地鐵區(qū)間隧道的地質(zhì)條件評估及初期支護(hù)設(shè)計(jì)

王士剛

（中鐵二十三局集團(tuán)第八工程有限公司，四川成都 610091）

地鐵區(qū)間隧道的地質(zhì)條件評估及初期支護(hù)設(shè)計(jì)

王士剛

（中鐵二十三局集團(tuán)第八工程有限公司，四川成都 610091）

基于所建項(xiàng)目的圍巖特征條件，運(yùn)用有限元手段對開挖各階段的力學(xué)、位移特征做了詳盡分析，指出了針對該項(xiàng)目的合理支護(hù)方式，旨在為類似項(xiàng)目的開挖、支護(hù)提供借鑒。

地鐵區(qū)間，圍巖力學(xué)特性，支護(hù)方式，有限元

1 基本概要

本文主要論述某地鐵項(xiàng)目的3.5 km區(qū)間隧道的工程地質(zhì)勘察以及初期支護(hù)的選擇，此區(qū)間隧道的埋深為12 m～30 m，筆者有幸參與了其中的一部分工作。

在該工程的初步設(shè)計(jì)階段，根據(jù)圍巖的詳細(xì)地勘資料，給出圍巖的分級類別是選擇相應(yīng)支護(hù)條件的必要工作。Hoek等人在1995年就提出了幾種圍巖分級體系以便于建立巖體的巖性特征表，隧道的所需支護(hù)系統(tǒng)由RMR值、Q值、GSI值以及新奧法的基本理論決定。然而，僅由圍巖的分級體系并不足以計(jì)算出圍巖的應(yīng)力重分布、支護(hù)反力、圍巖變形，因此，除了經(jīng)驗(yàn)工程類比法外，還應(yīng)引入數(shù)值模擬計(jì)算的方法。

2 地質(zhì)概況

本地鐵區(qū)間的主要地層為:第四紀(jì)沖積層、安卡拉粘土層、中新世火山沉積層。

1）第四紀(jì)沖積層主要由粉質(zhì)粘土層、亞粘土層、粘質(zhì)砂礫透鏡體以及這些組分的混合層構(gòu)成。

2）安卡拉粘土層是上新世的沉積層，顏色為褐紅色，主要由夾礫石的粉砂質(zhì)粘土層構(gòu)成，該土層含有膨脹性晶格粘粒礦物的蒙脫石。

3）中新世火山沉積層主要包含安山巖、英安巖、凝灰?guī)r、火成巖:a.安山巖為粉紅色，主要包含斜長石、黑云母、角閃石;b.英安石為灰白色，主要包含鉀長石、晶石、黑云母;c.奶白色的凝灰?guī)r主要包含的礦物與英安巖一樣，并且孔隙率大，巖塊表面有較柔和的剖痕;d.火成巖主要由安山巖、英安巖碎塊組成，直徑從幾毫米至一米不等，基巖主要由凝灰?guī)r構(gòu)成，因風(fēng)化程度不同而有不同的顏色，如白色、灰色、紅色。

3 工程地質(zhì)條件

地勘結(jié)果顯示將近50%的隧道里程將穿越灰色、酒紅色、紅棕色的中風(fēng)化、微風(fēng)化的安山巖。安山巖的極限抗壓強(qiáng)度（UCS）從6 MPa變化到80 MPa，普遍大于25 MPa（見表1）。節(jié)理面較粗糙，節(jié)理面之間有粘土、方解石等的充填物。圍巖的RQD值為11%～85%。

隧道區(qū)間約15%的總里程段將穿越灰白色、奶白色—淺褐色—粉紅色的中風(fēng)化、微風(fēng)化的英安巖。從表1可以看出，英安巖的強(qiáng)度從22 MPa變化到100 MPa，并普遍大于80 MPa。節(jié)理空隙為1 mm～2 mm，并有方解石充填物，RQD從53%變化到59%。

隧道總里程的19%區(qū)段將穿越綠灰色的火成巖，其強(qiáng)度為9 MPa～75 MPa。火成巖層以及凝灰?guī)r透鏡體包含直徑100 mm的火山巖碎塊。碎塊之間有粘土充填，RQD為55%～97%。

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)（ISRM1981）得到了四種火山巖的基本物理力學(xué)參數(shù):單位體積重量、孔隙率、單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等等。此外，巖體的變形實(shí)驗(yàn)可以得出巖體的變形模量以及泊松比，詳見表1。

表1 鉆孔布置、埋深以及圍巖單元的物理力學(xué)參數(shù)

4 數(shù)值模擬

為了驗(yàn)證初步設(shè)計(jì)給出的支護(hù)系統(tǒng)和開挖方法，使用有限元軟件PHASE2進(jìn)行數(shù)值模擬。由于采用平面應(yīng)變問題的分析模式，所以，在初始地應(yīng)力狀態(tài)下，圍巖的兩個主應(yīng)力在開挖面內(nèi)，而第三主應(yīng)力在開挖面外。真實(shí)的三維應(yīng)力張量可以分解成三個相互正交的應(yīng)力，這樣就與二維的計(jì)算模型相一致了。本次數(shù)值模擬在二維狀態(tài)下考慮了圍巖的非線性變形，并且根據(jù)霍克—布朗破壞準(zhǔn)則來考慮開挖面的應(yīng)力狀態(tài)和塑性區(qū)分布狀況。隧道圍巖力學(xué)參數(shù)詳見表2。通過不同的數(shù)值模型來模擬各施工工況。

表2 數(shù)值模擬所需的圍巖材料參數(shù)

在所有的模型中，隧道的幾何模型以及水平向與豎直向應(yīng)力比都是相同的。隧道的寬度、高度分別為15.2 m，13.2 m，如圖1所示。當(dāng)然，水平應(yīng)力σh是比較難估算的。1980年霍克、布朗分析了全世界范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，并指出在淺埋情況下，水平應(yīng)力是一個變量，并在某一高度趨向于靜水壓力狀態(tài)。按照1995年Hoek等人提出的概念，在本項(xiàng)目中，假設(shè)σh=σv。

在所有的數(shù)值模型中，隧道的埋深為11.5 m～38 m，并在開挖面附近加密有限元的網(wǎng)格劃分。模型的左、右水平向施加了水平約束，并在模型的底部施加了垂直約束。除了模型的上面邊界，其他邊界都設(shè)置為10倍的隧道直徑長度。

圖1 隧道斷面

數(shù)值模型包括了開挖、支護(hù)等一些施工步驟。在第一階段，為初始應(yīng)力階段，根據(jù)自重應(yīng)力場得出初始應(yīng)力狀態(tài)，緊接著模擬為開挖、支護(hù)步驟，在所有的模型中，支護(hù)單元由按工程類比法設(shè)計(jì)的錨桿和噴射混凝土構(gòu)成。

在開挖后，立即施加支護(hù)，而真實(shí)的情況為從開挖至施加支護(hù)的過程中必有一個應(yīng)力釋放以及重分布的過程。為了模擬這個現(xiàn)象，在該軟件中設(shè)置了應(yīng)力釋放率的選項(xiàng)。

圖2為隧道穿越凝灰?guī)r時(shí)的開挖、支護(hù)荷載計(jì)算步驟。這個模型包括:初始應(yīng)力階段、上臺階開挖階段、相應(yīng)支護(hù)施加階段（錨噴）、下臺階開挖階段、相應(yīng)支護(hù)施加階段（錨噴）。

圖2 隧道K 8+438～K 9+518區(qū)段施工步驟

圖3中給出了K8+438～K9+518區(qū)段的數(shù)值模擬結(jié)果，從圖中可以得到支護(hù)情況下和毛洞情況下的總的垂直向和水平向的位移情況。對比毛洞情況，施加了相應(yīng)的支護(hù)后，位移減少了將近50%，效果顯著。

分析結(jié)果顯示，本工程的最大問題將會出現(xiàn)在隧道穿越凝灰?guī)r區(qū)段，從圖3a）可以得出毛洞室的最大的總位移以及大的塑性分布區(qū)。而當(dāng)施加支護(hù)后，如圖3b）所示，隧道周邊的位移是顯著減小了，塑性區(qū)也大為縮小。并且可以看出，在軟弱圍巖中，應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了變化。在這些區(qū)域普遍的觀點(diǎn)是應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)行注漿加固，包括掌子面前方的超前管棚支護(hù)。

圖3 隧道K 8+438～K 9+518區(qū)段的總位移結(jié)果

5 結(jié)語

有限元分析可以用來估算基于圍巖分級體系的基本公式的支護(hù)系統(tǒng)的作用效果。結(jié)果顯示當(dāng)施加推薦的支護(hù)體系時(shí)，屈服單元和最大的位移值將大為減小。同時(shí)，建議圍巖分級體系應(yīng)該和數(shù)值工具同時(shí)使用。

盡管用數(shù)值模擬對圍巖特征屬性的估算是非常重要的，然而，值得一提的是圍巖特征屬性的估算不是一門精確科學(xué)，而應(yīng)該在監(jiān)控量測結(jié)果的基礎(chǔ)上，對圍巖特性和數(shù)值模型進(jìn)行優(yōu)化。

［1］梅志榮.高速鐵路隧道全斷面預(yù)加固技術(shù)的應(yīng)用研究［R］.青島：第十五次全國巖土錨固學(xué)術(shù)研討會，2007.

［2］陳濤.隧道玻璃纖維錨桿全斷面預(yù)加固技術(shù)的應(yīng)用研究［D］.北京：中國鐵道科學(xué)研究院碩士學(xué)位論文，2008.

Geological condition elevation and prelim inary support design ofmetro tunnel

WANG Shi-gang

（China Railway 23rd Bureau Group 8th Engineering Co.，Ltd，Chengdu 610091，China）

Based on the surrounding rock characteristics of the construction project，the paper specifically analyzes themechanical and displacement characteristics at various stages by applying finite elementmethod，and points out the rational supportmethod for the project，with a view to provide some reference for similar project excavation and support.

metro section，mechanical characteristics of surrounding rock，support pattern，finite element

U451.2

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2012.19.056

1009-6825（2012）19-0193-03

2012-05-06

王士剛（1975-），男，工程師