王曉輝
(中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司,天津 300350)
截至2019年,中國(guó)已系統(tǒng)掌握各種復(fù)雜地質(zhì)及氣候條件下高鐵建造成套技術(shù),隨著我國(guó)高速鐵路修建技術(shù)的提高和成熟,許多高速鐵路不可避免地需要穿越城市河流,相當(dāng)一部分需要采用下穿隧道方式通過(guò)。譬如武廣高速鐵路瀏陽(yáng)河隧道采用礦山法施工,有多篇文獻(xiàn)對(duì)該高速鐵路隧道穿越河流區(qū)的設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性進(jìn)行了相關(guān)研究[1-4]。類(lèi)似采用礦山法施工的具有代表性的水下隧道有廈門(mén)翔安海底隧道,若干文獻(xiàn)對(duì)其設(shè)計(jì)施工中的重難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行了分析[5-8]。對(duì)于下穿河谷區(qū)隧道施工的研究,楊金歌提出了洞口段穿越河谷開(kāi)挖的方案及相應(yīng)支護(hù)參數(shù)[9];胖濤與方錢(qián)寶依據(jù)貴廣鐵路重點(diǎn)工程提出了淺埋隧道下穿季節(jié)性河谷區(qū)的門(mén)式結(jié)構(gòu)解決方案[10];王玉鎖等則通過(guò)數(shù)值模擬的方法分析了下穿河谷區(qū)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力規(guī)律[11]。雖然已有相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)大斷面隧道下穿河谷區(qū)進(jìn)行了研究,但對(duì)于軟弱地質(zhì)環(huán)境中高鐵隧道設(shè)計(jì)的研究卻較少。
杭紹臺(tái)客專(zhuān)東茗隧道下穿東大灣主河槽DK775+040~DK775+200段落為160 m,河槽與線(xiàn)路平面夾角44°,洞身位于弱風(fēng)化泥巖地層,緊鄰東大灣主河槽,拱頂埋深36 m,均為Ⅴ級(jí)圍巖。通過(guò)試驗(yàn)手段探索軟弱圍巖的工程特性,利用數(shù)值模擬計(jì)算分析隧道的穩(wěn)定性,并確定隧道下穿河谷區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù),并依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性。
東茗隧道全長(zhǎng)18 226.15 m,隧道最大埋深約262 m,最大跨度為15.2 m,開(kāi)挖斷面面積最大為158 m2,內(nèi)縱坡呈人字型。東茗隧道先后下穿東大灣河谷區(qū)及兩岸紅土覆蓋的低山區(qū),隧址區(qū)不僅有滑坡、膨脹泥巖、松軟土等不良地質(zhì),而且隧道大部分位于新昌縣城區(qū)地下,下穿東大灣河、村莊、東大源灣河谷,通過(guò)液化氣站及液化氣管道等多種高風(fēng)險(xiǎn),是中國(guó)鐵路總公司“掛牌”監(jiān)控的 Ⅰ 級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)隧道。
為了獲得圍巖工程特性,進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究,對(duì)泥巖的抗壓強(qiáng)度、單軸壓縮變形、膨脹性與滲透性以綜合評(píng)價(jià)。在隧道DK774+650~DK775+400里程段總計(jì)取樣15次。根據(jù)《鐵路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(TB 10115-2014),采用切石機(jī)將試件制成標(biāo)準(zhǔn)試樣,尺寸為長(zhǎng)50 mm×寬50 mm×高100 mm,制備標(biāo)準(zhǔn)試樣如圖1所示。
圖1 標(biāo)準(zhǔn)試樣
通過(guò)強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試得:泥巖天然單軸抗壓平均強(qiáng)度1.43 ~2.44 MPa,平均強(qiáng)度均在5 MPa以?xún)?nèi),所取試樣為極軟巖。
在進(jìn)行單軸壓縮變形試驗(yàn)時(shí),每組試樣須有兩個(gè)試件同步測(cè)量,取其平均值作為測(cè)試值。測(cè)試得到試樣的變形模量為0.69~1.77 Pa,彈性模量為0.71 ~1.86 GPa,泊松比0.26~0.35,屬V級(jí)圍巖。
根據(jù)《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程》(TB 10038-2012)提出的評(píng)判指標(biāo):不易崩解巖石的自由膨脹率大于30;膨脹力大于100 kPa;飽和吸水率≥10。
1.3.1 X射線(xiàn)衍射試驗(yàn)
根據(jù)X射線(xiàn)衍射試驗(yàn)得到圍巖組成的相對(duì)含量,結(jié)果如圖2所示。
圖2 圍巖組成相對(duì)含量
由圖2試驗(yàn)結(jié)果可知,東茗隧道圍巖試樣中主要礦物為黏土和碎屑礦物,其中黏土主要由白云母和石英組成;碎屑礦物主要由二氧化硅組成并含有少量方解石、鈉長(zhǎng)石、鎂綠泥石。從礦物成分的角度看圍巖不具有膨脹性。
1.3.2 膨脹力和膨脹率
膨脹試驗(yàn)采用直接法,使用儀器為巖石膨脹應(yīng)力測(cè)定儀和WZ-2型膨脹儀,膨脹率試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。
由圖3試驗(yàn)結(jié)果顯示,每個(gè)斷面最大膨脹力30~95 kPa,小于100 kPa;圍巖試樣最終膨脹率為7.88 %~12.1 %,圍巖試樣無(wú)膨脹性。
對(duì)5組圍巖試樣的滲透系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試,圍巖試樣的滲透系數(shù)2.89×10-6~7.41×10-6cm/s。根據(jù)《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程》(TB10038-2012),當(dāng)圍巖的滲透系數(shù)10-6≤K<10-5cm/s時(shí),巖土體的滲透性等級(jí)為微透水。因此,圍巖試樣微透水,滲透性較低。
圖3 圍巖膨脹力與膨脹率
從上述試驗(yàn)結(jié)果可知,該巖層天然抗壓強(qiáng)度有高有低,軟硬不均,但均屬于極軟質(zhì)巖,且成巖作用不一,整體工程性質(zhì)較差;不具有膨脹性,但具有一定的崩解性,屬微透水地層。
根據(jù)圍巖工程特性,利用三維數(shù)值模擬計(jì)算分析下穿河谷區(qū)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的可行性。隧道下穿段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖掘進(jìn)。初期支護(hù)采用C25濕噴混凝土,厚度35 cm;二次襯砌采用C35鋼筋混凝土,厚度80 cm。
數(shù)值計(jì)算的模型范圍:隧道左右邊界為5倍洞徑(寬度150 m),下邊界為3倍洞徑(45 m),下邊界取至地表(36 m)。前、后、左、右邊界為約束法向位移邊界,下邊界為法向與切向固定邊界,頂部為自由邊界。計(jì)算模型單元數(shù)為311 748個(gè),相應(yīng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為32 265個(gè),圍巖、初期支護(hù)與二次襯砌采用實(shí)體單元模擬,圍巖采用摩爾庫(kù)侖本構(gòu),支護(hù)結(jié)構(gòu)賦予彈性本構(gòu)準(zhǔn)則,錨桿與超前支護(hù)則采用桿單元模擬。地下水位位于距離隧道拱頂之下40 m。滲透系數(shù)取試驗(yàn)最大數(shù)值7.407×10-5cm/s。計(jì)算模型如圖4所示。
由現(xiàn)場(chǎng)圍巖實(shí)測(cè)可知,圍巖滲水性較小,河谷內(nèi)的水壓力可視為均布荷載加在河床上。根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告得到圍巖與支護(hù)計(jì)算參數(shù)如表1所示。
圖4 計(jì)算模型
表1 圍巖與支護(hù)參數(shù)
2.2.1 位移結(jié)果
選取模型中間斷面DK775+120為分析斷面,計(jì)算得到有超前支護(hù)與無(wú)超前支護(hù)分析斷面二次襯砌拱頂沉降如圖5所示。
圖5 分析斷面拱頂沉降(單位:m)
由圖5計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析可知,有超前支護(hù)情況下的最終拱頂沉降值較無(wú)超前支護(hù)情況的要小,此時(shí)拱頂最終沉降值減少了36.4%,說(shuō)明超前支護(hù)能夠一定程度上控制圍巖變形。
2.2.2 內(nèi)力結(jié)果
以分析斷面為對(duì)象,分析在有超前支護(hù)和無(wú)超前支護(hù)情況下初期支護(hù)的內(nèi)力變化,得到超前支護(hù)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)受力的影響。需要說(shuō)明的是FLAC3D中實(shí)體單元計(jì)算內(nèi)力根據(jù)FISH語(yǔ)言對(duì)單元應(yīng)力積分得到,計(jì)算結(jié)果如圖6~圖7所示。
施作超前支護(hù)地段初期支護(hù)關(guān)鍵部位的軸力比未施作超前支護(hù)的軸力普遍大,其中變化較大的是左墻腳的位置,軸力增大了389.6 kN,增幅為27.6%;有超前支護(hù)時(shí)左墻腳處的彎矩較無(wú)超前支護(hù)情況下的彎矩值減小8.2 kN·m,彎矩值較無(wú)超前支護(hù)減少15.3%。施作超前支護(hù)后,初期支護(hù)軸力值變大,彎矩值減小,更有利于初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力??梢?jiàn),施作超前支護(hù)對(duì)于隧道結(jié)構(gòu)受力是有利的。
圖6 有超前支護(hù)時(shí)初期支護(hù)內(nèi)力
圖7 無(wú)超前支護(hù)時(shí)初期支護(hù)內(nèi)力
為了更進(jìn)一步了解隧道下穿河谷區(qū)施工過(guò)程中二次襯砌結(jié)構(gòu)承受的水壓力和圍巖壓力,選取DK775+041斷面為監(jiān)測(cè)斷面,布置了8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),分別位于拱頂、左右拱腰、左右邊墻、左右仰拱腰、仰拱底,水壓力計(jì)和圍巖壓力盒安裝于初期支護(hù)與防水板之間,如圖8所示。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9所示。
圖8 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器安裝
由圖8可知,二次襯砌承受的圍巖壓力最大位于左側(cè)拱腰、仰拱部位,最大達(dá)到0.35 MPa,總體二次襯砌承擔(dān)圍巖壓力相對(duì)較小,因此二次襯砌內(nèi)力也較小。由圖9可知,水壓力最大值小于0.01 MPa,基本上不承受水壓力,分析與弱風(fēng)化泥巖的低滲透性相關(guān),在隧道開(kāi)挖過(guò)程中基本無(wú)滲水。作者認(rèn)為水壓力較小的原因與水位、圍巖滲透性和排水系統(tǒng)有關(guān)。在本隧道中,水位線(xiàn)在隧道拱頂下40 m,圍巖滲透性較好,且排水系統(tǒng)為全封堵,因此二襯承受水壓力較小。
圖9 DK775+041斷面監(jiān)測(cè)結(jié)果
除了對(duì)圍巖壓力與水壓力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)外,監(jiān)測(cè)了DK775+120斷面拱頂沉降時(shí)程曲線(xiàn),如圖10所示。
圖10 拱頂沉降時(shí)程曲線(xiàn)
由圖10可知,最大拱頂位移小于3 cm,數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果在數(shù)量級(jí)上一致,數(shù)值計(jì)算結(jié)果大于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果,數(shù)值模擬較保守,可對(duì)設(shè)計(jì)給予指導(dǎo)。
(1)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)獲得了研究區(qū)段隧道圍巖天然抗壓強(qiáng)度有高有低,軟硬不均,但均屬于極軟質(zhì)巖,且成巖作用不一,整體工程性質(zhì)較差;不具有膨脹性,但具有一定的崩解性,屬微透水地層。
(2)根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知:超前支護(hù)能夠一定程度上控制圍巖變形;施作超前支護(hù)后,初期支護(hù)軸力值變大,彎矩值減小,更有利于初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力。
(3)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知:二次襯砌承受的圍巖壓力最大位于左側(cè)拱腰、仰拱部位,最大達(dá)到0.35 MPa,總體二次襯砌承擔(dān)圍巖壓力相對(duì)較小;水壓力最大值小于0.01 MPa,基本上不承受水壓力,這與弱風(fēng)化泥巖的低滲透性相關(guān),在隧道開(kāi)挖過(guò)程中基本無(wú)滲水。
(4)拱頂最大位移小于3 cm,數(shù)值計(jì)算結(jié)果大于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果,二者在數(shù)量級(jí)上一致,數(shù)值模擬較保守,但可為設(shè)計(jì)提供一定指導(dǎo)。