全風化花崗巖地層隧道施工穩定敏感性分析

譚李峰

(中鐵十九局集團第二工程有限公司，遼寧 遼陽 111010)

全風化花崗巖地層隧道開挖后圍巖表現為砂土狀態，穩定性差，易出現沉降過大和隧道坍塌等災變[1-2]，而該地層在中國華南、西南等地區花崗巖分布廣泛[3]，給地下工程的建設帶來極大的風險和挑戰，因此探究全風化花崗巖地層下的圍巖變形控制技術重要而且迫切。

目前對于圍巖穩定性的控制技術已經較為成熟[4-5]，但是鮮有涉及圍巖的物理力學參數對圍巖變形的敏感性分析。本文以團結隧道為工程依托，基于現場鉆探、室內試驗和數值模擬對圍巖物理力學參數對隧道變形的影響進行分析，研究結果可為團結隧道及類似工程的圍巖參數設計提供借鑒和參考。

1 工程概況

團結隧道進口里程DK145+999，出口里程DK151+329，全程5 330 m，隧道最大埋深約223.5 m。隧道洞身處分布多條沖溝，雨季時有水流通過，水流量變化較大，隧道單日正常涌水量5 243 m3/d，最大涌水量15 096 m3/d。現場地質鉆探結果如圖1所示，花崗巖地層風化嚴重，呈砂土狀，圍巖穩定性差，施工過程中常出現支護結構破壞等災變現象。

圖1 現場地質鉆探結果

2 計算模型及參數

基于全風化花崗巖地層物理力學性質差的特性，本文通過數值模擬探究全風化花崗巖地層的穩定性隨物理力學參數的變化規律并進行敏感度分析。采用FLAC有限差分軟件進行數值模擬，依據圣維南原理，計算模型的左右及下邊界取4倍洞徑，隧道埋深按實際埋深，采用彈塑性模型和 Mohr-Coulomb 屈服準則，隧道底部約束豎向位移，四周約束水平位移，模型共103 800個單元，計算模型如圖2所示。選取開挖面為40 m處的斷面為監測斷面，監測點分別為拱頂、側墻和仰拱。根據室內土工試驗(圖3)和設計資料確定圍巖和支護結構的力學參數如表1所示。本文取無支護時應力釋放率為30%，初期支護承擔70%的圍巖應力釋放。鋼架和噴射混凝土在計算模型中采用等效剛度進行計算,具體計算如式(1)所示。

表1 全風化花崗巖和支護結構物理力學參數

圖2 計算模型

圖3 物理力學試驗

(1)

式中：E為噴射混凝土折算后的彈性模量；E0為原噴射混凝土的彈性模量；Sg為鋼架的鋼筋截面積；Eg為鋼架的彈性模量；Sc為噴射混凝土截面積。

3 計算結果

3.1 計算工況

本文基于敏感度分析，對彈性模量、粘聚力和內摩擦角對隧道變形的影響進行分析。計算工況為：彈性模量取值范圍，70、110、150、190、230 MPa；粘聚力取值范圍，120、160、200、240、280 kPa；內摩擦角取值范圍，25°、29°、33°、37°、41°。

3.2 敏感度分析理論

定義敏感度函數為[6]

(2)

式中:P為系統特性值，ak為影響因素。

當|Δak|/ak比較小的情況下有：

(3)

(4)

(5)

3.3 圍巖參數敏感性分析

彈性模量計算工況下的水平和豎向位移云圖如圖4所示。

圖4 位移云圖

不同彈性模量下的隧道變形數值模擬值及其擬合曲線和敏感度因子如圖5所示。圖5表明隧道40 m監測處的拱頂沉降、水平收斂和仰供隆起隨著彈性模量的增大表現為減小的變化趨勢，這是因為隨著彈性模量的減小，土體的應力應變比降低，從而導致剛度的降低和彈塑性的增強，進而導致變形增大。當彈性模量由70 MPa增加至230 MPa時，拱頂沉降由93.8 mm減小至68.5 mm，降低30.0%；水平收斂由85.5 mm減小至63.7 mm，降低25.5%，仰供隆起由79.9 mm減小至64.2 mm，降低19.6%。拱頂沉降和水平收斂的敏感度因子值隨彈性模量的增大表現為先增大后減小、仰供隆起則表現為增大趨勢，最大敏感度因子分別為0.62、0.51和0.364。

圖5 彈性模量對圍巖穩定性影響

不同粘聚力下的隧道變形數值模擬值及其擬合曲線和敏感度因子如圖6所示。圖6表明隧道40 m監測處的拱頂沉降、水平收斂和仰供隆起隨著粘聚力的增大表現為減小的變化趨勢，當粘聚力由120 kPa增加至280 kPa時，拱頂沉降由104.9 mm減小至79.8 mm，降低25.1%；水平收斂由95.8 mm減小至68.7 mm，降低28.3%；仰供隆起由89.7 mm減小至64.9 mm，降低27.6%。隨著粘聚力的增大，隧道變形的敏感度因子值總體表現為先減小后增大的變化規律，最小敏感度因子分別為0.05、0.37和0.32。

圖6 粘聚力對圍巖穩定性影響

不同內摩擦角下的隧道變形數值模擬值及其擬合曲線和敏感度因子如圖7所示。圖7表明隨著內摩擦角的增大，40 m監測處拱頂沉降、水平收斂和仰供隆起值均表現為減小的變化趨勢。當內摩擦角由25°增加至41°時，拱頂沉降由88.8 mm減小至87.2 mm，降低1.8%；水平收斂由79.6 mm減小至78.0 mm，降低2.0%；仰供隆起由76.0 mm減小至74.4 mm，降低2.1%。拱頂沉降的敏感度因子值隨著內摩擦角的增大總體表現為先增大后減小再增大的變化規律，水平收斂表現為遞減的變化規律，而仰供隆起則表現為先減小后增大的變化趨勢。

圖7 內摩擦角對圍巖穩定性影響

各物理力學參數下的修正敏感度因子如表2所示。表明在控制隧道變形上，粘聚力的影響最大，彈性模量影響次之，內摩擦角影響最小。

表2 敏感度因子

4 現場施工及監測

根據敏感性分析結果，現場對于Ⅴ級圍巖地層隧道施工過程中采取的支護措施主要包括：Ⅴa型復合式襯砌、超前小導管以及三臺階臨時橫撐法。超前小導管采用熱軋無縫鋼管，直徑42 mm，壁厚3.5 mm。襯砌結構采用C25噴射混凝土和鋼筋混凝土二次襯砌。為保證隧道施工過程中的穩定性，現場對圍巖變形進行監測，隧道變形及沉降速率監測結果如圖8所示。圖8結果表明采取現場支護措施后，圍巖在隧道施工36 d后基本保持穩定，拱頂沉降最大值58.3 mm，水平收斂最大值54.7 mm，表明現場采取的支護方案有效。

圖8 現場監測結果

5 結論

(1)粘聚力對圍巖變形的影響最大，內摩擦角的影響最小，彈性模量的影響介于二者之間。隨著物理力學參數的增大，圍巖變形表現為減小的趨勢。

(2)現場監測結果表明依托工程采取的支護方案能夠有效保證施工的穩定性，圍巖在施工后36 d保持基本穩定。