高地應力斷層破碎帶隧道變形及受力特征研究*

馬藝虎,周容名,周春雨,張衛衛,王小偉,郭炎偉

(1.河南省欒盧高速公路建設有限公司,河南 洛陽 471500; 2.長安大學公路學院,陜西 西安 710064; 3.河南省沿太行高速公路有限公司,河南 鄭州 450016; 4.河南省交通規劃設計研究院股份有限公司,河南 鄭州 451460)

0 引言

隨著我國在中西部地區高速公路建設的增多,不良地質條件和不斷提升的建設標準要求對隧道的結構設計要求也日益提高。由于斷層破碎帶處節理、裂隙發育,含水豐富,開挖時易出現隧道拱頂坍塌、涌水、突泥、隧道掌子面大面積塌方等施工災害,因此對高地應力斷層破碎帶圍巖的變形特征和機制研究具有重要的工程意義和實際價值。

為了解決高地應力條件下隧道穿越斷層破碎帶施工困難問題,許多學者通過數值模擬技術結合現場試驗監測數據對隧道開挖支護進行了優化設計,在克服高地應力條件下隧道施工方面取得了豐富成果[1-4]。萬飛等[5]通過對關角隧道斷層破碎帶隧道襯砌受力和支護結構變形進行現場監測,發現原方案的施工工序并不能滿足設計要求,并提出提高支護結構剛度和環向注漿等方法進行加固,并用數值模擬驗證了其想法。陳曉祥等[6]提出“超前預注漿+錨網索”的支護方式控制斷層破碎帶變形,通過數值模擬與原設計方案相比塑性區面積顯著減小。劉志春等[7]對烏鞘嶺隧道斷層大變形段進行現場測試,深入分析了圍巖壓力對支護結構影響。劉泉聲等[8]通過地表預注漿技術提高了巷道穿越斷層破碎帶能力,極大地提高了圍巖的自承能力。楊青瑩[9]通過數值模擬手段分別從斷層破碎帶厚度、傾角、水頭壓力的角度探究其對隧道孔壁位移的影響,結果表明圍巖最大位移分別與斷層破碎帶處的傾角、水頭壓力和厚度呈拋物線、線性和指數遞減關系。王道遠等[10]在新蓮隧道采用了剛性強支護、超前導洞+擴挖等方案進行現場試驗研究,發現“超前導洞+擴挖”方案可有效控制隧道變形。李鵬飛等[11]通過對軟巖隧道初支結構受力和圍巖深部變形進行系統性監測和分析,發現襯砌受力在空間上呈現“上部大,下部小”特點,合理設計初支和超前支護能有效控制大變形發展。丁振遠等[12]針對柿子園高地應力隧道提出在隧道初支設計時可采用非對稱預留變形和布設錨桿方式控制隧道變形。李曉紅等[13]通過對共和隧道現場松動圈范圍的檢測,并將所得數據與數值模擬結果對比分析,發現二者松動圈范圍基本一致,且層狀圍巖破壞方向主要分布在與巖體層理垂直的方向上。張德華等[14]采用先柔后剛的支護方案,即先設立格柵拱架后采用鋼架套拱支護方式,能給予圍巖充分變形空間,且襯砌受力明顯小于傳統的剛性支護方式。

上述研究成果對控制高地應力斷層破碎帶處隧道大變形提供了施工方案,但對高地應力條件下圍巖的變形規律和支護結構受力特征的研究還不夠豐富。本文以高速公路隧道穿越高地應力石英巖構造斷層破碎帶為工程依托,在隧道開挖后對斷層破碎帶處圍巖變形、鋼架應力、圍巖-初支壓力進行了實時監測。結合隧道區域的地應力空間分布特征,圍巖節理發育情況,分析了斷層破碎帶處圍巖的變形及受力規律特征,并對斷層破碎帶的變形控制提出相應的優化支護設計方案。

1 工程概況

河南某高速公路隧道工程位于秦嶺東西復雜構造帶南亞支的西段,隧道左起ZK52+627—ZK58+124,全長5 508m,右線里程K52+627—K58+124,全長5 497m,隧道凈寬10.25m,凈高5.0m,最大埋深395m,為分離式隧道。隧道洞身段存在2處斷層F1和F2,其地質剖面如圖1所示。

圖1 隧道地質剖面

通過水壓致裂法檢測該隧道地應力,試驗結果表明,工程區應力以水平構造應力為主,最大水平主應力值范圍為9.09～12.53MPa,最小水平主應力值范圍為7.04～8.41MPa,垂直應力值范圍為7.08～8.76MPa。根據GB/T 50218—2014 《工程巖體分級標準》,研究區域屬于高地應力區[15]。

2 現場觀測布置

隧道現場監測布置如圖2所示,初支受力重點觀測圍巖壓力、噴射混凝土應力及鋼拱架受力,其中每個斷面布置9個土壓力盒測量圍巖壓力,各布置7個混凝土應變計和表面應變計測量混凝土和鋼拱架應力,其中表面應變計每個測點安裝2個,數據均由手持式振弦采集儀采集,監測頻率為1～3次/d, 直至數據未發現明顯變化為止(15d內)。現場變形監測內容為拱頂沉降和周邊收斂,分別采用萊卡全站儀、反光片和JSS30A型數顯式收斂計進行測量。拱頂沉降共選取3個測點,從左到右依次為G1,G2,G3,其中G1與G3和隧道軸線夾角均為20°。周邊收斂觀測選取2條測線分別為BC,GC,隧道變形及初支受力現場布置如圖2b所示。

圖2 監測斷面布設

3 監測結果及分析

3.1 監測斷面初支設計參數

監測斷層破碎帶附近2個Ⅳ級圍巖斷面,分別為ZK53+830和ZK53+950,斷層破碎帶處4個Ⅴ級圍巖斷面,分別為ZK53+860,ZK53+880,ZK53+900,ZK53+920,其中Ⅳ級圍巖采用全斷面開挖法開挖,Ⅴ級圍巖采用上下臺階法開挖。通過對比斷層破碎帶及其影響區隧道變形和初支受力特征研究高地應力斷層破碎帶隧道圍巖的變形和受力機理。臺階法開挖順序如圖3所示。具體施工步驟如下:①上臺階預留核心土開挖 上臺階開挖高度4.5m、寬度6m,進尺0.8m,核心土距拱頂2.0m,長3m;②下臺階交錯開挖支護 交錯開挖左、右部,開挖進尺0.8m,錯開長度約1.5m;③仰拱開挖及支護 仰拱開挖采用半幅施工,仰拱上側鋪設棧橋,仰拱開挖后立即噴射混凝土,盡快使初支閉合成環。

圖3 現場開挖示意(單位:m)

斷層破碎帶處采用φ42×4雙層超前小導管支護,初支噴射C25混凝土厚度為30cm,二次襯砌厚度為60cm,錨桿型號為φ25中空錨桿,長3.0m,錨桿布設間距100cm×60cm,鋼拱架為I20a,間距0.6m。

3.2 圍巖變形監測

分別選取ZK53+830斷面和ZK53+860斷面進行觀測,分析斷層破碎帶及其影響區圍巖變形特征,其拱頂沉降和周邊收斂時程曲線如圖4所示,通過分析兩斷面的變形曲線可得出以下結論。

圖4 圍巖變形時程曲線

1)斷層破碎帶處圍巖變形量大,變形速率快。對于ZK53+860斷面,在初支完成前(0～8d)隧道變形處于急劇變化階段,G1,G2,G3 3測點平均沉降值為50.37mm,占總變形量的77%。而斷面ZK53+830在相同時間內拱頂沉降均值為11.7mm,占總變形量的40.5%。該階段斷層處變形更劇烈,一方面是因為現場施工預留的鋼拱架和圍巖間空隙不足,另一方面隧道在開挖后由于初始應力重分布和圍巖自穩能力較差所致。在仰拱開挖前,下臺階BC測線收斂速率明顯大于上臺階GC測線收斂速率,平均每天收斂速率分別為6.3,4.5mm/d,明顯大于拱頂沉降速率。而對于ZK53+830斷面,在仰拱開挖前(0～15d),拱頂沉降和周邊收斂的均值為15.9,18.1mm,分別占總變形量的55%,51%。與ZK53+860斷面相比,其變形速率明顯減緩,斷層處圍巖水平向變形為非斷層處的3.92倍,這表明斷層處圍巖水平變形受到水平側向壓力和開挖方式的影響要比非斷層處圍巖更大。

2)斷層破碎帶圍巖變形位置較非斷層處圍巖更集中,變形位置集中在拱部和邊墻位置。對于ZK53+860斷面,監測過程中拱腰沉降值基本呈現對稱性,拱腰變形量大于拱頂,最大累計沉降值為73.4mm,而對于ZK53+830斷面,拱頂和拱肩沉降值變形并不明顯,在仰拱開挖前,拱頂沉降值始終大于拱腰沉降值,ZK53+860斷面前期變形規律與之相反。斷層處初支混凝土出現局部開裂和鋼拱架扭曲現象,這表明在初支-圍巖間預留了15cm空隙并不能滿足圍巖變形需求,后續施工時應適當增大空隙。在二襯施作后,拱頂沉降和周邊收斂速率明顯減緩,這說明二襯對高地應力斷層破碎帶的變形控制作用明顯。因此,在合適時機施作二襯可有效控制圍巖變形。對于ZK53+830斷面,在二襯施作后BC測線收斂速率并未放緩,這表明在斷層破碎帶附近圍巖的水平方向變形明顯大于豎直方向,在后續施工過程中可適當提高隧道拱頂和拱腰處支護結構剛度。

3.3 圍巖壓力分析

ZK53+830和ZK53+880斷面巖體壓力時程曲線如圖5所示,最大巖體壓力分布如圖6所示。

圖5 圍巖壓力時程曲線

圖6 圍巖壓力分布(單位:MPa)

由圖5a和圖6b可知,ZK53+830斷面的巖體壓力在開挖后5d達到最大值,且水平方向拱肩和拱腰應力明顯大于拱頂處應力,說明在拱腰和拱肩處受圍巖水平擠壓作用較大,且圍巖壓力關于隧道軸線呈不均勻分布,在空間上呈現出離散性。左拱腰和左拱肩處最大壓力分別為0.212,0.234MPa,而右拱腰和右拱肩處最大壓力分別為0.179,0.159MPa,隧道斷面左側應力明顯大于右側。而在二襯施作后,拱腰和拱肩處壓力逐漸減小,此時初支承受的圍巖壓力逐漸向二襯轉移。在初支施作10d后左、右拱腳應力開始逐漸減小,這表明開挖后圍巖壓力在拱腳處釋放和調整已達到峰值。

斷層破碎帶處最大圍巖壓力呈對稱式分布,非斷層破碎帶圍巖壓力呈離散性分布,但二者受構造應力的影響總體表現出“上大下小”特點。斷層破碎帶處圍巖壓力呈對稱分布,一方面是由于隧道開挖后圍巖壓力釋放時間較非斷層處明顯更長,初支在開挖后8d才完成閉合,受高地應力影響前期圍巖壓力釋放更劇烈,結合斷層破碎帶前期圍巖拱部變形也呈現對稱分布;另一方面,斷層處圍巖屬于石英片巖,圍巖壓力受巖體各向異性影響不明顯。非斷層處隧道采用全斷面開挖2d內即完成初支閉合,圍巖壓力受初始地應力和卸荷作用釋放受阻。

由圖5b和圖6a可看出,下臺階開挖前拱頂、拱肩和拱腰巖體壓力迅速增大,說明巖體壓力的變化是由于上臺階開挖引起。在初支閉合后圍巖壓力增長明顯放緩,左拱腰處壓力明顯減小,說明初支可有效控制圍巖壓力釋放。仰拱開挖后圍巖壓力基本趨于穩定,尤其是在二襯施作完成后效果明顯,說明二襯對斷層破碎帶支護效果明顯。由圖6a可看出,斷面最大壓應力出現在右拱腰處,為0.345MPa,圍巖壓力關于隧道軸線呈對稱分布,圍巖壓力范圍在0.058～0.345MPa,且圍巖壓力在空間上呈“上大下小”現象。

3.4 噴射混凝土壓力分析

噴射混凝土壓力時程曲線和混凝土壓力分布如圖7,8所示。混凝土的應力發展和圍巖壓力變化趨勢相似,即“快速增大→緩慢增長→趨于穩定”,但在二襯施作后,噴射混凝土應力出現短暫快速增長后逐漸減小,并最終趨于穩定。這是由于:①二襯施作時臺車內混凝土在硬化過程中水化熱反應造成;②在二襯施作時需很大壓力將混凝土注滿襯砌,高壓混凝土將壓力傳導到初支上。

圖7 初支混凝土壓力時程曲線

如圖8b所示,噴射混凝土壓力在空間分布時也呈現不對稱性,且左拱肩明顯大于右拱肩,但左拱腰處壓力明顯小于右拱腰。上臺階混凝土壓力明顯大于下臺階混凝土。ZK53+900斷面初支噴射混凝土強度等級為C25,抗壓強度16.7MPa,抗拉強度1.78MPa,現場觀測到拱部混凝土出現隆起和細微開裂現象。由圖7可看出,除拱腳處混凝土受拉力,噴射混凝土整體處于受壓狀態。其中,ZK53+830斷面最大壓力出現在右拱肩,為3.84MPa;最小壓在拱腳,為0.95MPa。而ZK53+900處最大壓力出現在右拱腰處,為4.76MPa。

圖8 混凝土內力分布(單位:MPa)

初支噴射混凝土壓力在斷層破碎帶及其影響區域都呈現“上大下小”特點,隧道拱部是主要承載部分,這是由于斷層破碎帶及其影響區域圍巖受高地應力影響產生“蠕變”,受圍巖變形影響混凝土壓力局部集中在拱腰和拱肩部位。仰拱開挖后隧道下部支撐明顯減小,隧道上部混凝土壓力急劇增長,其主要原因是受施工擾動影響,圍巖應力在這一階段急劇釋放,使得圍巖與支護結構間出現應力調整。二襯施作前,圍巖壓力主要由鋼拱架和初噴混凝土按一定比例共同承受。由圖8b可看出,在仰拱開挖前混凝土應力迅速增大,在斷面開挖10d左右便達到最大應力的75%,說明在開挖前期混凝土是主要受力承載體。在ZK53+900和ZK53+830斷面初支表面均出現局部隆起和開裂現象,因此可在地應力較大標段采用“先柔后剛”支護方式,即第1次支護采用剛度較小的格柵拱架支護,二次支護采用鋼拱架支護來滿足前期隧道圍巖快速變形需求。

3.5 鋼拱架壓力分析

隧道各監測斷面鋼拱架內力(以壓為正、拉為負)時空演化如圖9,10所示。由圖9a和圖9b可看出,鋼拱架受力變化也經歷快速增長、緩慢增長、趨于穩定3個階段,其應力變化趨勢與噴射混凝土應力變化趨勢相似,在1個月左右達到壓力峰值。ZK53+920處斷面鋼拱架內、外側壓力差明顯大于ZK53+950處,在拱部尤其明顯,斷層破碎帶鋼拱架壓力差為附近Ⅳ級斷面的1.6～1.95倍。且斷層鋼拱架受力關于隧道軸線不對稱。一方面,斷層處石英片巖受水平構造應力作用,使得拱腰和拱肩周圍圍巖節理、裂隙發育,隧道開挖后塊狀或碎塊狀圍巖變形超過預留設計值后,向隧道內輪廓擠入;另一方面,此處地應力方向與圍巖片理方向角度呈40°,在最大地應力作下圍巖產生擠壓變形和剪切變形,使得斷層處鋼拱架左、右側受力不均。

圖9 鋼拱架內力時程曲線

由圖10可看出,ZK53+920處鋼拱架外側受力明顯大于ZK53+950處鋼拱架外側,但鋼拱架內側受力卻與之相反。由圖9c和圖9d可看出,下臺階開挖后,鋼拱架應力迅速增長,這是因為下臺階開挖使得鋼拱架處于懸空狀態。從中可看出不同位置的鋼拱架應力分布不均,應力形式分布復雜,主要是因為鋼拱架應力受支護時機、開挖方法和溫度等因素影響。在二襯施作后,鋼拱架外側受力變化明顯,鋼拱架內側受力緩慢增大,這是由于二襯施作混凝土水熱反應造成。

圖10 鋼拱架內力分布(單位:MPa)

4 結語

1)受構造應力影響,斷層破碎帶處圍巖地應力分布復雜,圍巖變形擠壓和蠕變作用明顯。斷層破碎帶處圍巖的水平收斂與拱頂沉降的變形速率快,圍巖變形總量大,在初支閉合前(0～8d)斷層和非斷層處圍巖拱頂變形分別占總變形量的77%,55%,水平收斂值為拱頂沉降值的1.61倍,遠大于非斷層處。

2)斷層破碎帶處初支噴射混凝土的壓力變化與鋼拱架壓力變化趨勢并不協同。噴射混凝土應力在5d左右便達到峰值的75%,而鋼拱架應力在1個月左右才達到受壓峰值,說明圍巖壓力前期主要靠混凝土承受,后期主要靠鋼拱架承受,二者在承受圍巖壓力不同時間段的承受比例不一致。

3)圍巖壓力主要以壓應力為主,斷層破碎帶和影響區壓力表現為“上部大,下部小”特征,但斷層處壓力分布呈對稱性。在下臺階開挖(5d)前圍巖壓力便達到峰值壓力的70%以上,這表明相同條件下,開挖后初支閉合時間越長圍巖壓力越大,因此在圍巖壓力快速發展階段需盡快使初支閉合。

4)采用組合支護方式結合預留一定變形空間能在一定程度上控制隧道變形。隧道斷層破碎帶的拱頂沉降最大值為73.4mm,說明采用上下臺階法施工時,雙層超前小導管支護+預留15cm空隙變形空間并不能完全滿足設計要求,后期可考慮采用“先柔后剛”支護方式進行施工。