基于圍巖動(dòng)態(tài)分級(jí)的隧道底部支護(hù)優(yōu)化與穩(wěn)定性研究

徐東強(qiáng) 邢亮 曹富興

摘要 在對(duì)以往隧道工程進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，確定合適的圍巖動(dòng)態(tài)分級(jí)方法后，采用圍巖分級(jí)后的巖石力學(xué)參數(shù)在承赤高速進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與監(jiān)測(cè)得出平底隧道支護(hù)符合穩(wěn)定要求。并根據(jù)霍克布朗準(zhǔn)則，通過(guò)FLAC3D有限差分軟件對(duì)比不同隧道底部模型的拱頂沉降、拱底隆起和二襯應(yīng)力得出：Ⅳ1級(jí)圍巖下隧道兩個(gè)模型的豎向位移變形值相差不超1 mm，平底隧道的二襯與仰拱隧道二襯在承載應(yīng)力上差距較小。故Ⅳ1級(jí)圍巖下取消仰拱，采用平底隧道的形式具有可行性。其他類似工程可借鑒于此研究成果。

關(guān) 鍵 詞 圍巖動(dòng)態(tài)分級(jí);巖石力學(xué)參數(shù);霍克布朗準(zhǔn)則;有限差分軟件;可行性

中圖分類號(hào) U451? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

Support optimization and stability of tunnel bottom based on dynamic classification of surrounding rock

XU Dongqiang， XING Liang， CAO Fuxing

（School of Civil Engineering and Transportation， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China）

Abstract On the basis of previous tunnel projects' investigation， suitable dynamic classification method of surrounding rock is determined. The field test and monitoring of rock mechanics parameters after surrounding rock classification at Chengchi Expressway show that the flat bottom tunnel supports meets the stability requirements. According to the rule of Hoek-Brown， through FLAC3D finite difference software contrast different model at the bottom of the tunnel vault subsidence， arch bottom uplift and the secondary lining， can conclude that the vertical displacement of each tunnel model differs by no more than 1 mm in controlling settlement for IV1 surrounding rock and there was a small difference in bearing stress between the secondary lining of flat bottom tunnel and that of invert tunnel. It verifies the feasibility of using flat-bottom tunnel to substitute invert arch for IV1 surrounding rock.Other similar projects can draw on the results of this research.

Key words dynamic classification of surrounding rock; rock mechanics parameters; rule of Hoek-Brown; finite difference software; feasibility

0 引言

現(xiàn)代隧道建設(shè)中通過(guò)支護(hù)結(jié)構(gòu)調(diào)動(dòng)圍巖承載能力的觀念深入人心，然而隧道開(kāi)挖是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，圍巖狀況也不是一成不變的，如何根據(jù)工程需要確定合理的圍巖參數(shù)，是隧道修建過(guò)程中需要考慮的問(wèn)題[1-2]。并且，在圍巖性質(zhì)不良的隧道中，仰拱作為公路隧道襯砌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一部分，能夠有效的控制圍巖變形。王可意[3]細(xì)化了巖體的完整性系數(shù)與巖石的風(fēng)化程度對(duì)巖石強(qiáng)度指標(biāo)的影響。石志龍等[4]通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整圍巖級(jí)別，控制施工參數(shù)取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)際圍巖力學(xué)行為較為復(fù)雜，具有明顯的時(shí)空效應(yīng)，隨施工過(guò)程而變化[5]。進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)能夠及時(shí)了解隧道結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況，是衡量隧道穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)[6-7]。徐東強(qiáng)等[8]運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值分析驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)Ⅳ2級(jí)三車道隧道采用底部加基礎(chǔ)梁形式代替仰拱可保持隧道穩(wěn)定性。李之達(dá)[9]運(yùn)用數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖設(shè)置仰拱可有效抑制圍巖變形，Ⅲ圍巖下支護(hù)作用不明顯故可取消仰拱。沈亞斌等[10]運(yùn)用ANSYS有限元軟件分析發(fā)現(xiàn)施作仰拱能減少圍巖應(yīng)力集中的現(xiàn)象，但仰拱的開(kāi)挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)較大。為了加強(qiáng)隧道施工過(guò)程的安全性，本文將圍巖分級(jí)方法應(yīng)用于具體工程，對(duì)應(yīng)用圍巖變更的隧道進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，確定圍巖級(jí)別劃分的合理性以及平底隧道支護(hù)的穩(wěn)定性后再運(yùn)用FLAC3D有限差分軟件驗(yàn)證采用平底隧道代替仰拱的可行性。

1 圍巖動(dòng)態(tài)分級(jí)

本文對(duì)河北省內(nèi)承唐隧道、邢汾高速、承赤高速、承秦高速公路、張承高速公路上，共46座隧道進(jìn)行了調(diào)研統(tǒng)計(jì)，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)分析[11-14]，根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)的國(guó)內(nèi)外圍巖分級(jí)指標(biāo)可看出，國(guó)內(nèi)外的分級(jí)指標(biāo)大致相同，巖石堅(jiān)硬程度以及巖體完整程度對(duì)圍巖級(jí)別起到關(guān)鍵性影響?！豆匪淼涝O(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG-TD70）可確定圍巖亞級(jí)分級(jí)指標(biāo)和定性定量衡量巖石的硬度，定性衡量不光考慮巖石本身的成分、結(jié)構(gòu)及其成因等因素外，還需考慮巖石的受風(fēng)化作用程度。巖石單軸抗壓強(qiáng)度Rc與巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)Is可由現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載試驗(yàn)測(cè)得，測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示，單軸抗壓強(qiáng)度與點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)之間的關(guān)系可由《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》中的回歸公式（1）表示：

[Rc=22.82I0.75s（50）]。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度各參數(shù)中，巖體完整性受兩個(gè)因素影響，一是結(jié)構(gòu)面組數(shù)，二是結(jié)構(gòu)面平均間距。因此兩者是定性評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度的標(biāo)準(zhǔn)[15]，多數(shù)分為四級(jí)如表3所示。

巖石彈性縱波速度測(cè)試用于定量分析巖體完整性，測(cè)試得到的值按照公式（2）計(jì)算出巖體完整性指數(shù)Kv[16]，推斷出的定性值見(jiàn)表4。

[Kv=VpmVpr2]? ，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：[Vpm]為巖體彈性縱波速度（km·s-1）;[Vpr]為巖石彈性縱波速度（km·s-1）。

Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則巖體的力學(xué)性能參數(shù)可以由公式（3）計(jì)算的巖石BQ值和公式（4）計(jì)算的巖石強(qiáng)度指數(shù)GSI來(lái)確定。實(shí)現(xiàn)了圍巖亞級(jí)的劃分與數(shù)值模擬過(guò)程中力學(xué)指標(biāo)的選取。 對(duì)承赤高速公路17條隧道，83個(gè)工作面進(jìn)行了圍巖分級(jí)，圍巖變更情況如表5。

[BQ=90+3Rc+250Kv]，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

[GSI=0.2[BQ]-30]。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

赤承高速五標(biāo)段南溝隧道位于燕山地區(qū)，始于承德縣南溝村東。隧道區(qū)地層為侏羅紀(jì)泥巖、安山巖、角礫巖及花崗巖，選取代表性斷面進(jìn)行分析，該分析斷面位于南溝隧道出口（右洞）K65+680掌子面，面積長(zhǎng)×寬為6 m×2 m，存在3～4組節(jié)理，節(jié)理面平均間距0.2～0.4 m，圍巖較完整，JV=17。圍巖底部潮濕，局部有點(diǎn)狀出水滴，地下水影響系數(shù)K1=0.2;主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響系數(shù)K2=0.3，初始地應(yīng)力影響系數(shù)K3=0，計(jì)算得到圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)修正值[BQ]為322.4。隧道圍巖劃分等級(jí)為Ⅳ1級(jí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用平底隧道形式，采用壓力盒對(duì)該斷面圍巖和初期支護(hù)的接觸壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，壓力和布置圖如圖2。

監(jiān)測(cè)時(shí)間從2012年9月2日開(kāi)始，累計(jì)監(jiān)測(cè)22個(gè)月，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4和圖5所示。從9月2日開(kāi)始監(jiān)測(cè)，隧道初襯壓力隨工作面推進(jìn)，壓力不斷增大，至9月18日，約15～18天，初襯壓力趨于穩(wěn)定，其中拱頂壓最大達(dá)到112.3 kPa。

從10月23日開(kāi)始下臺(tái)階的開(kāi)挖對(duì)K65+680監(jiān)測(cè)斷面初襯壓力產(chǎn)生影響， 使得圍巖與初襯之間的壓力增大，拱頂增大并穩(wěn)定到177 kPa左右，上拱肩增大到84.6 kPa后降低并穩(wěn)定到68 kPa左右。 而下拱肩降低到0 kPa左右，認(rèn)為圍巖與初襯之間沒(méi)有力作用，圍巖達(dá)到自穩(wěn)，初襯相對(duì)穩(wěn)定。隧道下臺(tái)階的開(kāi)挖，使拱頂初襯壓力增加57%左右。隨著下臺(tái)階掌子面的推進(jìn)至2012年11月15日，即累計(jì)監(jiān)測(cè)74日，圍巖與初襯之間的壓力逐漸平穩(wěn)該斷面初襯處于受壓狀態(tài)， 對(duì)穩(wěn)定有利，12月1日，即監(jiān)測(cè)第90天，拱頂壓力增至215 kPa，之后一直到監(jiān)測(cè)結(jié)束，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力值大體保持不變。南溝隧道K65+680采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，初襯噴射混凝土層為C25混凝土，二襯采用C30素澆混凝土。通過(guò)監(jiān)測(cè)隧道噴射混凝土層的壓力數(shù)據(jù)，IV1級(jí)圍巖采用平底隧道結(jié)構(gòu)支護(hù)，隧道初襯支護(hù)符合穩(wěn)定要求。

3 隧道支護(hù)方式數(shù)值模擬

隧道圍巖的位移和彈塑性范圍可作為圍巖穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和隧道支護(hù)定量設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)[17-18]。本文使用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬，建立對(duì)比模型：模型1為平底隧道，模型2為仰拱隧道。重點(diǎn)分析了模型的豎向及水平位移和二次襯砌應(yīng)力的分布特征，論證圍巖級(jí)別劃分以及相應(yīng)支護(hù)的可行性。本文選取左線里程ZK65+580處的工程地質(zhì)情況作為建模依據(jù)。

3.1 計(jì)算模型及邊界條件

根據(jù)平底隧道采用三心圓模型，仰拱隧道采用五心圓模型，不設(shè)置超前支護(hù)。模型尺寸設(shè)計(jì)為100 m×51 m×100 m，隧道三維模型網(wǎng)格圖如圖6。初襯由錨桿和噴層混凝土共同組成，隧道底部的基礎(chǔ)梁由梁?jiǎn)卧M。隧道開(kāi)挖支護(hù)的模擬過(guò)程：先開(kāi)挖上半臺(tái)階斷面，每次開(kāi)挖進(jìn)尺3 m，等到上臺(tái)階初期噴錨支護(hù)完成后，再進(jìn)行下一個(gè)上半臺(tái)階的下一個(gè)循環(huán)，下臺(tái)階開(kāi)挖面與上臺(tái)階工作面間隔15 m，下臺(tái)階開(kāi)挖進(jìn)尺3 m，開(kāi)挖完成后進(jìn)行下臺(tái)階斷面的支護(hù)，待整個(gè)初期支護(hù)完成后選擇合適的時(shí)機(jī)進(jìn)行二次支護(hù)。

隧道模型支護(hù)結(jié)構(gòu)，采用Cable單元模擬桿，錨桿選擇中空注漿鎖腳錨桿。初期支護(hù)噴射混凝土由襯砌單元shell模擬，為Mohr-Coulomb模型實(shí)體單元，強(qiáng)度等級(jí)為C25。圍巖為Hoek-Brown實(shí)體單元。在FLAC3D數(shù)值模擬中，噴射混凝土的彈性模量由鋼拱架和鋼筋網(wǎng)的彈性模量折算得出，其計(jì)算公式為

[E=sc?Ec+sg?Egsc+sg] ， （5）

式中：E為折算后的混凝土彈性模量;[Ec]為原混凝土的彈性模量;[sg]為鋼拱架或鋼筋網(wǎng)截面面積;[sc]為混凝土截面面積;[Eg]為鋼材彈性模量。

初始應(yīng)力場(chǎng)僅考慮自重應(yīng)力影響，巖石力學(xué)指標(biāo)采用Hoek-Brown屈服準(zhǔn)則會(huì)更加接近實(shí)際巖石節(jié)理裂隙與非線性破壞，整體考慮巖塊風(fēng)化程度、應(yīng)力狀態(tài)與塊體結(jié)構(gòu)以及完整性系數(shù)。巖體參數(shù)mb，b，s，a的值由公式（6）、（7）確定，如表1所示。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)和公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG / T D71—2004），可選取圍巖和襯砌參數(shù)，見(jiàn)表6和表7。

1）對(duì)于GSI>25.0（Ⅲ級(jí)圍巖）

[mb=miexp（GSI-10028）s=exp（GSI-1009）a=0.5]。? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

2）對(duì)于 GSI<25.0（Ⅳ～Ⅴ級(jí)圍巖）

[mb=miexp（GSI-10028）s=0a=0.65-GSI200]。? ? ? ? ? ? ? ? （7）

式中：[mb]，a為針對(duì)不同巖體的量綱一的經(jīng)驗(yàn)參數(shù);s為巖體破碎程度。

3.2 目標(biāo)斷面主要檢測(cè)點(diǎn)分析

3.2.1 位移場(chǎng)分析

由于隧道開(kāi)挖擾動(dòng)造成的影響，變形已經(jīng)發(fā)生在掌子面前方數(shù)十米范圍的巖體中，現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)往往滯后開(kāi)挖面一定距離對(duì)隧道拱頂沉降進(jìn)行量測(cè)。圖7和圖8為隧道開(kāi)挖完成后的豎向位移圖。圍巖變形值隨著開(kāi)挖步數(shù)的增長(zhǎng)而增大，最后逐漸趨于穩(wěn)定。從圖9可知仰拱和平底隧道模型的沉降值基本重合，平底隧道模型最終沉降值為-5.136 7 mm，仰拱隧道模型最終沉降值為-5.209 7 mm，兩者幾乎無(wú)差異，說(shuō)明平底隧道模型對(duì)圍巖沉降起到和仰拱隧道模型一樣的支護(hù)作用。從圖7和圖8可看出拱頂沉降由拱頂向兩側(cè)遞減，最小值出現(xiàn)在拱腳處。從圖11可看出仰拱隧道對(duì)拱底隆起起到較好的抑制作用，仰拱隧道最終拱起值為4.517 2 mm，平底隧道最終拱起值為4.924 4 mm，仰拱隧道拱起比平底隧道減少8.26%。在邊墻水平位移方面，仰拱隧道略大于平底隧道，這是由于仰拱開(kāi)挖對(duì)圍巖擾動(dòng)較大。整體看來(lái)，兩模型沉降基本一致，底部拱起值及邊墻水平值差距小，故在此圍巖狀況下施工可用平底隧道代替仰拱隧道，可對(duì)底部采取鋪設(shè)混凝土減少拱起。

3.2.2 二次襯砌應(yīng)力分析

由于隧道的運(yùn)營(yíng)周期較長(zhǎng)，初期支護(hù)的承載作用到后期可能會(huì)減弱，二襯可作為隧道的安全儲(chǔ)備，二襯表面的應(yīng)力變化可作為隧道的安全指標(biāo)。由圖13和圖14可看出兩模型最大壓應(yīng)力都在拱腳處，平底隧道最大壓應(yīng)力值為11.912 MPa，仰拱隧道最大壓應(yīng)力值為11.287 MPa，均低于C30混凝土抗壓極限強(qiáng)度。由圖15、16可看出兩模型最大拉應(yīng)力位于隧道底部，平底隧道最大拉應(yīng)力值為1.893 5 MPa，仰拱隧道最大拉應(yīng)力值為1.666 4 MPa，均低于C30混凝土抗拉極限強(qiáng)度。兩者在承載應(yīng)力方面差距小。說(shuō)明平底隧道支護(hù)能滿足承載力要求。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)圍巖分級(jí)隧道斷面的施工監(jiān)控量測(cè)以及對(duì)隧道底部不同支護(hù)形式進(jìn)行數(shù)值分析，得到如下結(jié)論。

1）通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外隧道圍巖分級(jí)采用的指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析，確定了承赤高速公路隧道圍巖亞級(jí)動(dòng)態(tài)分級(jí)指標(biāo)獲取指標(biāo)的方法。圍巖級(jí)別變更后，動(dòng)態(tài)圍巖分級(jí)優(yōu)于初始分級(jí)的比例較多，為49.4 %。

2）現(xiàn)場(chǎng)典型斷面監(jiān)測(cè)初襯數(shù)據(jù)分析表明，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)所受到的圍巖壓力先增加后平穩(wěn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變形不收斂。在IV1級(jí)圍巖中采用平底支護(hù)結(jié)構(gòu)可以保證施工安全。

3）采用動(dòng)態(tài)圍巖分級(jí)后的參數(shù)通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比兩種模型，可看出平底隧道與仰拱隧道在拱頂沉降，底部拱起、邊墻水平位移以及二襯主應(yīng)力上的差距較小。說(shuō)明了該種圍巖條件下平底隧道結(jié)構(gòu)的合理性，驗(yàn)證了在Ⅳ1級(jí)圍巖隧道中采用平底隧道代替仰拱的可行性，其結(jié)果可以為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)。在施工方面，采用平底隧道支護(hù)能夠簡(jiǎn)化施工步驟，降低對(duì)圍巖的擾動(dòng)。在經(jīng)濟(jì)方面，更為節(jié)約成本。

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