軟弱粉砂巖隧道開挖變形特征研究

覃鐘欽,楊庭偉,盧超波,姜洪亮

(1.廣西壯族自治區公路隧道安全預警工程研究中心,廣西 南寧 530007;2.廣西道路結構與材料重點實驗室,廣西 南寧 530007;3.廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007;4.高等級公路建設與養護技術、材料及裝備交通運輸行業研發中心,廣西 南寧 530007)

0 引言

“十三五”期間,廣西公路通車總里程由2015年的11.8×104km提高至2020年的13.16×104km,增幅為11.5%。“十四五”期間,廣西著力提升交通運輸對外開放水平,建成基本綜合立體交通網,公路預期增幅為6.4%。在這龐大的交通里程中,公路隧道占比非常大。

開挖后初期變形量值大、速度快是軟弱圍巖隧道開挖變形的顯著特征[1-3]。如東西山隧道發生主支護大變形,襯砌開裂剝落[4];烏鞘嶺隧道由于圍巖大變形,圍巖坍塌[5]等。圍巖大變形易造成嚴重的人身安全和社會經濟損失,準確預測和研究軟巖變形特征規律對指導隧道安全施工、減少人員傷亡具有重要意義。

本文以粉砂巖隧道的Ⅴ級淺埋圍巖段作為研究對象,通過現場監控量測數據結合數值分析,對開挖后的圍巖在空間上的影響范圍進行研究,得到軟弱粉砂巖隧道開挖后對隧道周邊圍巖的影響范圍及圍巖變形特性,以優化現場施工、設計及監測方案。

1 隧道開挖變形研究

由于淺埋段軟弱粉砂巖具有強風化、易碎、吸水軟化等特性,隧道開挖后,開挖及已支護周邊圍巖易受到施工擾動,產生一定的影響區,大致分為塑性區及彈性區。彈性區對隧道開挖影響較小,認為在該區域內產生的巖體位移是可恢復的;塑性區范圍是研究軟巖隧道開挖后圍巖變形特征的重要影響參數。對于確定圍巖塑性區范圍的研究已有許多,比較常用的分析手段為小孔擴張理論,小孔擴張理論綜合考慮圍巖應力、空隙水壓及位移變化,可以得到線性或非線性巖體隧道開挖變形的合理解答。

軟巖隧道開挖后,由于圍巖壓力釋放是一個過程,圍巖變形在開挖范圍內呈現一定的分布特性。戴世偉等[6]建立基于N-K模型的致災因素耦合模型,得到大變形事故致災因素耦合影響性序列;陶永虎等[7]基于灰色理論對圍巖變形進行預測,驗證了灰色模型對軟巖大變形具有預測精度;韓常領等[8]從應力釋放和塑性流變兩方面對軟巖隧道擠壓性大變形的機理進行了分析;于維剛[9]以九綿高速公路白馬隧道為背景,從概率統計角度對已有監測預警數據進行統計分析,總結給出建議預警閾值。張標[10]基于Hoek-Brown屈服準則采用FLAC 3D軟件建立了三維隧道開挖模型,得到了修正的縱向變形曲線擬合公式,分析了不同巖質條件下開挖區圍巖變形特征。本文采用圍巖縱向變形曲線(Longitudinal Deformation Profile,以下簡稱LDP曲線)結合現場監控量測結果綜合分析,得到圍巖隨著隧道開挖掘進時的變形分布規律。

2 圍巖縱向變形曲線

LDP曲線綜合考慮圍巖性質、圍巖應力、地質構造等因素,直觀體現出隧道開挖過程中開挖面空間特性,反映圍巖變形及開挖后圍巖應力釋放與開挖面之間的關聯性。LDP曲線可以更好地描述和預測開挖掘進的影響范圍和影響程度。Vlachopoulos提出的二維軸對稱分析模型考慮了最大塑性半徑對圍巖變形的顯著影響,對分析圍巖變形的空間分布特性具有良好的適用性,其表達式如下[11]:

(1)

(2)

C′=2C/D

(3)

xi=li/D

(4)

Umax——掌子面后方初期支護變形穩定后的最大位移量(mm);

C——塑性區半徑(m);

D——隧道開挖洞徑(m);

li——距開挖面的距離(m);

xi——離掌子面的距離(m),xi<0即掌子面前方,xi>0為掌子面后方。

3 工程實例分析

3.1 項目概括

百灣隧道位于桂林市龍勝縣百灣村的山嶺中,地表水裂隙水發育,隧道全長1 355 m,隧道圍巖等級多為Ⅳ、Ⅴ級。隧址屬構造侵蝕低山丘陵深切割地貌區,隧道穿過低緩丘陵地區,地形起伏大,地面標高367.9～725.5 m,地面相對高差約372.5 m。本文選取Ⅴ級圍巖段ZK7+460～ZK7+510為分析斷面,其圍巖為強風化粉砂巖,薄層狀,整體破碎,開挖易掉塊、坍塌,開挖方式為預留核心土臺階法。依據室內試驗成果結合物探情況及有關規范綜合確定圍巖特性及物理指標如表1所示。

表1 圍巖特性指標表

3.2 監控量測結果分析

3.2.1 監控量測方案

為標定軟弱粉砂巖圍巖開挖后的最終累計位移量,結合現場工程地質條件,確定的監測方案如下:根據地質條件和工程特點,每10 m量測一個斷面,拱頂下沉和凈空收斂的測點布置在同一斷面上。采用徠卡全站儀TZ08型進行持續監測,測量精度優于0.5 mm。根據現場掌子面開挖的實際情況,圍巖變形監測示意圖如圖1所示。

圖1 圍巖變形監測示意圖

3.2.2 監控量測結果分析

選取監測段五個斷面的拱頂沉降情況作為分析重點,監測結果如圖2所示。

圖2 拱頂沉降監測結果圖

由上圖可以看出,當圍巖趨于穩定時,最大沉降量Umax為32.0 mm,隨著隧道開挖掘進的進行,已開挖面的隧道周邊位移收斂會受到影響。約為0.5～1倍洞徑時,圖形斜率最大,開挖所造成的空間效應的影響最大,大于2倍洞徑時趨于平緩,在超過2.1倍開挖洞徑時開挖的影響趨于零。

3.3 圍巖變形特征分析

結合國內、外學者對軟巖開挖的塑性區的研究成果,圍巖塑性區比例C/D取1.5[12]。LDP曲線計算參數如表1所示。

表1 LDP曲線計算參數表

將計算參數代入式(1)可得圍巖縱向變形曲線如圖3所示。

圖3 圍巖開挖特征分析曲線圖

速調開挖后,短時間內掌子面圍巖會釋放一部分位移,由圖3可知,開挖面處(xi=0)的位移釋放量為8.1 mm,占遠處已穩定斷面總變形量的25.0%左右。隧道開挖縱向影響范圍大致為2.1倍開挖洞徑,在未開挖區域的影響范圍大致為開挖洞徑的2倍。

4 結語

研究表明,粉砂巖地區隧道Ⅴ級不良圍巖段開挖后,短時間內圍巖會釋放掉約25%的位移量;開挖影響范圍大致為前后2倍開挖洞徑,同時考慮到臺階法的分步開挖會產生擾動,實際的開挖影響半徑應大于2倍開挖洞徑。本文研究結果對在已有建筑物旁新修隧道或其他大型構造物制定合理的監測方案具有重要的參考意義,同時可為其他巖質隧道開挖變形特征研究提供參考。