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      貴州某隧道淺埋段圍巖大變形成因分析

      2013-08-21 07:12:18汪金育
      山西建筑 2013年25期
      關(guān)鍵詞:拱頂臺(tái)階擾動(dòng)

      汪金育

      (貴州高速公路集團(tuán)有限公司,貴州貴陽 550000)

      1 概述

      大變形是在地應(yīng)力、工程擾動(dòng)和地下水活動(dòng)等綜合作用下,圍巖體發(fā)生塑性破壞,變形得不到有效約束的一種災(zāi)害現(xiàn)象,具有明顯的累進(jìn)性和時(shí)間效應(yīng)[1]。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)圍巖大變形的研究主要有[2-15]:1)判定方法:圍巖變形是否超出初期支護(hù)的預(yù)留變形量、初期支護(hù)位移值和支護(hù)破壞現(xiàn)象、不同側(cè)壓力系數(shù)下的應(yīng)力比臨界值。2)誘發(fā)原因:高地應(yīng)力、軟巖、地下水作用、淺埋、偏壓、開挖擾動(dòng)、支護(hù)不及時(shí)、支護(hù)剛度不足等。3)作用機(jī)制:軟巖塑流及膨脹變形、板梁的彎曲變形、塑性楔體、結(jié)構(gòu)性流變、累進(jìn)松脫擴(kuò)展等。4)等級(jí)劃分:根據(jù)變形量和相對(duì)變形量分級(jí);以洞壁相對(duì)位移為參數(shù),根據(jù)彈塑性力學(xué)計(jì)算,對(duì)嚴(yán)重程度不同的大變形進(jìn)行分級(jí);采用相對(duì)應(yīng)變判別圍巖的擠出程度并劃分等級(jí);綜合圍巖抗壓強(qiáng)度、地應(yīng)力、彈性模量及側(cè)壓力系數(shù)等因素,提出了綜合系數(shù)a劃分等級(jí)等。5)預(yù)測(cè)方法:基于模糊層次綜合評(píng)判的預(yù)測(cè)方法、地質(zhì)綜合分析預(yù)測(cè)、切應(yīng)變預(yù)測(cè)等。6)治理措施:施作臨時(shí)仰拱、施作套拱、施作環(huán)向錨桿、注漿、地表處理等加固措施;置換支護(hù)結(jié)構(gòu)、調(diào)坡修改隧道標(biāo)高等侵限措施。7)數(shù)值模擬:基于施工監(jiān)測(cè)的數(shù)值模擬、基于變形破壞機(jī)制的圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬等。

      貴州某隧道在施工過程中,右線出口淺埋段的初期支護(hù)發(fā)生了較大的沉降變形。在對(duì)圍巖大變形有整體了解的基礎(chǔ)上,本文將結(jié)合該隧道的施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)淺埋段圍巖大變形進(jìn)行成因分析。

      該隧道為分離式隧道,內(nèi)輪廓均采用R=5.55 m的單心圓,凈寬10.25 m、凈高5.00 m。隧道右線出口淺埋段為Ⅴ級(jí)圍巖,近洞口一帶淺地表為殘坡積碎石土、強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r,深部為中風(fēng)化灰?guī)r,巖體破碎;開挖方式采用上下臺(tái)階法(見圖1);襯砌方式采用復(fù)合式襯砌,即初期支護(hù)由工字鋼鋼拱架、系統(tǒng)錨桿、鋼筋網(wǎng)及噴射混凝土組成,并輔以超前小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù),二次襯砌為鋼筋混凝土。結(jié)合對(duì)出口淺埋段圍巖變形的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),選取YK90+479斷面進(jìn)行圍巖沉降變形研究(沉降測(cè)點(diǎn)布設(shè)見圖1)。

      圖1 隧道開挖方式及拱頂沉降測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置示意圖

      2 拱頂沉降分析及圍巖大變形判定

      2.1 拱頂沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

      根據(jù)YK90+479斷面處的監(jiān)測(cè)結(jié)果,繪制拱頂沉降隨時(shí)間增長(zhǎng)的變化曲線(見圖2),曲線整體呈“下降~平緩”的特征,結(jié)合圍巖變形速率和具體施工步驟,可將變形過程詳細(xì)分為以下4個(gè)階段:

      1)階段Ⅰ(急劇變形階段):上臺(tái)階開挖完成及支護(hù)初期,圍巖應(yīng)力釋放較快,變形速率較大;該階段末期,隨著上臺(tái)階繼續(xù)開挖約10 d,掌子面掘進(jìn)至2倍洞徑距離時(shí),變形曲線較為平穩(wěn),圍巖內(nèi)部暫時(shí)趨于平衡狀態(tài)。

      圖2 隧道出口右幅YK90+479初支沉降監(jiān)測(cè)變化曲線圖

      2)階段Ⅱ(快速變形階段):下臺(tái)階左半部分開挖,破壞了圍巖內(nèi)部趨于穩(wěn)定的平衡狀態(tài),但此時(shí)下臺(tái)階右部未開挖的巖體具有一定的支撐能力,使得該階段圍巖變形較上臺(tái)階開挖時(shí)相比,變形持續(xù)時(shí)間較短,變形速率及變形量較小。

      3)階段Ⅲ(緩慢變形階段):下臺(tái)階右半部分開挖,對(duì)圍巖產(chǎn)生新的擾動(dòng),導(dǎo)致拱頂出現(xiàn)新的下沉過程,但由于受先行洞開挖而產(chǎn)生擾動(dòng)的影響較小,該階段較上階段相比,圍巖的變形速率也相對(duì)較小。

      4)階段Ⅳ(趨于穩(wěn)定階段):仰拱開挖及回填后,初期支護(hù)圈閉,對(duì)圍巖變形的約束作用增強(qiáng),圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)在應(yīng)力的動(dòng)態(tài)調(diào)整過程中,承載能力發(fā)揮至最大,圍巖變形速率呈遞減趨勢(shì)并逐漸趨于零。

      對(duì)不同階段圍巖的變形量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(見表1):階段Ⅰ中拱頂位移釋放率達(dá)71.1%,階段Ⅱ,階段Ⅲ中拱頂位移釋放率僅為18.6%,階段Ⅳ中拱頂位移釋放率為10.3%,說明上臺(tái)階開挖后應(yīng)力的快速釋放對(duì)圍巖穩(wěn)定性的擾動(dòng)最大。

      表1 圍巖不同變形階段拱頂沉降量統(tǒng)計(jì)

      2.2 圍巖大變形的判定

      參照張祉道[16]對(duì)隧道圍巖大變形的判定及變形程度分類標(biāo)準(zhǔn)(見表2),斷面YK90+479處在初期支護(hù)已施工的條件下,洞壁位移最大值為221.8 mm,Ua/a=3.9%,且支護(hù)后噴混凝土出現(xiàn)起殼、剝落及較大的變形、開裂等異?,F(xiàn)象。據(jù)此可判定,YK90+479處出現(xiàn)隧道圍巖大變形,等級(jí)為輕度。

      表2 隧道圍巖大變形等級(jí)判定

      3 大變形原因分析

      一般情況下,圍巖的大變形首先取決于圍巖巖性和巖體結(jié)構(gòu),這是大變形發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ),其次取決于埋深、地下水作用、開挖方式等,這是大變形發(fā)生的環(huán)境條件?;趯?duì)大變形成因的認(rèn)識(shí),對(duì)貴州某隧道圍巖大變形的成因分析如下:

      1)Ⅴ級(jí)圍巖。

      大變形區(qū)段圍巖主要為殘坡積碎石土及灰?guī)r,灰?guī)r受風(fēng)化作用影響強(qiáng)烈,裂隙極發(fā)育,將淺部巖體切割成小碎片及碎塊狀,呈碎塊狀—散體狀結(jié)構(gòu),物理力學(xué)強(qiáng)度較低,開挖時(shí)在壓應(yīng)力的作用下圍巖易出現(xiàn)碎裂松動(dòng)或塑性擠出,而導(dǎo)致大變形的出現(xiàn)。

      2)地下水作用。

      大變形區(qū)段圍巖以灰?guī)r為主,自身滲透能力較好,加之受淺表生改造影響,地下水易于在此處匯聚并下滲,降低了巖體沿軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度,而使圍巖的自穩(wěn)能力降低,基巖的承載力削弱。另外,地下水匯聚也使得圍巖的自重增加,從而增大初期支護(hù)的荷載承擔(dān)量。

      3)洞身埋深淺。

      斷面YK90+479處埋深約16 m,圍巖自承能力差或者無自承能力,初始地應(yīng)力場(chǎng)為典型的自重應(yīng)力場(chǎng),拱頂以上的巖土體自重全部作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上。開挖時(shí)隧道頂部圍巖難以形成有效的承載拱,導(dǎo)致圍巖變形過大。

      4)上臺(tái)階開挖擾動(dòng)。

      在圍巖大變形發(fā)展的整個(gè)過程中,上臺(tái)階開挖后圍巖應(yīng)力釋放時(shí)間占據(jù)變形總時(shí)間的20%,而其位移釋放量占據(jù)總位移量的71.7%,可見上臺(tái)階開挖時(shí),圍巖應(yīng)力釋放較為迅速,釋放量較大,對(duì)圍巖原有的穩(wěn)定平衡狀態(tài)破壞較為嚴(yán)重。

      為驗(yàn)證上臺(tái)階開挖擾動(dòng)對(duì)圍巖大變形的重要影響,在Ⅴ級(jí)圍巖、地下水作用及埋深淺的地質(zhì)條件下,對(duì)YK90+479斷面處的施工開挖步進(jìn)行數(shù)值模擬,繪制拱頂各測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量隨開挖進(jìn)行的變化曲線(見圖3),曲線整體也呈現(xiàn)出“下降~平緩”的特征。其中,上臺(tái)階開挖及支護(hù)時(shí),各測(cè)點(diǎn)沉降幅度最大,故此驗(yàn)證,在上臺(tái)階的開挖是引起圍巖大變形產(chǎn)生的重要原因。

      圖3 拱頂各測(cè)點(diǎn)豎向位移模擬結(jié)果

      5)初期支護(hù)剛度偏低。

      經(jīng)過結(jié)構(gòu)驗(yàn)算,在現(xiàn)有的支護(hù)體系下,YK90+479斷面拱頂處彎矩為61.16 kN·m,軸力為 592.66 kN,安全系數(shù)為 0.94,安全儲(chǔ)備已達(dá)到臨界狀態(tài)(見圖4,圖5)。在這種支護(hù)體系下,拱頂部位的噴混凝土易出現(xiàn)拉裂、錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象,與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)病害相符(見圖6,圖7)。

      圖4 YK90+479斷面彎矩圖

      圖5 YK90+479斷面軸力圖

      圖6 YK90+479斷面拱頂初期支護(hù)開裂

      圖7 YK90+479附近拱頂初期支護(hù)開裂

      4 結(jié)語

      貴州某隧道在施工過程中,洞口淺埋段出現(xiàn)圍巖變形量較大。通過選取斷面YK90+479進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)分析,并結(jié)合相應(yīng)的數(shù)值模擬計(jì)算,得出以下結(jié)論:

      1)YK90+479處圍巖變形整體呈“下降~平緩”趨勢(shì),且可分為4個(gè)變形階段:急劇變形階段、快速變形階段、緩慢變形階段、趨于穩(wěn)定階段;2)判定YK90+479處的變形為圍巖大變形;3)查明了大變形的成因主要有:Ⅴ級(jí)圍巖、地下水作用、洞身埋深淺、上臺(tái)階開挖擾動(dòng)大、初期支護(hù)剛度偏低等。其中,Ⅴ級(jí)圍巖、地下水作用、洞身埋深淺是客觀存在的地質(zhì)事實(shí),不因人類活動(dòng)所改變;而上臺(tái)階開挖擾動(dòng)大、初期支護(hù)剛度偏低則可通過進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,以降低大變形事故的發(fā)生概率。

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