砂巖夾泥巖地層隧道圍巖穩定性分析及支護對策研究

馮志華,胡 剛,羅 仙,王京力

(1.河北省交通規劃設計研究院有限公司 石家莊市 050000;2.云南省楚雄彝族自治州交通工程技術服務站 楚雄市 675000;3.云南省楚雄彝族自治州公路工程質量監督站 楚雄市 675000)

0 引言

云南省屬山地高原地形,有廣泛的沉積巖地層分布,其中砂巖夾泥巖地層由于組成結構特殊、巖性差異大,常常在工程中以不良地質構造的角色出現,稍有不慎就會造成坍塌失穩或大變形發生[1-6]。隨著我國基礎設施建設的快速發展,泥巖與砂巖組合地層下的一些邊坡工程、隧道工程中出現的工程問題被不斷解決,取得了一定的學術進展并積累了一些工程經驗。但泥巖與砂巖組合地層隨著周邊地質環境與成因的不同而千變萬化,在具體的工程表現出的問題也不盡相同。擬建的云南某高速公路在楚雄彝族自治州境內大面積穿越砂巖夾泥巖地層,為合理規避隧道開挖中的風險,依據既有的勘察資料進行不同地層傾斜角度下的砂巖及泥巖開挖數值分析,以期提前研究得到圍巖受力與變形規律,為相關隧道設計與施工提供參考。

1 工程背景

云南某擬建高速公路設計時速80km/h,隧道建筑限界采用10.25m×5.0m,路線在楚雄彝族自治州內大面積穿越砂巖夾泥巖地層,地層組合厚度與傾角不盡相同,但以傾斜狀居多。勘察成果顯示,路線區域內為侏羅系中統蛇店組(J2s)厚層狀砂巖夾泥巖、侏羅系上統妥甸組(J3t)泥巖夾砂巖、白堊系下統高豐寺組(K1g)、侏羅系上統張河組(J2z)。泥巖屬粘土質巖,地勘鉆孔揭示泥巖屬軟巖、極軟巖,地表多風化成碎顆粒狀、土狀,遇水易崩解,巖體呈碎裂狀結構、散體狀結構,多呈紫紅色。砂巖多呈現紅褐色,多為較堅硬巖、堅硬巖,主要呈層狀結構、碎裂狀結構,局部呈塊狀結構。

2 數值模型

2.1 模型建立

為全面研究不同傾角砂巖夾泥巖地層下隧道開挖后圍巖的變形與受力特征,對地層傾斜、水平、豎直三種工況進行建模分析,建立3種工況如表1所示。

表1 模擬工況表

采用Midas GTS NX建立單幅隧道2D模型進行開挖分析,兩車道隧道實際需要開挖的跨度約13m,考慮邊界效應,模型水平方向尺寸為90m。以洞口V級圍巖淺埋段施工為例,隧道埋深取40m,整體高度約80m。隧道模擬三臺階法開挖,依次實現不同臺階開挖并支護,共8步完成,即初始模型(位移清零)→開挖上臺階→上臺階支護→開挖中臺階→中臺階支護→開挖下臺階→下臺階支護→開挖仰拱并支護。不同工況模型如下圖1～圖4所示。

圖1 工況1傾斜地層隧道模型

圖2 不同工況下整體總位移云圖

2.2 材料參數

隧道初期支護采用梁單元模擬,采用C25噴射混凝土,厚度為27cm,鋼架采用I20b工字鋼,縱向間距為0.6m,通過等效剛度理論進行計算,如式(1)所示,取材料均一后的彈性模量進行計算。

(1)

式中:Ec為折算后混凝土彈性模量,單位為GPa;Eo為原混凝土彈性模量,單位為GPa;As為鋼架截面面積,單位為cm2;Es為鋼材彈性模量,單位為GPa;Ac為混凝土截面面積,單位為cm2。

錨桿采用植入式桁架單元模擬,采用D25中空注漿錨桿,長度為4m,縱環向間距為0.6×0.75m。圍巖材料參數參照地質勘察報告中成果進行取值,各材料參數具體如表2所示。

表2 計算模型參數

2.3 結果分析

對不同階段的模型進行對比分析,提煉隧道施工完成后的圍巖變形狀況、初支結構的彎矩與軸力、錨桿軸力、塑性破壞區四個指標進行比對。

2.3.1圍巖變形特征

各工況情況地層總位移如圖3所示。在傾斜巖層下,砂巖夾泥巖的最大變形為3.2mm,且變形具有明顯的單向傾斜性,位移向傾斜方向偏移。工況2最大變形為1.4mm,工況3最大變形為3mm,表明在水平砂巖夾泥巖地層下隧道開挖最為有利。

圖3 不同工況下整體變形云圖

2.3.2初期支護受力

不同工況下整體變形如圖4所示。工況1支護結構在傾斜一側存在明顯的軸力增大區段,最大軸力分別為1320kN,且呈現非對稱分布,該位置更容易發生襯砌的開裂與脫落。工況2、工況3最大軸力分別分布在拱腳和拱腰位置,數值分別為61kN、74kN,遠小于傾斜地層軸力分布,表明砂巖夾泥巖傾斜地層支護結構受力增大近一倍。傾斜地層下初期支護宜加強。

圖4 不同工況下錨桿受力圖

2.3.3錨桿受力

從圖5中可見,錨桿軸力在砂巖夾泥巖不同地層傾角下具有明顯的差異性,軸力在更容易變形的泥巖段往往更大。在傾斜地層工況下,傾斜側(左側)錨桿受力普遍較非傾斜側高,表明向傾斜側加密錨桿具有實際作用,傾斜側泥巖層軸力多以30kN為代表。工況2表明,在水平地層分布下,錨桿呈現頂部受拉、下部受壓的基本規律,最大軸力僅7kN。工況3地層在垂直分布情況下,頂部錨桿受力小于拱腰處錨桿受力,最大軸力在30kN左右,整體受力介于工況1與工況2之間。

圖5 不同工況下塑性破壞區分布

2.3.4塑性破壞區

圍巖塑性區的分布可用來判別圍巖強度破壞區分布,從而判斷主要的受力不利區域。不同工況塑性區分布如下圖5所示,傾斜地層下隧道在兩側拱墻周邊接觸的泥巖層為圍巖塑性區分布帶,水平地層情況下圍巖沒有破壞區域,最安全,未展示;豎直地層情況下,隧道僅在拱腰位置與拱腳位置處存在塑性區。

3 工程案例

(1)案例1[5]:玉磨鐵路會崗山隧道位于云南省西雙版納州, 隧道長8903m,最大埋深360m,地層為強風化～中風化泥巖夾砂巖,圍巖破碎、局部較破碎,巖質軟 ,呈明顯層狀分布,掌局部滲水, Ⅳ、Ⅴ級圍巖占比達70%。隧道在洞口段埋深40m左右處發生大變形,造成初支侵限,侵限厚度為12.7～28.6cm。

(2)案例2[4]:鄭萬高鐵重慶段某隧道,最大開挖跨度達15 m,穿越長距離順層段落,巖性以泥巖夾砂巖為主, 施工中出現初支開裂、大變形、侵限問題,順層傾斜巖層下隧道大變形具有明顯的非對稱性,且順層一側圍巖壓力明顯大于另一側。

(3)案例3[2,6]:由泥、砂巖互層或厚層砂巖夾泥巖等形成的類似“夾心餅干”的軟硬互層近水平層狀結構邊坡,是三峽庫區分布較為廣泛的一種結構類型邊坡。泥巖更容易風化、遇水軟化,使得砂巖層失去支撐而崩塌滑落,造成了三峽庫區最為常見的一種地質災害。

以上三個工程案例均為泥巖與砂巖地層組合地質情況下的典型工程地質問題,共同規律有以下幾點:

(1)傾斜砂巖層與泥巖層組合情況下,隧道更容易發生單側偏壓及單側大變形;

(2)由于泥巖力學指標低、開挖后易風化,其在地層中先行破壞,改變了砂巖地層的穩定條件造成其隨屬破壞;

(3)隧道開挖后需及時封閉圍巖,避免泥巖與空氣、水汽接觸后發生風化崩解。

實際工程中,砂巖與泥巖組合地層可能受到其他地質環境因素的影響成為不良地質,總結如表3所示。

表3 砂巖與泥巖地層在不利地質環境下的特征一覽表

4 結論

基于云南某擬建的高速隧道工程的地質情況為依托,開展了Midas NX 有限元建模分析,通過對包含三種地層傾角工況數值分析及既有工程案例對比,得到主要結論如下:

(1)與地層豎直分布及水平分布相比,傾斜地層下砂巖夾泥巖地層整體圍巖變形、支護結構受力均更大,塑性區分布也更廣,隧道圍巖穩定性相對更差。水平地層分布最為穩定,豎直地層分布較水平地層分布稍差。

(2)水平層狀砂巖夾泥巖地層更容易形成承載拱,相應的支護結構受力、圍巖變形、塑性區域均較小。地層豎直分布時拱腰及拱腳為主要的不穩定區域。因此,傾斜地層下初期支護在常規措施上宜加強。

(3)從錨桿軸力分布、塑性區分布可知,泥巖地層為主要的不穩定地質體,受力后更容易發生破壞,發生掉塊或持續變形等問題,并可導致砂巖隨屬破壞。

(4)不同地層傾斜角度下,錨桿與地層垂直時均受力最大,泥巖段軸力明顯大于砂巖段。因此,建議傾斜地層下錨桿與層理垂直,并進行有針對性加密加強。

(5)對國內類似工程案例總結表明,實際工程案例中呈現的地層特征與數值分析結論基本吻合。砂巖與泥巖組合地層多是在傾斜下出現失穩、大變形,采用及時封閉圍巖、加強初期支護、錨桿與層面垂直等措施具有顯著效果。