基于強度折減法的軟弱泥巖隧道圍巖穩(wěn)定性分析

武亞遵，田方正，林 云，文 橋

(1.河南理工大學資源環(huán)境學院，河南 焦作 454000；2.中原經(jīng)濟區(qū)煤層(頁巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000；3.九江地質(zhì)工程勘察院，江西 九江 332000)

在圍巖強度低，成巖作用弱的泥巖地層開挖隧道，圍巖對工程擾動極其敏感，隧道的開挖方法對圍巖的穩(wěn)定性影響較大[1]。因此選擇適宜的開挖方法對圍巖的穩(wěn)定和隧道的安全施工具有重要的指導意義，為此諸多學者進行了大量的研究[2]。王金明等[3]采用數(shù)值模擬對大跨度淺埋暗挖隧道的開挖方法進行研究，得出不同工法開挖后的地表沉降量。楊紅軍等[4]通過改變隧道埋深和開挖方法進行對比分析，得出二襯支護的最佳時機。汪波等[5]通過對不同開挖方法對既有隧道的影響進行分析，確定了穩(wěn)定性最佳的開挖方法。上述研究雖然從不同的角度探討了開挖方法對圍巖穩(wěn)定性影響，但均未采用統(tǒng)一的指標對巖體穩(wěn)定性進行量化，而起源于極限分析思想的強度折減法為此提供了借鑒[6]。由于該方法可以定量的評價隧道圍巖穩(wěn)定性，因此，一經(jīng)提出就得到了廣泛的研究和應用。鄭穎人院士帶領(lǐng)的團隊分析了巖體參數(shù)對塑性區(qū)的影響，并判定了不同狀態(tài)下圍巖的破壞條件[7-9]。侯瑞彬等[10]應用強度折減法研究了隧道不同施工工序的穩(wěn)定性系數(shù)動態(tài)變化規(guī)律。鄧建林等[11]通過強度折減法計算了不同工況下的穩(wěn)定性系數(shù)，并得出地質(zhì)條件改變時的變化規(guī)律，確定開挖方法轉(zhuǎn)換的最佳時機。盡管諸多學者運用強度折減法對圍巖穩(wěn)定性做了大量研究，但當穩(wěn)定性系數(shù)相近時，僅靠數(shù)值判斷圍巖穩(wěn)定性得出的結(jié)果勢必產(chǎn)生偏差。

為此，本研究以蒙華鐵路申家洼隧道為例，采用ANSYS建立網(wǎng)格后導入有限差分軟件FLAC3D建立三維模型，而后通過強度折減法探討三臺階七步法、三臺階臨時仰拱法、中隔壁法、弧形導坑法等不同方法開挖下的穩(wěn)定性系數(shù)，并綜合隧道不同部位的塑性區(qū)面積比確定適宜的開挖方法，最后從位移變化量、應力分布和塑性區(qū)變化特征等方面分析最適宜開挖方法的圍巖穩(wěn)定性，為隧道安全施工提供技術(shù)支撐。

1 強度折減法原理

1.1 強度折減法

強度折減法主要是根據(jù)Mohr-Coulomb準則[12]，通過不斷折減土體的強度參數(shù)，按照式(1)、(2)將黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ進行折減，直至塑性應變發(fā)生突變，即圍巖剪切破壞，此時的折減系數(shù)即為穩(wěn)定性系數(shù)。

cF=c0/K

(1)

φF=tan-1((tanφ0)/K)

(2)

式中：c0、cF——圍巖初始和極限狀態(tài)下的黏聚力；

φ0、φF——圍巖初始和極限狀態(tài)下的內(nèi)摩擦角；

K——穩(wěn)定性系數(shù)。

1.2 圍巖強度參數(shù)

巖體變形模量是研究隧道圍巖變形時非常重要的參數(shù)，本文采用Hoek-Brown準則來估算圍巖的強度力學參數(shù)[13-14]。該方法先用地質(zhì)強度指標GSI描述巖體質(zhì)量，然后通過經(jīng)驗公式來確定巖體強度指標[15]。這不僅能夠考慮巖體因開挖而造成的擾動及損傷影響，而且由于GSI體系綜合巖體結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)面來評定巖體質(zhì)量，因此能夠較合理地估算風化巖體的抗剪強度參數(shù)。

Hoek-Brown強度準則是E.Hoek等人在大量試驗基礎(chǔ)上提出的巖體非線性破壞經(jīng)驗準則，并于2002年進行了修正，其公式為[16-17]:

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：σ1、σ3——巖體破壞時的最大、最小主應力；

σci——完整巖石的單軸抗壓強度；

mb、α、s——與巖體特性有關(guān)的材料常數(shù)；

D——巖體擾動參數(shù)；

mi——巖石材料常數(shù)；

GSI——地質(zhì)強度指標。

等效的Mohr-Coulomb強度參數(shù)，黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ可用下式確定：

(7)

(8)

當σci≤100 MPa時，其變形模量為：

(9)

1.3 失穩(wěn)判據(jù)

采用數(shù)值分析方法對巖土體進行穩(wěn)定性分析時，如何運用強度折減法找到臨界破壞時的折減系數(shù),即如何選擇破壞判據(jù)，是解決問題的關(guān)鍵。目前主要有三種：計算收斂判據(jù)；塑性區(qū)的貫通判據(jù)和特征點的位移突變判據(jù)[18]，此處將采用特征點的位移突變確定穩(wěn)定性系數(shù)。

2 工程概況及模型建立

蒙華鐵路申家洼隧道地處黃土梁峁區(qū)，上部覆蓋厚層黃土，厚度約45 m，下部為全風化至強風化泥巖，厚度約55 m，強度低，成巖作用弱。由地質(zhì)勘查資料可知，圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，總體上屬于Ⅴ級圍巖。隧道擬采用馬蹄形(曲墻拱形)斷面施工，由Hoek-Brown強度準可得如表1所示的圍巖體物理力學參數(shù)。

表1 隧道圍巖體物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of the surrounding rock mass of tunnel

區(qū)內(nèi)隧道開挖高度8 m，跨度10 m，為減小邊界條件對研究區(qū)域的影響，按照圣維南原理，6倍洞室半徑外所受應力的影響可以忽略不計[19]，因此，模型底部及左右兩側(cè)邊界范圍取6倍洞室的半徑。綜合隧址區(qū)工程地質(zhì)條件，模擬模型尺寸為寬70 m，高90 m，厚40 m，網(wǎng)格共287 320個，結(jié)點共301 104個。在模型的前后、左右兩側(cè)及底部設(shè)置位移邊界為滾動邊界，即固定法向位移邊界，頂部設(shè)置為自由邊界，不施加應力邊界。隧道掘進于新近系中新統(tǒng)全風化泥巖中，區(qū)內(nèi)構(gòu)造不發(fā)育，地應力主要是由上覆巖土體在重力作用下產(chǎn)生的自重應力，因此，在模型中通過設(shè)置重力加速度后的初次平衡得到初始地應力場。

隧道圍巖采用實體單元，初期支護采用自帶的殼單元(shell)，在計算過程中，由于圍巖分布均勻，因此假定圍巖為各向同性材料，隧道開挖通過FLAC3D中的空模型實現(xiàn)。圍巖材料采用摩爾—庫倫本構(gòu)模型，初期支護采用彈性模型(圖1)。

圖1 隧道模型Fig.1 Tunnel model

在隧道施工中，開挖方法對圍巖穩(wěn)定，施工安全、效率及工期等有重要的影響。為確定最適宜的開挖方法，本文對三臺階七步法、弧形導坑法、三臺階臨時仰拱法、中隔壁法(圖2)等不同開挖方式下隧道圍巖穩(wěn)定性進行分析評價。

圖2 不同開挖方法示意圖Fig.2 Schematic diagram of different excavation methods

3 模擬結(jié)果分析

3.1 隧道強度折減曲線分析

隧道拱頂下沉是隧道監(jiān)測的必測項目，同時也是圍巖穩(wěn)定性評價的關(guān)鍵控制變量。通過拱頂下沉的量測，可及時掌握圍巖的變形狀況，為襯砌施作時機的選擇提供指導。

隧道不同開挖方法下強度折減曲線如圖3所示。從圖中可以看出各種開挖方法的位移曲線在折減系數(shù)較低時位移量變化不大，沉降曲線總體呈直線變化，表明圍巖處于彈性變形階段。隨著折減系數(shù)的增加，圍巖強度達到屈服極限，沉降曲線開始向上彎曲，表明圍巖大范圍破壞，巖體承載能力下降直至失穩(wěn)，拱頂沉降量呈指數(shù)型增加。通過分階段直線擬合沉降曲線，可以得到位移發(fā)生突變的點，其對應橫坐標即為隧道圍巖穩(wěn)定的穩(wěn)定性系數(shù)。

圖3 不同開挖方法穩(wěn)定性系數(shù)對比Fig.3 Comparison of safety factors with different excavation methods

對比四種開挖方法的沉降曲線可以看出：其中三臺階七步法的沉降曲線最先出現(xiàn)拐點，為1.94，且斜率較大，隨著折減系數(shù)的增加，沉降量迅速增加，表明此法對巖體擾動較大且不利于巖體穩(wěn)定?；⌒螌Э臃ㄔ谡蹨p系數(shù)為2.22時出現(xiàn)拐點，由于相對三臺階七步法在開挖過程中圍巖受到擾動的次數(shù)更少，在圖中表現(xiàn)為斜率更低，沉降量更小。中隔壁法和三臺階臨時仰拱法相差不大，拐點出現(xiàn)較晚，折減系數(shù)分別為2.3和2.33。相對于前兩種工法，臺階仰拱法和中隔壁法都增設(shè)有臨時鋼結(jié)構(gòu)支護圍巖，提高圍巖的支護強度。但由于二者穩(wěn)定性系數(shù)相近，需進一步分析塑性區(qū)面積進行最適宜開挖方法的甄別。

3.2 隧道圍巖塑性狀態(tài)分析

圖4為不同方法開挖后不同部位圍巖塑性區(qū)面積比柱形圖。從圖中可以看出中隔壁法和臺階仰拱法總體上塑性區(qū)面積比都較低，約為20%～30%。而弧形導坑法和三臺階七步法塑性區(qū)面積比則較高，均達到50%以上，三臺階七步法在隧道上部比值達到了95.9%。說明采用中隔壁法和臺階仰拱法開挖隧道時圍巖穩(wěn)定性要優(yōu)于弧形導坑法和三臺階七步法。由于穩(wěn)定性系數(shù)相近，中隔壁法與臺階仰拱法的塑性區(qū)面積比比值相差不大。但在對圍巖穩(wěn)定性影響較大的隧道上部和左側(cè)，三臺階臨時仰拱法較好，在隧道右側(cè)為中隔壁法較好。

圖4 隧道塑性區(qū)對比圖Fig.4 Comparison graph of tunnel plastic zones

綜合對比四種開挖方法的穩(wěn)定性系數(shù)和塑性區(qū)特征可以發(fā)現(xiàn)：開挖過程中的擾動次數(shù)越多，穩(wěn)定性系數(shù)越小，塑性區(qū)面積比越大；支護閉合的越快，穩(wěn)定性系數(shù)越大，塑性區(qū)面積比越小。表明在軟弱泥巖隧道中，圍巖強度低，難以自穩(wěn)，開挖擾動對圍巖的沉降量影響較大，因此初次支護閉合越及時，隧道的穩(wěn)定性越好。綜上所述，三臺階臨時仰拱法折減系數(shù)較大，拱頂塑性區(qū)面積比較小，在開挖隧道時對圍巖擾動次數(shù)少，且支護閉合速度快，因此穩(wěn)定性優(yōu)于其他開挖方法。

4 圍巖穩(wěn)定性分析

4.1 隧道圍巖位移分析

圖5為拱頂上部不同距離的沉降位移曲線圖。

圖5 拱頂沉降量變化圖Fig.5 Settlement change chart of the vault

從圖中可以看出在距拱頂6～20 m范圍內(nèi)，沉降位移量隨著距離減小逐漸增大，曲線斜率逐漸增加。在距拱頂5 m處位移曲線出現(xiàn)拐點。在1～5 m范圍內(nèi)，沉降量增加緩慢且趨于穩(wěn)定。可以看出從黃土層到泥巖層界面處(即5 m處)，由于巖體強度的增大，導致位移曲線斜率突然變小。

在隧道斷面的各個部位中，位移量從大到小依次為拱頂、拱腰、仰拱、拱墻和拱腳(圖6)。其中位于隧道上部的拱頂和拱腰的位移量分別達到112.1 mm和85.1 mm，表明圍巖自重是造成上部圍巖位移的主要原因。此外隧道仰拱處位移量為41.6 mm，表明隧道下部由于自重荷載的消失，產(chǎn)生向上的位移，且變形量較大。在二次襯砌設(shè)計時應在拱頂、拱腰和仰拱處留出足夠的預留變形量，以防止拱頂沉降對二次襯砌造成破壞。

圖6 隧道不同部位的位移量圖Fig.6 Displacement graph of different parts of the tunnel

4.2 隧道圍巖應力分析

隧道一斷面圍巖最大主應力變化過程如圖7所示。

圖7 圍巖最大主應力變化過程圖Fig.7 Process diagram showing the maximum principal stress change of the surrounding rock

圖中可以看到在開挖上臺階后拱頂上方出現(xiàn)應力集中區(qū)，兩側(cè)應力向臺階拐角集中。在開挖中臺階并施加臨時仰拱后，由于支護閉合，拱頂上方應力集中區(qū)減小，仰拱兩側(cè)出現(xiàn)應力集中。在斷面全部開挖后，初次支護完成，拱頂上方應力集中區(qū)幾乎消失，但由于臨時仰拱的拆除，導致失去拱墻兩側(cè)的支撐，兩側(cè)應力增大。

4.3 隧道圍巖塑性狀態(tài)分析

圖8為隧道開挖過程中圍巖塑性區(qū)隨開挖步數(shù)的變化圖。

圖8 同一斷面圍巖塑性區(qū)變化特征Fig.8 Change characteristics of plastic zone at the section of surrounding rock

從圖8中可以看出，隧道圍巖當前塑性區(qū)的大小隨著開挖和支護的進行會受到較大的影響。在開挖前，隧道掌子面由于受到擾動，產(chǎn)生塑性破壞區(qū)。由于未施加臨時仰拱，在開挖上臺階并支護拱頂后，當前塑性區(qū)減小緩慢。在開挖中臺階后隨著側(cè)壁和臨時仰拱的施加使支護提前閉合，圍巖當前塑性區(qū)明顯減小。在隧道斷面完全開挖且初次支護完成后，圍巖塑性區(qū)面積趨于穩(wěn)定，臨時仰拱施加后仰拱兩側(cè)和上部剪切塑性區(qū)消失，表明臨時仰拱的施加對穩(wěn)固圍巖穩(wěn)定效果較好。

5 結(jié)論

(1)通過強度折減法計算不同開挖方式下圍巖的穩(wěn)定性系數(shù)，可定量評價隧道圍巖的穩(wěn)定性。對穩(wěn)定性系數(shù)相近的工法，進一步分析圍巖塑性區(qū)，可更具體的確定不同部位的穩(wěn)定性，以準確判定更加適宜的開挖方式，從而改進以往結(jié)果存在的偏差。

(2)在軟弱泥巖隧道中，圍巖強度低，自穩(wěn)能力差。三臺階臨時仰拱法施工時開挖擾動少，支護閉合快，且穩(wěn)定性系數(shù)和塑性區(qū)面積比優(yōu)于其他工法，是軟弱泥巖隧道施工中較適宜的方法。

(3)采用三臺階臨時仰拱法開挖后，拱頂、拱腰和仰拱處位移量較大，因此在隧道施工時對位移較大的部位應及時加強支護。由于臨時仰拱的拆除和初次支護的完成，圍巖應力集中的位置從拱頂上方改變?yōu)榕R時仰拱兩側(cè)，應適當加大兩邊墻襯砌的厚度，以控制隧道支護襯砌壓力；隧道開挖后應及時施加臨時仰拱，使支護閉合，抑制拱頂塑性區(qū)的發(fā)展。