極高地應(yīng)力千枚巖隧道施工圍巖的變形與控制

全 民，唐 靈，趙 亢

(1.中國中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司，重慶401121； 2.西南交通大學(xué)，四川成都610031)

隧道在克服地形障礙、縮短空間距離及改善交通等方面具有不可替代的作用。近年來，隨著我國綜合國力的不斷增強，基礎(chǔ)建設(shè)的力度在不斷加大，隧道的修建進(jìn)入了一個新的高峰，尤其在我國的西南地區(qū)。隨著修建隧道數(shù)量的逐步增多，軟弱圍巖區(qū)段隧道大變形災(zāi)害問題逐漸為巖土工作者所關(guān)注，其問題主要表現(xiàn)為：變形侵限、初支噴層開裂掉塊、鋼架扭曲、拱腳失穩(wěn)、底板隆起，甚至局部區(qū)段發(fā)生坍塌或二襯開裂現(xiàn)象，不僅嚴(yán)重影響了施工安全和施工質(zhì)量，同時也對建設(shè)工期和投資造成不利影響[1]。軟弱圍巖隧道的開挖方法及支護(hù)措施是影響圍巖在開挖后的應(yīng)力調(diào)整和變形的主要因素，本文以谷竹高速關(guān)埡子隧道大變形為實例，利用大型有限差法軟件FLAC3D對控制軟弱圍巖隧道大變形常用的幾種方法進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，同時結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)控量測對不同方法進(jìn)行了效果評價，在此基礎(chǔ)上提出了合理的開挖方法及支護(hù)參數(shù)，從而確保關(guān)埡子隧道在施工和運營中的安全，并為今后類似的工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

關(guān)埡子隧道位于湖北省十堰市竹溪縣蔣家堰鎮(zhèn)，隧道洞軸線走向方位角起點274°、止點285°，全長1 628 m，隧道最大埋深約170 m，左右洞凈距約25～32 m，隧道凈寬：10.25 m，隧道凈高：5.0 m。隧道區(qū)屬于竹溪褶皺束，所涉及的地層主要為志留系。隧道進(jìn)出洞口巖層為單斜地層，巖性為絹云母千枚巖，絹云母含量在90 %以上，夾雜部分石英。該巖由泥巖淺變質(zhì)而來，泥質(zhì)已全變?yōu)榻佋颇浮＝佋颇赋书L纖維狀，定向—平行—緊密排列。成巖后有不均一狀揉皺。石英填于絹云母不均一揉皺產(chǎn)生的空隙中。

開挖后圍巖實際揭示情況為強～中風(fēng)化碳質(zhì)片巖，風(fēng)化及巖石破碎程度隨里程變化無明顯規(guī)律且變換頻繁。巖石呈薄層狀，層間結(jié)合較差，表面有滑膩感，遇水軟化膨脹，開挖后無自穩(wěn)能力，且?guī)r石暴露后強度衰減很快，具有明顯的軟巖持續(xù)變形特點施工中揭露的圍巖如圖1所示。

圖1 施工中揭露的圍巖

據(jù)巖石力學(xué)特性試驗結(jié)果顯示，關(guān)埡子隧道圍巖單軸飽和抗壓強度Rc為5.74 MPa，最大主應(yīng)力在4.52～5.29 MPa，最小主應(yīng)力在3.08～4.15 MPa之間取值。《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50218-94)及《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTG D70-2004)對巖石堅硬程度給出了定性的劃分，如表1所示。《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50218-94)對巖體初始應(yīng)力場進(jìn)行了評估，如表2所示。

表1 Rc與巖石堅硬程度定性劃分表

表2 高初始應(yīng)力地區(qū)在開挖過程中的主要現(xiàn)象

2 軟弱圍巖大變形控制技術(shù)

2.1 軟弱圍巖常用的施工方法

國內(nèi)目前對于軟弱圍巖隧道的常用施工方法有臺階法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法、CRD法等。關(guān)埡子隧道按照設(shè)計采用了三臺階法及CRD法，但由于這有兩種工法實際效果并不理想，因此在數(shù)值模擬中增加了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法用以對比分析。各工法優(yōu)缺點對比如表3所示。

表3 各工法優(yōu)缺點對比

2.2 各工法數(shù)值模擬分析

該隧道設(shè)計采用三臺階法和CRD法開挖，初期支護(hù)參數(shù)為：26 cm厚C20噴射混凝土，I 20b鋼拱架，縱向間距0.6 m。由于三臺階法及CRD法控制該隧道變形的效果并不理想，因此增加雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的數(shù)值模擬。

建模時，圍巖采用莫爾-庫侖彈塑性模型。鋼拱架和鋼筋網(wǎng)按彈模換算的方法換算到噴射混凝土中，采用彈性體來模擬初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，通過其應(yīng)力情況來判定其穩(wěn)定性。

2.2.1 三臺階法

經(jīng)計算得到隧道圍巖的位移等值云圖、圍巖塑性區(qū)分布圖、初期支護(hù)第一、第三主應(yīng)力等值圖，見圖2～圖5。

圖2 圍巖位移等值云圖

圖3 圍巖塑性區(qū)分布示意

圖4 第一主應(yīng)力等值云圖

圖5 第三主應(yīng)力等值云圖

2.2.2 CRD法

經(jīng)計算得到隧道圍巖的位移等值云圖、圍巖塑性區(qū)分布圖、初期支護(hù)第一、第三主應(yīng)力等值圖，見圖6～圖9。

圖6 圍巖位移等值云圖

圖7 圍巖塑性區(qū)分布示意

圖8 第一主應(yīng)力等值云圖

圖9 第三主應(yīng)力等值云圖

2.2.3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

經(jīng)計算得到隧道圍巖的位移等值云圖、圍巖塑性區(qū)分布圖、初期支護(hù)第一、第三主應(yīng)力等值圖,見圖10～圖13。

圖10 圍巖位移等值云圖

圖11 圍巖塑性區(qū)分布示意

圖12 第一主應(yīng)力等值云圖

圖13 第三主應(yīng)力等值云圖

通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)：采用三臺階法拱頂沉降29 cm，水平收斂16 cm，支護(hù)鋼架應(yīng)力260 MPa；改成CRD法后拱頂沉降17 cm，減小40 %，水平收斂20 cm，增大25 %，支護(hù)鋼架應(yīng)力230 MPa，減小10 %；采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法后，拱頂沉降8 cm，減小約75 %，水平收斂11 cm，減小約40 %，支護(hù)鋼架應(yīng)力147 MPa，減小約50 %；現(xiàn)場監(jiān)控量測顯示采用三臺階法時拱頂沉降39 cm，水平收斂45 cm，采用CRD法時拱頂沉降29 cm，水平收斂40 cm，相對來說監(jiān)控量測數(shù)據(jù)要比對應(yīng)的數(shù)值計算值偏大，這可能與支護(hù)施作時機有一定關(guān)系，在數(shù)值計算中無法有效的模擬。

數(shù)值計算結(jié)果顯示CRD法在控制變形量及鋼架應(yīng)力上較三臺階法有一定的優(yōu)勢，但效果不明顯，隧道仍處于大變形范圍；采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法后，隧道的變形及鋼架應(yīng)力均得到明顯的改善，隧道未發(fā)生大變形，鋼架最大應(yīng)力為124 MPa，遠(yuǎn)小于屈服極限，鋼架仍處于彈性階段，且塑性區(qū)范圍較小。

4 結(jié)論

(1)關(guān)埡子隧道處于極高地應(yīng)力軟弱圍巖區(qū)段，進(jìn)行大斷面隧道施工，極容易發(fā)生圍巖大變形甚至塌方，必須引起密切關(guān)注。

(2)結(jié)合關(guān)埡子隧道工程的實際情況及數(shù)值模擬結(jié)果，提出改用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖代替原設(shè)計的三臺階法及CRD法，保證隧道施工過程中的安全。

[1] 關(guān)寶樹.軟弱圍巖隧道變形及其控制技術(shù)[J].隧道建設(shè)，2011，31(1):1-17

[2] 姜云，李永林，李天斌，等.隧道工程大變形類型與機制研究[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2004，15(4):46-51

[3] 關(guān)寶樹.隧道工程施工要點集[M].北京:人民交通出版社，2003

[4] 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

[5] 朱永全，李文江，趙勇.軟弱圍巖隧道穩(wěn)定性變形控制技術(shù)[M].北京：人民交通出版社,2012