高地應(yīng)力軟巖隧道現(xiàn)場試驗(yàn)分析

郭正偉，高新利

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計(jì)院，濟(jì)南 250022)

1 工程背景

隨著我國鐵路建設(shè)技術(shù)水平的不斷提高，越來越多的特長隧道方案被采用，處于深埋區(qū)長大隧道，往往地應(yīng)力水平都較高，地質(zhì)條件復(fù)雜;再加上地質(zhì)構(gòu)造強(qiáng)烈，巖體往往軟弱破碎，這些因素往往給工程施工帶來很大困難和風(fēng)險(xiǎn)。因此開展高地應(yīng)力下軟巖隧道的穩(wěn)定性研究顯得格外具有現(xiàn)實(shí)意義。

這里所說的高地應(yīng)力是一個(gè)相對的概念，它是相對于圍巖強(qiáng)度(Rb)而言的，當(dāng)圍巖內(nèi)部的最大地應(yīng)力(σmax)與圍巖強(qiáng)度的比值(Rb/σmax)達(dá)到某一水平時(shí)，才能稱為高地應(yīng)力或極高應(yīng)力［1］，即

表1為世界各國圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比的分級標(biāo)準(zhǔn)。［2］

表1 各國圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比的分級標(biāo)準(zhǔn)

關(guān)于軟巖的定義國內(nèi)外一直存在爭議，從不同角度有不同定義。國際巖石力學(xué)學(xué)會(ISRM)規(guī)定軟巖的單軸抗壓強(qiáng)度在0.5～25 MPa，極軟巖的單軸抗壓強(qiáng)度≤1.25 MPa，極硬黏性土的單軸抗壓強(qiáng)度 ＞ 0.3 MPa。［3］

本文研究的某隧道位于強(qiáng)烈的地質(zhì)構(gòu)造帶，區(qū)域斷裂構(gòu)造發(fā)育，正洞通過的區(qū)域性斷裂有4條，次級斷裂共16條，區(qū)域地下水發(fā)育、分布集中，地層軟弱破碎，埋深達(dá)800 m以上。圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比小于1.0，屬于極高地應(yīng)力。大埋深富水?dāng)鄬訁^(qū)施工中高地應(yīng)力和突、涌水問題突出，隧道施工難度極大。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)分析

通常對地下工程采用的研究方法多種多樣，當(dāng)前主要有理論分析、現(xiàn)場實(shí)測、模型試驗(yàn)、有限元數(shù)值模擬等。由于地下工程現(xiàn)場條件復(fù)雜，影響因素眾多，理論分析存在極大困難;模型試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬由于對實(shí)際情況的簡化，使其可信度降低。針對地下工程的特點(diǎn)，最為可信、可作為實(shí)踐參考的還是來自現(xiàn)場量測的數(shù)據(jù)。通過對該高地應(yīng)力隧道的現(xiàn)場實(shí)測，揭示巖體變形特征，掌握圍巖壓力釋放規(guī)律，為類似工程的設(shè)計(jì)與施工提供指導(dǎo)。

2.1 量測斷面及測點(diǎn)布置

為了掌握該高地應(yīng)力隧道監(jiān)測區(qū)段內(nèi)圍巖壓力的釋放規(guī)律，以確定隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的形式以及選擇合理的施工方法，在監(jiān)測區(qū)段內(nèi)選取多個(gè)量測斷面，開展現(xiàn)場試驗(yàn)。支護(hù)結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)段支護(hù)參數(shù)

在選定斷面分別進(jìn)行了以下量測項(xiàng)目:拱頂下沉、水平收斂、錨桿軸力、支護(hù)結(jié)構(gòu)壓力、松動圈量測等。試驗(yàn)斷面及量測項(xiàng)目見圖1。

圖1 斷面形式及測點(diǎn)布置

2.2 現(xiàn)場測試結(jié)果分析

2.2.1 變形量測

變形量測包括初支拱頂下沉及水平收斂。拱頂下沉采用精密水準(zhǔn)儀量測，用收斂計(jì)量測洞周水平收斂變形［4，5］。試驗(yàn)中在隧道頂部布置拱頂下沉測點(diǎn)，在軌頂高程以上2.0 m位置和拱腳位置布置2條水平側(cè)線，稱為水平側(cè)線1和水平側(cè)線2，見圖1。量測結(jié)果曲線見圖2。

圖2 變形量測時(shí)間曲線

由圖2可見，水平收斂變形值明顯大于拱頂下沉，水平收斂變形最大值為拱頂下沉值的7～8倍，這與常規(guī)地應(yīng)力條件下的變形規(guī)律顯著不同;且高地應(yīng)力軟巖下隧道開挖變形發(fā)展快、持續(xù)時(shí)間長，15 d后監(jiān)測變形仍在緩慢發(fā)展。說明在高地應(yīng)力下軟巖極具流變性，隧道開挖后圍巖壓力釋放持續(xù)時(shí)間長。

2.2.2 松動圈測試

松動圈測試是為了解圍巖塑性區(qū)分布狀況，試驗(yàn)采用地震折射層析法。通過對松動圈測試數(shù)據(jù)的分析，可將隧道開挖后松動圈范圍從內(nèi)向外劃分為3個(gè)帶:松散脫落帶、松動帶、過渡帶。［1］

試驗(yàn)結(jié)果顯示，松動圈大多集中在隧道底部與邊墻部位，該處松動圈分布范圍大，深度深，拱頂部位松動圈相對較小，這些特點(diǎn)與變形規(guī)律基本是一致的。具體松動圈分布如下:松散脫落帶，厚度為0.3～0.4 m;松動帶，厚度為0.65～3.05 m;過渡帶，厚度為0.55～2.95 m。松動圈厚度為1.45～4.92 m。

2.2.3 錨桿軸力量測

錨桿軸力采用電磁感應(yīng)式鋼筋計(jì)進(jìn)行量測［6～7］，在量測斷面內(nèi)選拱腰、墻腰、墻角3個(gè)位置6根錨桿進(jìn)行試驗(yàn)，以了解錨桿軸力的分布規(guī)律，如圖1所示。錨桿軸力分布如圖3所示，測試結(jié)果顯示:所測錨桿大部分受拉，最大軸力為107.58 kN，最小軸力72.29 kN。

圖3 錨桿軸力分布

由圖3可見，高地應(yīng)力軟巖隧道初支錨桿軸力較大且分布相對均勻，錨桿的優(yōu)勢得以充分發(fā)揮，在高地應(yīng)力軟巖隧道施工中錨桿是一種有效的支護(hù)手段。

2.2.4 圍巖壓力及二襯接觸應(yīng)力量測

試驗(yàn)儀器采用壓力盒［8～9］，試驗(yàn)中隨施工的進(jìn)行將壓力盒埋設(shè)于初支及二襯背后，以了解他們之間作用力的大小。初支圍巖壓力量測位置:拱頂，拱底，左右拱腰和左右墻角，共6個(gè)測點(diǎn);二襯接觸應(yīng)力量測位置:左右拱腰和左右墻角，共4個(gè)測點(diǎn)，見圖1。測試結(jié)果如表3所示。實(shí)測最大初期支護(hù)圍巖壓力1.274 MPa，最大二次襯砌接觸壓力0.194 MPa。

表3 支護(hù)巖壓力量測結(jié)果 MPa

由表3可見，拱底和拱頂部位的圍巖壓力較大，特別是拱底應(yīng)力集中明顯，支護(hù)結(jié)構(gòu)極易在這些部位發(fā)生破壞，而拱腰和墻腳位置應(yīng)力逐漸減弱。二襯接觸應(yīng)力較小，變化不明顯。

2.3 支護(hù)施作時(shí)機(jī)及剛度對量測結(jié)果的影響

現(xiàn)場試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)有些因素對量測的變形和應(yīng)力有較大影響，主要是支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作時(shí)機(jī)及其剛度［10］。

(1)支護(hù)施作時(shí)機(jī)的影響

支護(hù)結(jié)構(gòu)施作時(shí)機(jī)主要體現(xiàn)在單重支護(hù)和二重支護(hù)對量測結(jié)果的影響，這里所說的雙重支護(hù)是指隧道開挖后及時(shí)施作一次支護(hù)，允許一次支護(hù)發(fā)生局部屈服，但可保持坑道暫時(shí)穩(wěn)定，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時(shí)對一次支護(hù)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，即二次支護(hù)，使地壓和支護(hù)反力得到平衡，最終使洞室結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。基本理念就是支護(hù)結(jié)構(gòu)分次施作，使圍巖壓力逐步釋放，最終達(dá)到控制隧道變形的目的［2］。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，單重支護(hù)對約束圍巖前期變形效果較好，但支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力增長很快，達(dá)到1.9 MPa以上，已超過混凝土抗拉強(qiáng)度，不久初支混凝土出現(xiàn)局部開裂，鋼支撐發(fā)生扭曲變形，最終對支護(hù)結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生不利影響。而二重支護(hù)下雖然變形有所增加，但二次支護(hù)施作后支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力很小，只有0.3～0.5 MPa，洞周收斂的變形速率逐漸減小，變形趨于穩(wěn)定。

(2)支護(hù)剛度的影響

現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鋼支撐普遍出現(xiàn)局部扭曲變形，即使開挖后增大鋼支撐的支護(hù)參數(shù)，比如加大工字鋼型號到I22a，減小鋼支撐間距到0.5 m，鋼支撐還是會出現(xiàn)扭曲變形，甚至破壞。由此可見，增大支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度并不能有效控制高地應(yīng)力軟巖大變形。

3 結(jié)論

根據(jù)對量測結(jié)果分析，并結(jié)合實(shí)際地應(yīng)力和地層情況，可得到高地應(yīng)力軟巖隧道的施工有如下規(guī)律。

(1)隧道變形以水平收斂變形為主，且變形持續(xù)時(shí)間長，巖體具有明顯的流變特性。隧道施工應(yīng)適應(yīng)這種規(guī)律，使圍巖壓力逐步得到釋放。應(yīng)堅(jiān)持“先期釋放圍巖壓力”，比如超前導(dǎo)坑、導(dǎo)洞等使圍巖壓力提前釋放;堅(jiān)持“先讓后抗，邊讓邊抗”的原則，支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度逐步加強(qiáng)，讓圍巖壓力得到緩慢釋放，逐漸控制圍巖變形。

(2)實(shí)踐證明:在高地應(yīng)力軟巖條件下錨桿是一種有效的支護(hù)形式，錨桿的抗拉強(qiáng)度可以得到較好的發(fā)揮，值得采用。

(3)支護(hù)結(jié)構(gòu)的頂部和底部應(yīng)力集中明顯，這些部位易先發(fā)生破壞，施工中應(yīng)引起重視。

(4)單靠一次支護(hù)，無法使收斂減緩，且支護(hù)結(jié)構(gòu)容易發(fā)生早期破壞;而采用多重支護(hù)，可以達(dá)到逐步釋放應(yīng)力的目的。實(shí)踐證明:多重支護(hù)對控制軟巖大變形是適合的。

(5)實(shí)踐還證明:增大支護(hù)剛度并不能控制軟巖大變形，高地應(yīng)力軟巖條件下支護(hù)結(jié)構(gòu)宜柔不宜剛。

希望以上結(jié)論對高地應(yīng)力軟巖隧道施工提供有益參考，同時(shí)，在施工中應(yīng)嚴(yán)格做好監(jiān)控量測工作，特別做好水平收斂變形的監(jiān)測分析。對每天量測數(shù)據(jù)進(jìn)行合理取舍，并進(jìn)行回歸分析，預(yù)測變形的發(fā)展趨勢，及時(shí)準(zhǔn)確地提出用于施工決策的建議。

［1］石家莊鐵道學(xué)院.烏鞘嶺隧道高地應(yīng)力軟巖大變形控制技術(shù)研究階段報(bào)告［R］.石家莊:石家莊鐵道學(xué)院，2006.

［2］郭正偉.關(guān)角隧道擠壓大變形控制技術(shù)研究［D］.石家莊:石家莊鐵道大學(xué)，2010:1-93.

［3］石家莊鐵道學(xué)院.關(guān)角隧道高地應(yīng)力富水軟弱圍巖支護(hù)技術(shù)研究［R］.石家莊:石家莊鐵道學(xué)院，2009.

［4］朱永全，宋玉香.隧道工程［M］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［5］中華人民共和國建設(shè)部.GB50086—2001 錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2001.

［6］關(guān)寶樹.隧道力學(xué)概論［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，1993.

［7］關(guān)寶樹.隧道工程施工要點(diǎn)集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［8］中華人民共和國鐵道部.TB10108—2002 鐵路隧道噴錨構(gòu)筑法技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2003.

［9］中華人民共和國鐵道部.TB10204—2002J163—2002 鐵路隧道施工規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2002.

［10］劉志春，李文江，等.軟巖大變形隧道二次襯砌施作時(shí)機(jī)探討［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008(3).