軟巖隧道施工流變效應(yīng)研究

張素敏，朱永全，高　炎，馮寶才(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都　610031;.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北石家莊　050043)

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軟巖隧道施工流變效應(yīng)研究

張素敏1，2，朱永全2，高炎2，馮寶才2
(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031;2.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北石家莊050043)

摘要:對于具有強流變性的軟巖來說，隧道施工變形的流變效應(yīng)不容忽視。以新建貴廣鐵路東科嶺隧道進口全風(fēng)化花崗巖段為研究背景，經(jīng)室內(nèi)單軸蠕變試驗確定可用Burgus模型描述該隧道圍巖的流變特性，并結(jié)合位移反分析確定流變參數(shù)。而后建立三維黏彈塑性流變模型，對隧道施工中由于圍巖流變效應(yīng)發(fā)生的開挖面周邊位移和前方縱向位移進行計算分析，發(fā)現(xiàn)徑向流變位移隨時間逐漸減緩，而縱向流變位移隨時間呈線性發(fā)展，圍巖流變特性對掌子面穩(wěn)定性的影響更大;縱向位移速率與超前掌子面距離可用指數(shù)函數(shù)近似描述，并給出了超前縱向流變位移值的近似估算公式。

關(guān)鍵詞:軟巖隧道流變特性流變效應(yīng)縱向位移位移速率

事實證明，許多情況下隧道圍巖并不是在開挖后瞬間失穩(wěn)，而是圍巖應(yīng)力、變形逐漸變化，一段時期后才逐漸穩(wěn)定或喪失穩(wěn)定［1-4］。經(jīng)典的彈塑性理論對洞室開挖后的變形釋放和應(yīng)力重分布都看作瞬時完成，無法反映其時間效應(yīng)。對于圍巖為硬巖等地質(zhì)情況較好的隧道，在地應(yīng)力水平較低時由于圍巖流變性很小可忽略，因此基于彈塑性理論計算結(jié)果可以反映隧道的穩(wěn)定性。而蠕變現(xiàn)象在軟弱圍巖變形中比較明顯，軟巖的流變性對穩(wěn)定性的影響不容忽視，忽略蠕變效應(yīng)的影響就會與實際產(chǎn)生較大誤差。全風(fēng)化花崗巖是花崗巖在物理、化學(xué)、生物等風(fēng)化營力作用下，加上濕熱多雨的氣候使其工程性質(zhì)等產(chǎn)生了很大變化的巖石。它基本保留了花崗巖原巖的外觀和結(jié)構(gòu)特征，但其化學(xué)成分和強度已發(fā)生了較大變化，強度低、壓縮性高、自穩(wěn)和自承能力差［5-8］，其流變特性更為明顯，必須考慮流變性引起的變形才能更合理地解釋隧道穩(wěn)定狀態(tài)的演變。

東科嶺隧道是位于貴廣鐵路上的雙線鐵路隧道，起訖里程D3K553 + 830—D3K558 + 710，全長4 880 m，進口試驗段主要為全風(fēng)化花崗巖，呈肉紅色、淺棕黃色、灰黑色、灰褐色等，色調(diào)極富變化性;似斑狀花崗結(jié)構(gòu)，塊狀，無斑晶，主要礦物為鉀長石、斜長石、正長石、石英、云母、角閃石，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，差異風(fēng)化嚴重，全風(fēng)化帶厚25～45 m，鉆出巖芯成土狀、砂狀、角礫狀，局部夾透鏡體花崗巖球體，屬Ⅲ級硬土。該段地下水很發(fā)育。

本文以東科嶺隧道進口全風(fēng)化花崗巖段為研究背景，取樣試驗并結(jié)合位移反分析確定圍巖流變模型及參數(shù)，并建立三維黏彈塑性模型計算隧道洞周及開挖面前方縱向位移，并分析得出開挖過程中縱向位移的分布規(guī)律。

1　圍巖流變參數(shù)與計算模型

1.1圍巖流變參數(shù)

經(jīng)現(xiàn)場采樣，在實驗室加工成直徑50 mm、高100 mm的柱狀試樣，含水率39.18%。采用單軸蠕變試驗儀，依25，50，75，100，125 N分級加載。荷載總的持續(xù)時間在300 h左右。根據(jù)試驗結(jié)果所得蠕變曲線基本判定可用伯格斯(Burgus)流變本構(gòu)模型描述，經(jīng)擬合得到該模型各參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場位移監(jiān)測反分析，最終確定圍巖流變參數(shù)。

1.2計算模型

基于實際情況建立三維數(shù)值計算模型，隧道埋深33 m，計算范圍寬110 m，高85 m，長84 m，圍巖和噴混凝土均用8節(jié)點六面體單元模擬，上邊界為自由表面，左右邊界固定水平位移，下邊界固定垂直位移，見圖1。噴混凝土支護視為彈性構(gòu)件。考慮到施工中隧道周邊會出現(xiàn)塑性區(qū)，圍巖本構(gòu)模型由伯格斯模型和莫爾—庫倫模型串聯(lián)組成，在圍巖處于彈性狀態(tài)時等同于伯格斯模型，進入塑性后成為黏彈塑性體，見圖2，可用以反映軟弱巖體的黏—彈—塑性偏量力學(xué)響應(yīng)與彈塑性體積(球張量)力學(xué)行為。

圖1　計算模型

當(dāng)σ＜σS時，模型反映出的力學(xué)特性表示巖體未進入塑性屈服階段，此時服從伯格斯黏彈性蠕變規(guī)則，其本構(gòu)方程［9-10］為

式中:GM，ηM分別為模型中麥克斯維子模型的剪切模量和黏滯系數(shù)，GK，ηK分別為模型中開爾文子模型的剪切模量和黏滯系數(shù)，K為體積模量。

當(dāng)σ＞σS時，復(fù)合黏彈塑性模型反映了巖體的流變力學(xué)行為和時效屈服，其總的偏應(yīng)變速率可表示為

式中:上標(biāo)K，M，P分別代表開爾文體、麥克斯維體、莫爾-庫倫體的貢獻。

計算所需圍巖流變參數(shù)見表1。

圖2　圍巖本構(gòu)模型示意

表1　計算參數(shù)

2　計算結(jié)果與分析

2.1計算結(jié)果

模擬實際三臺階法施工，上臺階預(yù)留核心土，開挖循環(huán)進尺1.2 m，每天(24 h)一循環(huán)?？v向位移監(jiān)測點為30 m至54 m斷面上臺階核心土以上30 cm的位置，間隔1.2 m一個測點。記錄開挖過程中縱向位移測點和30 m斷面上拱頂沉降及拱腳位移的變化過程，上臺階開挖至30 m時，做好各臺階支護，暫停施工3個月，記錄各測點隨時間的變化過程。拱頂沉降、拱腳水平位移隨時間變化曲線見圖3，掌子面前方測點縱向位移隨時間變化曲線見圖4，圖中橫坐標(biāo)為時間，其中600 h為上臺階開挖面到達30 m時對應(yīng)的時間，1 000 h對應(yīng)停止施工后約15 d，1 350 h對應(yīng)停止施工約1個月，2 750 h對應(yīng)停止施工約3個月?？v向位移隨至停工開挖面距離變化曲線見圖5。

圖3　拱頂沉降、拱腳水平位移隨時間變化曲線

圖4　掌子面前方測點縱向位移隨時間變化曲線

由圖3可見，拱頂沉降和拱腳收斂開挖期間均隨距掌子面距離的減小加速增長，停工后隨時間的延長增長速率逐漸變緩。圖4表示了距上臺階開挖面前方0～24 m處地層縱向位移隨時間的變化曲線，可見，縱向位移測點在開挖期間隨掌子面向前推進，各測點至掌子面距離逐漸減小，縱向位移加速發(fā)展，停工后，各測點位移隨時間基本呈線性發(fā)展，隨時間延長位移減緩趨勢不明顯，這一點與拱頂和拱腳徑向位移不同。測點距停工掌子面越近，位移發(fā)展越快。圖5中橫坐標(biāo)為監(jiān)測點與開挖面的距離，縱坐標(biāo)為縱向位移，各曲線分別表示停工時、停工15 d，20 d，1個月，2個月和3個月時各點縱向位移與距開挖面距離關(guān)系曲線?？梢钥闯?，測點距掌子面越遠，位移越小，呈遞減趨勢;對比圖中各曲線發(fā)現(xiàn)，停工時間越長，各測點位移隨距離遞減趨勢越明顯，也表明距離掌子面近的測點位移發(fā)展更快。

圖5　縱向位移隨至停工掌子面距離變化曲線

2.2現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果

掌子面前方測點縱向位移現(xiàn)場實測曲線如圖6所示，其中10月29日曲線對應(yīng)圖5中最下方的停工時曲線。同樣可以看出:同一時間，測點距安裝儀表時掌子面越近，位移越大;與圖4中停工前曲線段類似，隨開挖面推進和時間發(fā)展，各測點位移不斷增大，同一測點位移隨開挖面向前推進呈加速發(fā)展態(tài)勢，圖6中表現(xiàn)為不同時間曲線的間隔距離逐漸加大。對比表明，計算規(guī)律與現(xiàn)場實測位移發(fā)展規(guī)律吻合。

圖6　掌子面前方測點縱向位移現(xiàn)場實測曲線

以上分析表明在施工過程中，與徑向位移一樣，縱向位移在掌子面前方圍巖中也會提前發(fā)生，其流變效應(yīng)比徑向位移更顯著，隨時間接近線性發(fā)展，遞減趨勢不明顯。這也解釋了不能自穩(wěn)的軟巖隧道掌子面容易失穩(wěn)的原因。

2.3縱向位移分布規(guī)律

為了提前了解施工掌子面前方由流變引起的縱向位移，根據(jù)圖4中各測點由流變引起的縱向位移隨時間近似線性發(fā)展，可假定距掌子面距離一定時，流變位移發(fā)展速率是定值。通過對圖4中各測點停工后近似直線段做線性回歸，發(fā)現(xiàn)對各測點不同時間的位移做線性回歸后的相關(guān)系數(shù)為0.999 4～1.0，表明按線性處理是合理的。

測點超前掌子面距離越遠，位移速率越小。若按指數(shù)曲線回歸，可得到二者關(guān)系曲線。為不失一般性，寫為

式中:x為測點至掌子面距離;y為縱向流變位移速率;A，B為待定常數(shù)，應(yīng)用時只要測得掌子面不變時不同距離的兩組值即可確定。

由于施工中隨掌子面不斷向前推進，所研究斷面距掌子面距離逐漸減小，y按指數(shù)規(guī)律增大。超前發(fā)生的縱向位移

式中，l0為單位時間進尺。

由式(4)可見，超前縱向流變位移值與位移速率最大值成正比，與位移速率隨距離遞減幅度和開挖進度成反比。

開挖面尚距研究斷面x時，將發(fā)生的縱向位移

在本例中，A = 0.220 2，B = 0.130 9，由于位移速率以mm/h為單位，而距離以m為單位(圖7)，距離換算為mm后，B = 0.130 9×10－3，l0= 1.2 m/d = 50 mm/h，代入式(3)，可得y = 33.6 mm，即在本例情況下，當(dāng)開挖面推進至遠離洞口的某斷面時，在該斷面已發(fā)生了33.6 mm的縱向流變位移。計算結(jié)果與實測值基本相符。

圖7　縱向位移速率與至掌子面距離關(guān)系回歸曲線

若在施工中距離研究斷面x0時發(fā)生了臨時停工，停用時間為Δt，則應(yīng)計入停工時間與當(dāng)時位移速率的乘積，即

3　結(jié)論

本文以貴廣鐵路大斷面軟巖隧道東科嶺隧道為研究背景，現(xiàn)場采樣，經(jīng)室內(nèi)單軸蠕變試驗確定可用伯格斯流變模型描述該隧道圍巖全風(fēng)化花崗巖的流變特性，并結(jié)合位移反分析確定流變參數(shù)。建立三維黏彈塑性流變模型，得到了掌子面附近由于流變引起的隧道徑向位移和縱向位移隨時間發(fā)展規(guī)律，并詳細分析了縱向位移分布規(guī)律及確定方法，主要得出以下幾點結(jié)論:

1)施工期間拱頂沉降和拱腳收斂為時間效應(yīng)和空間效應(yīng)耦合的結(jié)果，隨開挖面的臨近加速增長，對掌子面附近圍巖進行支護后停工一段時間，此時發(fā)生的位移僅為流變位移，其隨時間的延長增長速率逐漸變緩。

2)縱向位移在掌子面前方圍巖中也會提前發(fā)生，縱向流變位移隨時間減緩趨勢不明顯，近似線性發(fā)展，說明流變效應(yīng)對掌子面穩(wěn)定性的不利影響大于對周邊穩(wěn)定性的不利影響。

3)縱向位移測點超前掌子面距離越遠，流變位移速率越小，二者關(guān)系可用指數(shù)函數(shù)近似描述。超前縱向流變位移值可根據(jù)縱向流變位移速率和開挖進度近似估算。

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(責(zé)任審編孟慶伶)

Study on Rheological Effect of Soft Rock in Tunnel Construction

ZHANG Sumin1，2，ZHU Yongquan2，GAO Yan2，F(xiàn)ENG Baocai2

(1.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China;2.School of Civil Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang Hebei 050043，China)

Abstract:T he rheological effects of tunnel construction deformation cannot be ignored for soft rock with strong rheological properties.T aking the fully weathered granite section at the Dongkeling tunnel entrance of Guiyang to Guangzhou railway as the engineering background，the Burgus model could be used to describe the rheological properties of the tunnel surrounding rock by verification of uniaxial static creep test，and rheological parameters were determined by combining with displacement back analysis.T hree dimensional viscoelastic plastic rheological model was established，and displacements near excavation face and longitudinal displacements ahead caused by the rheological effect of surrounding rock were calculated during tunnel construction.T he results show that radial rheological displacements gradually slow down and longitudinal rheological displacements appear linear development over time，the rheological property of the surrounding rock has a large effect on tunnel face stability，the longitudinal displacement rate and the distance ahead of the tunnel face could be described with exponential function approximately，and approximate estimation formula of prior longitudinal rheological displacement was presented in this paper.

Key words:Soft rock tunnel;Rheological property;Rheological effect;Longitudinal displacement;Displacement rate

作者簡介:張素敏(1972—)，女，副教授，碩士。

基金項目:國家自然科學(xué)基金(51078243);鐵道部科技研究開發(fā)計劃(2011G026-J)

收稿日期:2015-07-04;修回日期:2015-12-10

文章編號:1003-1995(2016)03-0062-04

中圖分類號:U451+.2

文獻標(biāo)識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.15