長昆客運專線雪峰山地區(qū)炭質(zhì)板巖隧道地層變形規(guī)律初探

許占良 施成華

(1.鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251;2.中南大學，湖南長沙 410012)

自20世紀初首例嚴重的交通隧道軟弱圍巖大變形發(fā)生以來，國內(nèi)外隧道工程發(fā)生的圍巖大變形災(zāi)害的事例屢見不鮮，是困擾地下工程界的一個重大問題。首例嚴重的交通隧道軟弱圍巖大變形是1906年竣工的辛普倫I線隧道[1］。此后，國外如日本的惠那山(Enasan)公路隧道、奧地利的陶恩(Tauern)隧道，國內(nèi)如南昆線的家竹箐隧道、蘭渝線的木寨嶺隧道等工程均出現(xiàn)了不同形式和程度的圍巖大變形情況，給工程建設(shè)造成極大的困難，給隧道設(shè)計施工帶來了一系列的問題[1-5］。

長昆鐵路客運專線長沙至玉屏段共有隧道122座，總延長約200 km。根據(jù)已有勘測資料，該段炭質(zhì)板巖隧道14座，炭質(zhì)板巖總長度大于19 km，其中埋深大于100 m的段落長度10.35 km，隧道開挖面積約153 m2，屬于典型的超大斷面隧道。從目前國內(nèi)工程實踐來看，炭質(zhì)板巖隧道在施工過程中均有可能發(fā)生較大變形，如正在施工的木寨嶺隧道炭質(zhì)板巖地段發(fā)生了較大變形，最大變形達到1.0 m。因此，開展炭質(zhì)板巖隧道開挖引起地層變形規(guī)律研究對設(shè)計施工具有重要意義。

以雪峰山隧道3號隧道為例，考慮到實際工程可能存在的地質(zhì)環(huán)境，通過建立多工況數(shù)值計算模型，分析地應(yīng)力、隧道埋深、圍巖級別以及應(yīng)力釋放率等因素對隧道開挖引起地層變形的影響，其結(jié)論可供隧道設(shè)計和施工提供參考。

1 計算模型

1.1 工程背景

長昆客運專線雪峰山3號隧道位于湖南省溆浦縣九溪江鄉(xiāng)至北斗溪鄉(xiāng)境內(nèi)，為時速350 km標準的雙線隧道，隧道全長6 795 m，隧道最大埋深約為708 m。該隧道出現(xiàn)較大范圍的炭質(zhì)板巖，該類巖石為一種淺變質(zhì)巖，主要由黏土質(zhì)、粉砂質(zhì)沉積巖或中酸性凝灰質(zhì)巖石、沉凝灰?guī)r經(jīng)輕微變質(zhì)作用形成，黑色或灰黑色，巖性致密，板狀劈理發(fā)育。

1.2 計算模型

計算模型取水平方向為X軸，鉛直方向為Z軸。計算范圍:水平方向上以隧道中線為軸線向兩側(cè)各取80 m;豎直方向上取距離隧道中心50 m的地層為底部邊界，向上取至地表，地表埋深根據(jù)隧道實際所處的地質(zhì)條件取值。

1.3 計算參數(shù)

圍巖材料采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，其力學參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場測試并參考《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》，具體見表1。

表1 地層材料力學參數(shù)

1.4 計算工況

參考雪峰山3號隧道地質(zhì)資料，基于地應(yīng)力、隧道埋深、圍巖級別和開挖應(yīng)力釋放率四個方面建立了相應(yīng)的計算模型。

現(xiàn)場對Ⅳ級圍巖段的地應(yīng)力測試結(jié)果表明:在孔深460 m左右，垂直應(yīng)力為10.0～12.0 MPa，最大水平主應(yīng)力約為16.0 MPa，最小水平主應(yīng)力約為10.0 MPa，以水平構(gòu)造應(yīng)力作用為主，側(cè)壓力系數(shù)k0=σh/σv約為1.25。基于此，在考察地應(yīng)力對隧道圍巖變形分布的影響時，選取Ⅳ級圍巖段，隧道埋深500 m的典型斷面進行分析，不同地應(yīng)力主要通過改變側(cè)壓力系數(shù)來考慮。

結(jié)合雪峰山3號隧道資料，隧道主要圍巖級別可分為Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅳ級富水、Ⅴ級和Ⅴ級富水共5種，據(jù)此建立此5種圍巖條件下的計算模型。

以往計算經(jīng)驗表明，不同開挖荷載釋放率對圍巖應(yīng)力和位移分布影響很大，而且，不同開挖釋放率對應(yīng)著不同支護時機和支護條件。因此，主要針對Ⅴ級圍巖，開挖釋放率分別取40%、60%、80%和90%(分別表示隧道開挖后，圍巖承擔40%、60%、80%和90%的荷載，支護結(jié)構(gòu)相應(yīng)承擔60%、40%、20%和10%的荷載)共4種情況進行計算。

具體計算工況見表2。

表2 計算工況

2 計算結(jié)果及分析

2.1 地應(yīng)力的影響

考慮隧道受力變形的對稱性，只選取隧道拱頂豎直向上沿線和左邊墻水平方向沿線上的一些特征點進行具體分析。特征點位置示意如圖1所示。以下所有分析中涉及的特征點位置均與此相同。

圖1 特征點位置示意(單位:m)

圖2 和圖3分別為不同側(cè)壓力系數(shù)下拱頂沿線和邊墻沿線地層特征點主應(yīng)力分布曲線。圖中主應(yīng)力數(shù)值為負表示受壓。

圖2 拱頂沿線地層特征點主應(yīng)力變化曲線

圖3 邊墻沿線地層特征點主應(yīng)力變化曲線

圖1 、圖2、圖3結(jié)果顯示，隧道開挖后，各工況下的拱頂沿線和邊墻沿線主應(yīng)力變化規(guī)律相同，均表現(xiàn)為:第一主應(yīng)力在洞壁處較小，隨著距洞壁距離的增加而迅速增大，在某一距離處達到最大值，之后逐漸減小至初始主應(yīng)力水平;第三主應(yīng)力在洞壁處為0，隨著距洞壁距離的增加而增大，最后穩(wěn)定在初始應(yīng)力水平。

隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大，拱頂沿線巖層主應(yīng)力值增加，主應(yīng)力波動范圍增大。當側(cè)壓力系數(shù)k0由0.43增大到1.50時，拱頂沿線巖層第一主應(yīng)力在洞壁處由－2.51 MPa變?yōu)椋?.89 MPa，主應(yīng)力最大值出現(xiàn)位置略有增加，但不明顯，量值由－8.57 MPa變?yōu)椋?4.52 MPa。第三主應(yīng)力也表現(xiàn)為類似的變化趨勢，當側(cè)壓力系數(shù)k0為0.43時，應(yīng)力值在0～－4.86 MPa間變化，側(cè)壓力系數(shù)k0為1.5時，應(yīng)力值在0～－9.21 MPa間變化，相比增大約4.35 MPa。第一主應(yīng)力波動區(qū)域主要發(fā)生在距洞壁5～10 m，第三主應(yīng)力增大區(qū)域隨側(cè)壓力系數(shù)的增加從15 m增大到20 m范圍。與拱頂沿線巖層主應(yīng)力相比，側(cè)壓力系數(shù)的變化對邊墻沿線圍巖的第一主應(yīng)力影響較小，對第三主應(yīng)力的影響較為明顯，最大差值為6.11 MPa。

圖4為拱頂沉降和水平收斂變化曲線，圖5給出了拱頂沿線地層特征點位置垂直位移分布，圖6為邊墻沿線地層特征點位置水平位移分布，圖中垂直位移均為負值，表示豎直向下;水平位移均為正值，表示水平向右，即都朝向隧洞內(nèi)，以下同。

圖4 拱頂沉降和水平收斂變化曲線

計算結(jié)果表明，隧道開挖后，隧道周邊巖層向洞內(nèi)產(chǎn)生明顯位移，上述工況下隧道開挖引起的最大垂直位移為253.3 mm，最大水平位移為206.6 mm。隨著距洞壁距離的增加，拱頂沿線地層垂直位移和邊墻沿線圍巖水平位移均迅速減小，在距離洞壁20 m左右趨于穩(wěn)定。

圖5 拱頂沿線地層特征點垂直位移分布曲線

圖6 邊墻沿線地層特征點水平位移分布曲線

不同側(cè)壓力系數(shù)下，位移相差明顯，而且，越靠近洞壁，這樣差異越大。側(cè)壓力系數(shù)由0.43增加到1.50時，隧道拱頂沉降由141.7 mm增至253.3 mm;水平收斂由153.5 mm增至413.2 m，增幅達2.69倍;仰拱隆起由110.8 mm增至243.1 mm。側(cè)壓力系數(shù)的增大，也意味著整體地應(yīng)力的提高，因而，隧道開挖后的圍巖變形和影響范圍都明顯增大。

2.2 隧道埋深的影響

限于篇幅，以下主要針對隧道開挖引起圍巖變形進行分析。圖7為不同埋深條件下隧道拱頂沉降和水平收斂變化曲線，圖8為拱頂沿線地層特征點位置垂直位移分布，圖9為邊墻沿線地層特征點位置水平位移分布。

圖7 拱頂沉降及水平收斂變化曲線

圖9 邊墻沿線地層特征點水平位移分布曲線

由圖7、圖8、圖9可知，隨著隧道埋深的增加，隧道洞周變形急劇增大，隧道埋深由200 m增加到600 m時，拱頂沉降、水平收斂和仰拱隆起量增幅倍數(shù)分別達6.8、5.4和6.6。隨著距洞壁距離的增加，拱頂沿線地層垂直位移和邊墻沿線圍巖水平位移均迅速減小，垂直位移在距洞壁10 m左右，水平位移在距洞壁20 m左右均趨于穩(wěn)定。不同隧道埋深情況下位移差異顯著，而且，越靠近洞壁，這樣差異越大，與不同側(cè)壓力系數(shù)下圍巖變形規(guī)律相同。

2.3 圍巖級別的影響

計算發(fā)現(xiàn)，隧道埋深為400 m時，5種圍巖條件的計算中，僅有Ⅲ級和Ⅳ級情況下計算收斂，其他的則在開挖后圍巖失穩(wěn)破壞，計算不收斂。圖10給出了拱頂沿線地層特征點位置垂直位移分布，圖11給出了邊墻沿線地層特征點位置水平位移分布。

圖10 拱頂沿線地層特征點垂直位移分布曲線

圖11 邊墻沿線地層特征點水平位移分布曲線

由圖10、圖11可看出，圍巖條件對隧道洞周變形影響很大。Ⅲ級圍巖條件無支護隧道開挖，其拱頂沉降僅為29.5 mm，水平收斂僅為56.3 mm，其他條件相同的Ⅳ級圍巖，其拱頂沉降和水平收斂分別為136.3 mm和239.2 mm，增幅倍數(shù)分別達4.6和4.3。隨著距洞壁距離的增加，拱頂沿線地層垂直位移和邊墻沿線圍巖水平位移均迅速減小，對于Ⅲ級和Ⅳ級圍巖，垂直位移和水平位移在距洞壁20 m左右時均趨于穩(wěn)定。

2.4 開挖荷載釋放率的影響

圖12為不同釋放率條件下隧道拱頂沉降和水平收斂變化曲線，圖13為拱頂沿線地層特征點位置垂直位移分布，圖14為邊墻沿線地層特征點位置水平位移分布。

圖13 拱頂沿線地層特征點垂直位移分布曲線

圖12 、圖13、圖14結(jié)果表明，釋放率在40% ～70%之間變化時，洞周變形穩(wěn)步增加，之后隨著釋放率的進一步增大，變形急劇增加，出現(xiàn)明顯的拐點。另外，拱頂沿線和邊墻沿線地層變形隨著距洞壁距離的增大而迅速減小，與前面所得規(guī)律一致。

圖14 邊墻沿線地層特征點水平位移分布曲線

3 結(jié)論

(1)各工況下，隧道地層變形規(guī)律相同，整體表現(xiàn)為隨著距洞壁距離的增加，拱頂沿線地層豎向位移和邊墻沿線水平位移均迅速減小，在某一距離處趨于穩(wěn)定。

(2)不同地應(yīng)力水平、隧道埋深、圍巖級別以及開挖應(yīng)力釋放率對應(yīng)的圍巖位移變化幅度差異明顯，而且，越靠近洞壁，這樣差異越大。

(3)隧道拱頂沉降和周邊收斂曲線在開挖應(yīng)力釋放率為70%～80%間突然增大，出現(xiàn)明顯的拐點，可見，隧道開挖后支護時機尤為重要。

(4)隧道開挖后若盡早采用剛性支護，此時總體變形量較小，但意味著支護結(jié)構(gòu)將承擔很大的荷載，特別是對于地應(yīng)力水平較高的情況，巨大的荷載作用可能導致支護結(jié)構(gòu)破壞;若開挖后支護不及時，則可能導致圍巖變形很大甚至引起坍塌，而且，變形量過大會導致隧道凈空不夠。因此，通過數(shù)值計算和監(jiān)控量測結(jié)果的分析比較，合理確定支護時機和支護方案，是較為有效的變形控制方式。

[1]張 洋.隧道工程軟弱圍巖大變形控制體系研究[D］.成都:西南交通大學，2006

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