淺埋逆斷層影響區(qū)軟弱圍巖隧道穩(wěn)定性控制研究

【中圖分類號(hào)】 U451 + .2

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】 A

0 引言

隨著國家基建的大力發(fā)展，隧道建設(shè)也朝著大斷面、大跨度、地質(zhì)條件復(fù)雜化的方向發(fā)展[1-2]。斷層影響范圍之內(nèi)的隧道圍巖松散破碎且自穩(wěn)能力差，在淺埋段及其容易發(fā)生掌子面滑塌、地表沉陷等問題，因此研究軟弱破碎圍巖隧道施工技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[3-4]

在軟弱破碎圍巖淺埋段施工時(shí)，應(yīng)因地制宜選取合適的隧道開挖方式、地層加固方案、隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)[5]。黃健陵等[6]選用扎根理論質(zhì)性分析了穿越斷層破碎帶鐵路隧道施工安全多重風(fēng)險(xiǎn)控制要點(diǎn)。禹海濤等通過結(jié)合離散元和有限差分法進(jìn)行隧道多因素模擬，分析了破碎巖體節(jié)理分布對(duì)隧道開挖的影響。彭偉[8]利用FLACD軟件研究了恩施地區(qū)巖溶地層隧道在不同開挖方法、不同循環(huán)進(jìn)尺、不同臺(tái)階長(zhǎng)度開挖情況下圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。

胡豐產(chǎn)、耿博銘等[9-10]通過數(shù)值模擬、理論分析手段，對(duì)破碎圍巖隧道施工技術(shù)進(jìn)行深入研究。

因此，本文以龍泉山一號(hào)隧道為依托，研究隧道圍巖變形機(jī)理及控制要點(diǎn)；利用FLAC3D建立精細(xì)化數(shù)值模型，模擬了不同加固、支護(hù)結(jié)構(gòu)下的隧道變形特征；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證方案可行性，指導(dǎo)隧道安全施工。

1破碎軟弱圍巖變形機(jī)理

1.1 工程概況

龍泉山一號(hào)隧道進(jìn)口端位于四川省成都市龍泉山城市公園風(fēng)景區(qū)境內(nèi)，為單洞雙線隧道，設(shè)計(jì)時(shí)速 350km ，起正里程為： ，全長(zhǎng) 8456m ，隧道斷面為單洞雙線馬蹄形結(jié)構(gòu)，地質(zhì)條件十分的復(fù)雜，隧道開挖斷面輪廓寬 14.91m 高 12.88m ，隧道進(jìn)口段圍巖軟弱、破碎，隧道地層隧上而下依次為粉質(zhì)黏土層（厚度約 3m ）、泥巖夾砂巖層（厚度 6m ）龍泉山逆斷層壓碎巖體（原巖以泥巖為主），進(jìn)口段隧道埋深 7～15m ，屬淺埋隧道。地表水主要為季節(jié)性溝水及較小的常年流水溝，流量受季節(jié)控制明顯，雨季水量較大，旱季相對(duì)較小。地下水主要有第四系土層孔隙潛水、基巖裂隙水（圖1）。

圖1隧道平面位置

1.2 隧道圍巖變形機(jī)理分析

根據(jù)前期地質(zhì)勘察及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研分析，可將龍泉山一號(hào)隧道的圍巖變形機(jī)理分為兩大類：

（1）內(nèi)在因素：隧道上覆地層為黏土層、以泥巖為原巖的泥巖夾山巖層和壓碎巖層，地層承載力較低，圍巖破碎軟弱，遇水時(shí)承載力會(huì)極具下降；受斷層破碎帶的影響，巖體結(jié)構(gòu)破碎程度大，產(chǎn)狀混亂。在隧道施工時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大變形。

（2）外在因素：隧道的開挖會(huì)破壞地層中原有的壓力平衡狀態(tài)，開挖會(huì)致使應(yīng)力重分布，應(yīng)力重發(fā)布過程往往伴隨著較大的圍巖變形；隧道開挖后的圍壓變形量和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性在很大程度上取決于隧道的開挖方式及施工技術(shù)水平，也取決于隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)和加固措施。

2 隧道圍巖變形特征及控制分析

2.1數(shù)值模型及計(jì)算參數(shù)

采用FLACD數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值分析模型，模型尺寸 80.0m×100.0m×45.0m 。沿隧道開挖方向?yàn)?Y 軸， Z 軸為豎直方向， X 軸為水平方向。模型見圖1，計(jì)算參數(shù)見表1。

圖2數(shù)值計(jì)算模型

表1模型計(jì)算參數(shù)

2.2位移結(jié)果分析

鑒于本隧此段圍巖軟弱、破碎，故采用三臺(tái)階法施工。由于本隧屬于淺埋隧道，水平位移變形對(duì)隧道施工影響較小，因此本文側(cè)重于豎向位移分析與控制研究，未采取支護(hù)措施和地層加固措施時(shí)監(jiān)測(cè)斷面豎向位移如圖3所示。

圖3隧道豎向位移云圖（無支護(hù)無加固）

由圖3可知，在未采取支護(hù)及加固方案時(shí)，隧道豎向位移變形較大，拱頂沉降最大值達(dá) 68.4mm ，拱底隆起達(dá)31.7mm 。總體變形較大，很大程度上不利于隧道安全施工。

2.3支護(hù)及加固方案

通過上述分析可知，在未采取隧道變形控制措施時(shí)，隧道豎向變形較大，因此，為了保障隧道施工安全、加快隧道施工進(jìn)度、提高隧道施工質(zhì)量，應(yīng)該選取相應(yīng)的隧道變形控制措施。

隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)以初期支護(hù)為主，初支采用錨噴支護(hù)，采用 ?22mm×3m 砂漿錨桿和 0.28m 厚C25噴射混凝土。在數(shù)值模型中錨桿采用Cable單元模擬，支護(hù)采用Liner單元模擬。三臺(tái)階法隧道循環(huán)進(jìn)尺開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

由圖5（a）可知，在采取支護(hù)措施后，隧道豎向位移變形得到了明顯控制，但變形值仍然較大，拱頂沉降最大值達(dá)56.4mm ，相比于無支護(hù)時(shí)變形減小 12mm ;拱底隆起達(dá)28.7mm ，相比于無支護(hù)時(shí)變形減小 3mm 。

在隧道施工試驗(yàn)段進(jìn)行施工時(shí)，預(yù)留沉降量為 40mm 但隧道實(shí)際變形超過了預(yù)留變形量控制值，進(jìn)而導(dǎo)致初支嚴(yán)重變形、掌子面滑塌、地表開裂沉陷，極大影響隧道施工進(jìn)度與施工質(zhì)量。

圖4三臺(tái)階隧道循環(huán)進(jìn)尺施工

圖5隧道豎向位移云圖

由此可見，在隧道開挖且及時(shí)施作初支后，隧道變形仍然較大，且出現(xiàn)了較多的工程問題。基于此，本文在隧道未開挖前進(jìn)行地表袖閥管注漿加固。

采用地表 ?42mm 袖閥管注漿加固時(shí)，注漿范圍為隧道襯砌外各 5m 以內(nèi)，袖閥管間距 1m×1m ，梅花型布置。襯砌范圍內(nèi)袖閥管深入隧道外緣以上 ^1m ，襯砌范圍外袖閥管伸入隧道襯砌底部，空管部分采用黏土回填密實(shí)。為確保注漿質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)采取鉆孔、注漿施工平行作業(yè)，鉆孔與注槳孔間隔距離應(yīng)在 6m 以上；.鉆孔水平孔位誤差小于等于 5cm ，鉆孔垂直度小于等于 1^° ；注漿方式選用后退式分段注漿，嚴(yán)格控制注漿壓力；注漿材料選用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥漿，水灰比 0.8～1 。隧道進(jìn)行袖閥管注漿并進(jìn)行初支后的開挖位移云圖如圖5（b）所示。

由圖5可知，在采取支護(hù)及加固措施后，隧道拱頂最大沉降量達(dá) 51.7mm ，控制變形 16.7mm ；拱底隆起達(dá)27.2mm ，控制變形 4.5mm 。在采用支護(hù)和加固方案后，隧道圍巖變形受到明顯控制。但仍存在較大變形量，現(xiàn)場(chǎng)通常采用增加預(yù)留變形量等的方法控制變形。施作之后隧道圍巖進(jìn)入限界較少，即隧道累計(jì)變形小于限界。

2.4現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、模擬對(duì)比分析

數(shù)值模擬往往是在比較理想的狀態(tài)下進(jìn)行的，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)有一定出入，隧道拱頂累計(jì)沉降量如圖6所示，由圖6可知現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)隧道拱頂累計(jì)沉降量為 53.77mm ，數(shù)值模擬所得隧道拱頂累計(jì)沉降量為 51.7mm ，誤差僅為 2.07mm ，由此可見該數(shù)值模型可以較好的反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程情況，并且具備良好的可行性；隧道開挖致使地表產(chǎn)生的豎向累計(jì)位移如圖8所示，由圖可知，隨著支護(hù)和加固方案的綜合使用，地表受隧道開挖的擾動(dòng)隨之減小，地表豎向變形最小僅 5.08mm 。

2.5 變形控制措施

在施作支護(hù)結(jié)構(gòu)和加固措施后，隧道拱頂沉降量為51.7mm 大于預(yù)留變形量 40mm ，隧道變形雖得到大幅控制，但仍然存在較大變形，為保證隧道安全施工、控制隧道及地表變形、保證工期，可采取以下變形控制措施

圖6隧道拱頂累計(jì)沉降量

圖7地表豎向累計(jì)位移

（1）增加隧道預(yù)留變形量。將隧道預(yù)留變形量控制在隧道變形控制值之上，隧道開挖后的所改變的游應(yīng)力狀態(tài)致使圍巖產(chǎn)生較大變形，增大圍巖預(yù)留變形量即充分利用圍巖變形穩(wěn)定后的自承載能力，一方面使得承載能力穩(wěn)定，另一方減少其對(duì)建筑限界的侵入和對(duì)襯砌的危害。

（2）增強(qiáng)初期支護(hù)參數(shù)。初期支護(hù)主要以錨噴支護(hù)為主，錨桿支護(hù)在隧道圍巖大變形控制中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，故可適當(dāng)增加錨桿強(qiáng)度、尺寸參數(shù)，在變形較大且難以控制段可以考慮洞內(nèi)注漿，改用錨索加固等。其次也可以增加噴射混凝土強(qiáng)度和厚度，增加鋼架支護(hù)參數(shù)等來控制圍巖變形。

（3）由于隧道屬淺埋，隧道產(chǎn)生較大變形會(huì)致使隧道地表發(fā)生較大豎向變形，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致地表沉陷。因此可采取地層加固方式（如高壓旋噴樁加固）來提高圍巖承載力，控制隧道及地表變形。

3結(jié)論

本文以龍泉山一號(hào)隧道為依托，針對(duì)圍巖變形，分析變形機(jī)理并提出控制措施，得到了結(jié)論：

（1）龍泉山一號(hào)隧道進(jìn)口段產(chǎn)生較大沉降變形的原因是該段受龍泉山逆斷層影響，圍巖破碎、軟弱，且原巖以泥巖為主，承載力和穩(wěn)定性均較差。

（2）本隧在單靠初支錨噴支護(hù)無法穩(wěn)定圍巖變形，在施作初支后拱頂沉降達(dá) 56.4mm ，遠(yuǎn)超過隧道設(shè)計(jì)預(yù)留變形量，故在此基礎(chǔ)上進(jìn)行袖閥管注漿加固，加固后的隧道拱頂沉降達(dá) 51.7mm ，仍較大，因此采用增加預(yù)留變形量和加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度措施來控制圍壓變形。

（3）基于本隧的圍巖變形特征，提出當(dāng)隧道位于軟弱破碎圍巖地層，且隧道淺埋并具有較大變形量時(shí)，可采取增大隧道預(yù)留變形量、改善支護(hù)結(jié)構(gòu)、提高支護(hù)強(qiáng)度、進(jìn)行軟弱圍巖地層加固（如高壓旋噴樁、水泥土攪拌樁法）等措施控制圍巖變形。

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