用性,通過將所得值與規范值作對比,認為Hoek判別法較其他方法有較好的實用性。

[1] Hoek E,Brown E.T.巖石地下工程[M].連志升,田良燦,王偉德,譯.北京:冶金工業出版社,1986.

[2] Llunardi P.Design&constructing tunnels-ADECO-RS approach.Tunnels and Tunnelling International[J].special supplement,2000(15):30-33.

[3] 李世輝.隧道支護設計新論[M].北京:科學出版社,1999.

[4] 景詩庭,朱永全,宋玉香.隧道結構可靠度[M].北京:中國鐵道出版社,2002.

[5] Decoster A,M.Louls.Collisional ExcitationX-rayLaser Experimentsin Plasmas Produced by 0.53-pmand 0.35-pm Laser Light,1990,50(5):257-264.

[6] Giovanni Barla.Tunnelling under squeezing rock conditions[J].Department of Structural and Geotechnical Engineering,1995(30):20-22.