基于收斂-約束法的廣西某隧道圍巖支護時機研究

周小生,陳嘉臻,李宇峰,潘 宇

(廣西龍馬高速公路有限公司,廣西 南寧 530022)

0 引言

隨著我國高速鐵路、高速公路網絡的規劃實施,大量鐵路、公路隧道在我國西部和南部山嶺地區開工建設,隧道施工的安全性、經濟性是隧道設計中需要考慮的問題。新奧法是隧道建設中常用的一種方法,該方法充分利用了圍巖開挖自穩定的特征,通過考慮支護結構體系與圍巖的變形耦合效應,既充分發揮了支護結構的支護作用,又實現了將隧道圍巖的變形控制在較小范圍內的目標,保障了隧道建設的安全性和經濟性[1-2]。基于圍巖“收斂-約束”變形與應力響應特征的隧道支護時機的確定是隧道新奧施工法的核心技術,也是決定新奧法施工效果的關鍵因素,如何確定隧道的合理支護時機一直是隧道施工的技術難點[3]。

本文以廣西天峨縣境內崗嶺隧道為依托,選取基于收斂-約束法的隧道支護時機判斷方法作為隧道支護時機的研究方法,結合工程實際演算了隧道開挖彈塑性變形特征,分析了噴射混凝土、錨桿、鋼拱架等支撐結構的支護特征曲線,計算了隧道的最佳支護時機及收斂-約束平衡狀態。研究結果可為崗嶺隧道支護時機的選擇提供參考。

1 工程概況

廣西壯族自治區天峨至北海高速公路(天峨縣經鳳山至巴馬縣段)沿線隧道占比高達47.75%,隧道的安全建設對于該高速公路的順利貫通起著決定性作用。崗嶺坡公路隧道是該高速公路沿線的一處關鍵隧道,位于天峨縣崗嶺屯東南方向大約500 m處[4-5]。隧道建設區屬于剝蝕低山地貌,山體連綿不斷,隧道建設區表層覆蓋全-強風化粉砂巖,山體溝谷因地質構造原因較為發育,沖溝切割較深,沖溝坡度較大,隧道的最大埋深為262～275 m,見圖1。

圖1 隧道軸線剖面圖(m)

崗嶺隧道賦存巖體為三疊系中統粉砂巖,巖體的風化程度為全風化、強風化和中風化。其中,全風化粉砂巖主要分布在山坡的表層;強風化粉砂巖節理裂隙發育呈碎裂狀結構,巖體完整程度以破碎為主,主要分布于隧道進出洞口,工程穩定性差;中風化粉砂巖主要為中厚層狀構造,節理裂隙發育情況為較發育到不發育,巖體呈現較破碎到較完整分布,工程穩定性較好。崗嶺隧道主要賦存于中風化粉砂巖中,圍巖的整體力學參數見表1。

表1 圍巖的力學參數取值表

2 基于收斂-約束法的支護時機分析方法

2.1 收斂-約束法的基本原理

收斂-約束法是一種綜合考慮圍巖變形與支護力時空耦合作用效果的隧道支護設計方法,該方法隨著新奧法施工技術的興起而逐漸應用于隧道工程。收斂-約束法的核心思想是在隧道開挖后,允許隧道圍巖在無支撐作用下發生一定的初始變形,充分發揮了圍巖的自穩能力,待初始變形達到某一量值,再對圍巖施加支護作用,從而使圍巖在外加約束作用下達到收斂,實現支護結構的高效率利用。收斂-約束法的主要技術指標包括圍巖縱向變形曲線(LDP)、圍巖支護特征曲線(SCC)和圍巖收斂曲線(GRC)[6-7],見圖2。

(a)隧道開挖變形過程

圍巖縱向變形曲線LDP反映了隧道掌子面不斷向前推進的情況下,隧道軸線方向某斷面處拱頂豎向位移隨掌子面前進距離的變化情況。圖2中,x<0表示隧道掌子面前方未開挖圍巖,x>0則掌子面后方已開挖圍巖;u表示隧道的拱頂豎向位移沿軸向方向的分布情況:在隧道掌子面的前方、掌子面及其后方的開挖卸荷引起巖層擾動,圍巖出現了較小的變形;u0為掌子面處頂拱的初始位移,隨著掌子面不斷向前推進,隧道拱頂位移逐漸變形到最大值umax。圍巖支護特征曲線SCC反映了隧道施加支護結構后,支護結構與圍巖的耦合變形量u和支護結構所產生的支護反力之間的關系,如圖2中線段EF所示。E點表示支護體系剛施加時的受力狀態;隨后支護結構與圍巖發生耦合變形,并且隨著變形的累積,支護結構的受力狀態逐漸從E點向F點移動;當支護結構的受力狀態到達F點時,支護結構所能提供的支護反力達到了最大值Plim,此時如果隧道圍巖與支護結構繼續發生變形,則支護結構將發生屈服。

圍巖收斂曲線GRC反映的是隧道圍巖的收斂位移u和支護反力P0兩者間的關系,見圖2中A、B、C三點所連接形成的曲線。隧道未開挖時,圍巖的支護反力與初始地應力相等,見A點;隨著開挖的進行,隧道掌子面處圍巖的應力不斷釋放,使掌子面圍巖的豎向位移u不斷增加。初始階段圍巖的卸荷應力與豎向變形呈線彈性關系,見圖2中AB線段;隨著隧道掌子面進一步開挖,隧道卸荷應力增大,圍巖逐漸進入到塑性階段,出現明顯的塑性變形,見圖2中BD段;當隧道掌子面開挖完成后,隧道變形進一步增大,并且隨著隧道掌子面的前移,已開挖完成的隧道斷面的位移逐漸增大,直至達到隧道無支護條件下的最大變形umax,見圖2中DC段。

2.2 位移釋放系數與支護時機

本文采用位移釋放系數法確定隧道的最佳支護時機。基于位移釋放系數的支護時機確定方法是通過分析隧道施工后各個開挖面的變形釋放狀態,從而確定掌子面后方已開挖隧道的最佳支護時機(即支護點距掌子面的距離)。

如圖3所示給出了隧道開挖但未施加支護結構情況下,隧道軸線方向拱頂豎向位移的分布形態。將隧道開挖后軸向任意位置x處某時刻頂拱豎向位移與隧道開挖后頂拱的最大豎向位移的比值稱為位移釋放系數u*(x),即:

圖3 隧道開挖未支護下拱頂豎向位移計算曲線圖

(1)

以位移釋放系數u*(x)為控制指標是隧道時空支護設計的一種有效方法,可用于指導隧道支護時機的選擇[8]。該方法的設計計算流程為:(1)隧道開挖施工后,距離掌子面遠端處的拱頂逐漸釋放產生位移,待頂拱位移逐漸收斂后,得到隧道在無支護情況下的最大變形值umax;(2)根據開挖中位移釋放系數u*(x)與圍巖最大變形值umax的乘積確定支護的起點,由此可以計算得到隧道支護后的最終變形量值,即隧道頂拱支護情況下的最大變形量值為支護特征曲線與圍巖特征曲線的相交點位置所對應的變形。

3 崗嶺隧道最佳支護時機分析

3.1 隧道開挖的彈塑性應力-位移分析

根據已有的研究結果,假定隧道圍巖開挖卸荷過程的應力-應變力學響應特征符合理想彈塑性模型,且圍巖的屈服特征服從摩爾-庫侖強度準則,若將側壓力系數取為1,則隧道開挖后拱頂位移的變形特征符合式(2)。

(2)

式中:r0——隧道半徑(mm);

c——隧道圍巖的粘聚力(MPa);

φ——內摩擦角(°);

E——彈性模量(GPa);

μ——泊松比;

P0——支護結構提供的支護反力(mPa)。

參數A為:

(3)

Rp和R0分別為卡斯特納塑性半徑和芬納塑性半徑,其表達式為:

(4)

(5)

Pi為巖體所需的支護力,為:

(6)

將依托工程崗嶺隧道的幾何參數及隧道圍巖的力學參數代入式(2),可計算得到隧道圍巖變形隨支護力的變化關系曲線,見圖4。

圖4 崗嶺隧道拱頂徑向位移-支護反力響應曲線圖

由圖4可知:隨著支護反力的增加,隧道圍巖變形呈現反比例曲線型降低的趨勢;當支護阻力近似為0時,隧道拱頂徑向最大變形將>12 mm,而當支護反力>1.5 MPa時,隧道頂拱徑向變形將<1.6 mm。此外,圖4給出的隧道變形曲線可用于指導后續隧道支護時機的選擇。

3.2 隧道支護結構的力學特性分析

依托工程崗嶺隧道采用噴射混凝土、錨桿、鋼拱架的聯合支撐結構體系對開挖隧道進行初期和二次支護,為了確定隧道的最佳支護時機,需要充分認識各種支護結構的變形-支護力特性。如圖5所示給出了噴射混凝土、錨桿、鋼拱架等隧道支護結構的理想彈塑性模型(即支護特征曲線SCC)。由圖5可知,支護特征曲線SCC分為線彈性階段和屈服階段,其中,當支護結構處于線彈性階段時,支護結構所提供的支護反力隨支護結構的變形呈線性增長趨勢,而當支護結構提供的支護反力達到最大值Pmax時,支護結構發生屈服,其所能提供的支護反力不再隨變形的增加而增加,直至支護結構因變形過大而發生破壞。

圖5 理想彈塑性模型的支護特征曲線圖

如圖6所示給出了崗嶺隧道采用的3種支護結構的支護特征曲線。

圖6 崗嶺隧道支護結構的支護特征曲線圖

(1)噴射混凝土支護特征曲線:噴射混凝土在隧道支護中提供的支護反力的大小受隧道半徑和混凝土層厚度的影響,根據崗嶺隧道中采用的噴射混凝土支護參數,得到崗嶺隧道噴射混凝土在C25混凝土等級、200 mm厚度(泊松比為0.2)情況下的支護特征曲線,如圖6所示。

(2)錨桿支護特征曲線:隧道開挖會引起開挖面向內一定深度的巖層發生裂化,錨桿的主要作用是將裂化巖層錨定于圍巖深部完整巖層之上,從而避免圍巖裂化后發生進一步的滑移和拉伸破壞,保證圍巖的整體穩定性。崗嶺隧道采用的錨桿長度為1.8 m,直徑為24 mm,彈性模量為200 GPa,布設間距為0.8 m×0.8 m,根據學者針對錨桿的支護特征曲線的研究結果[9-10],可計算得到崗嶺隧道錨桿的支護特征曲線。

(3)鋼拱架支護特征曲線:鋼拱架沿隧道軸向間距0.6 m布設,型號為Ⅰ22b,截面高度為220 cm,截面面積為46.528 cm2,彈性模量為210 GPa;根據學者提供的鋼拱架剛度計算公式,結合崗嶺隧道鋼拱架的型號和規格,得到鋼拱架的支護特征曲線如圖6所示。

3.3 隧道最佳支護時機及支護效果分析

學者針對隧道最佳支護時機問題,從現場監測、數值模擬等方面開展了大量研究。文獻[9]基于隧道實測資料,在文獻[10]研究的基礎上,提出了隧道支護時機確定方法,即當隧道變形達到u0時施加支護:

(7)

式中:l——隧道掌子面后端開挖后為未施加支護結構段距離掌子面的距離。

如圖7所示為依托工程崗嶺隧道收斂-約束平衡曲線圖。根據式(2)及圖4可以得到圍巖未支護條件下的最大變形量為12.39 mm,進一步根據式(7)求得最佳支護時機,即圍巖頂拱豎向位移達到3.87 mm時進行支護。在該支護條件下,噴射C25混凝土200 mm厚所能提供的支護反力為321.6 kPa;錨桿排距0.8 m×0.8 m,所能提供的支護反力為890.6 kPa;鋼拱架沿隧道軸向間距0.6 m布設,所能提供的支護反力為956.0 kPa。支護后圍巖的最終變形約為6.24 mm。

圖7 崗嶺隧道收斂-約束平衡曲線圖

4 結語

本文以廣西天峨縣境內崗嶺隧道為研究案例,采用基于收斂-約束法的隧道支護時機確定方法,分析了隧道彈塑性變形特征及聯合支撐結構的收斂-約束狀態,確定了崗嶺隧道圍巖最佳支護時機。結果表明:

(1)崗嶺隧道頂拱豎向變形隨支護反力的增加呈反比例曲線型降低,在無支護條件下隧道頂拱變形為12.39 mm,而當支護反力>1.5 MPa時隧道頂拱徑向變形將<1.6 mm。

(2)崗嶺隧道開挖后變形達到3.87 mm時為最佳支護時機,在最佳支護時機施加聯合支撐體系后,隧道的最終變形可控制在6.24 mm左右;在聯合支撐體系作用下,噴射混凝土、錨桿和鋼拱架可分別提供321.6 kPa、890.6 kPa和956.0 kPa的反力。