砂卵石地層礦山法施工隧道掌子面穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

王玉鎖 陽(yáng)超 張雪松 張浩 何鎖宋

（1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都610031；2.中鐵北京工程局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司，合肥230088）

地鐵因具有安全快捷、節(jié)約土地等優(yōu)點(diǎn)成為解決城市交通問(wèn)題的首選［1］。采用淺埋暗挖法修建地鐵聯(lián)絡(luò)通道或隧道的工程很多［2-6］。成都、北京、廣州等城市均存在大量砂卵石地層，砂卵石地層圍巖穩(wěn)定性對(duì)施工振動(dòng)十分敏感，徑向錨桿施作困難且效果不佳，掘進(jìn)速度慢，施工風(fēng)險(xiǎn)高。為解決這個(gè)問(wèn)題，須先對(duì)掌子面的穩(wěn)定性進(jìn)行判別，再采取相應(yīng)的開(kāi)挖和支護(hù)措施。本文引入砂類土圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)SBQ（Sandy Soil Surrounding Rock Basic Quality Index）［7］和卵石土圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)GBQ（Gravel Soil Surrounding Rock Basic Quality Index），對(duì)砂卵石地層隧道掌子面穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)的提出

SBQ是基于土的摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度理論提出的。文獻(xiàn)［7］通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和相關(guān)分析得出

式中：c為砂類土的黏聚力，kPa；γ為砂類土的重度，kN/m3；φ為砂類土的內(nèi)摩擦角，°；H為隧道埋深，取20 m。

可以看出，SBQ是一個(gè)無(wú)量綱量，涵蓋了砂類土的抗力及荷載效應(yīng)，將剪切強(qiáng)度指標(biāo)c，φ與γ有機(jī)結(jié)合在一起，反映砂類土的力學(xué)特性。此值越大，說(shuō)明土體穩(wěn)定性越好。

因卵石土和砂類土均具有顆粒材料性質(zhì)，因此參照SBQ，采用GBQ表征卵石土的力學(xué)特性。其計(jì)算公式為

式中：c′為卵石土的黏聚力，kPa；γ′為卵石土的重度，kN/m3；φ′為卵石土的內(nèi)摩擦角，°；H′為隧道埋深，取20 m。

2 計(jì)算模型及參數(shù)選取

利用數(shù)值模擬方法，研究SBQ，GBQ值與隧道掌子面穩(wěn)定性的關(guān)系。

2.1 數(shù)值模型

依托工程穿越砂卵石地層，平均覆土厚約10 m，洞周最大水平跨度6.7 m，覆土厚與跨度之比（覆跨比）約1.5。隧道橫斷面如圖1所示。

根據(jù)隧道設(shè)計(jì)情況，利用FLAC軟件建立隧道開(kāi)挖計(jì)算模型?？紤]到邊界效應(yīng)的影響，洞周水平方向及隧道底部向下均取約3倍洞徑，模型長(zhǎng)、寬、高分別為50，20，39 m。土層分為上下兩層，上層為雜填土，厚3.2 m；下層為砂卵石土，厚35.8 m。模型（圖2）上表面為自由邊界，側(cè)面及底面均施加法向約束。

圖1 隧道橫斷面示意（單位：mm）

圖2 隧數(shù)值模型（單位：mm）

2.2 計(jì)算參數(shù)

隧道初期支護(hù)采用實(shí)體單元模擬，其力學(xué)參數(shù)按照抗彎剛度等效法進(jìn)行計(jì)算。雜填土的力學(xué)參數(shù)參照勘查報(bào)告確定。碎石土包括卵石土［8］，因此隧道穿越的砂卵石地層物理力學(xué)參數(shù)可根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》［9］中砂類土、碎石土物理力學(xué)參數(shù)確定，本文選取建議范圍的中間值。計(jì)算工況包括砂類土圍巖Ⅳ2，Ⅴ1，Ⅴ2，Ⅵ級(jí)及卵石土圍巖Ⅳ2，Ⅴ1，Ⅴ2級(jí)。各工況計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各工況計(jì)算參數(shù)

數(shù)值模擬時(shí)隧道采用全斷面法開(kāi)挖，開(kāi)挖進(jìn)尺0.5 m，初期支護(hù)采用φ8鋼筋網(wǎng)（雙層）@0.2 m×0.2 m+30 cm厚C25噴射混凝土+間距0.5 m鋼拱架，其力學(xué)參數(shù)按等剛度換算。初期支護(hù)及雜填土的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 初期支護(hù)及雜填土的力學(xué)參數(shù)

2.3 模擬結(jié)果與分析

2.3.1 砂類土地層隧道掌子面穩(wěn)定性

開(kāi)挖到10 m時(shí)，工況1—工況4隧道掌子面變形情況分別見(jiàn)圖3—圖6。

圖3 工況1掌子面縱斷面變形云圖（SBQ=0.79）

圖4 工況2掌子面縱斷面變形云圖（SBQ=0.64）

圖5 工況3掌子面縱斷面變形云圖（SBQ=0.53）

圖6 工況4掌子面縱斷面變形云圖（SBQ=0.32）

從圖3（a），圖4（a），圖5（a），圖6（a）可以看出：①SBQ為0.79時(shí)最大水平位移位于掌子面中心，其值為1.23 cm，掌子面能保持穩(wěn)定；②SBQ減小到0.64時(shí)最大水平位移位于掌子面上方，其值為15.03 cm；③SBQ減小到0.53和0.32時(shí)掌子面一經(jīng)開(kāi)挖位移便急劇增大，因變形過(guò)大計(jì)算中止時(shí)最大水平位移分別達(dá)到1.9，1.3 m，此時(shí)掌子面已失穩(wěn)破壞。

從圖3（b），圖4（b），圖5（b），圖6（b）可以看出：①SBQ為0.79時(shí)隧道拱頂最大沉降7.54 mm，底板最大隆起3.90 mm，均未超出GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》［10］中控制值（初期支護(hù)拱頂沉降和底板豎向位移控制值分別為20，10 mm），說(shuō)明洞身穩(wěn)定性較好；②SBQ減小到0.64時(shí)，拱頂最大沉降約7 cm已超限，掌子面前方變形相對(duì)較大的圍巖區(qū)呈楔形；③SBQ減小到0.53和0.32時(shí)掌子面已塌落破壞。

綜上可知，覆土厚10 m、覆跨比約1.5，在砂類土地層中采用全斷面法開(kāi)挖，SBQ≥0.79（Ⅳ2級(jí)及穩(wěn)定性更好圍巖）時(shí)掌子面能夠自穩(wěn)，為保證施工安全，建議采用臺(tái)階法或臺(tái)階法+留核心土的方法開(kāi)挖；0.64≤SBQ＜0.79（Ⅴ1級(jí)圍巖）時(shí)初期支護(hù)及掌子面變形較大，須采取臺(tái)階法+留核心土的方法開(kāi)挖；SBQ＜0.64（Ⅴ2級(jí)及穩(wěn)定性更差圍巖）時(shí)掌子面極有可能失穩(wěn)破壞，須采取超前支護(hù)+臺(tái)階法+留核心土的方法開(kāi)挖，并加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，以保證隧道施工安全。

2.3.2 卵石土地層隧道掌子面穩(wěn)定性

開(kāi)挖到10 m時(shí)，工況5—工況7隧道掌子面變形情況分別見(jiàn)圖7—圖9。

圖7 工況5掌子面縱斷面變形云圖（GBQ=1.11）

圖8 工況6掌子面縱斷面變形云圖（GBQ=0.87）

圖9 工況7掌子面縱斷面變形云圖（GBQ=0.67）

從圖7（a），圖8（a），圖9（a）可以看出：GBQ為1.11時(shí)最大水平位移位于掌子面中心，其值為4.1 mm，掌子面穩(wěn)定性好。GBQ減小到0.87時(shí)最大水平位移同樣位于掌子面中心，其值為9.2 mm，變形較小，掌子面穩(wěn)定性仍較好。GBQ減小到0.67時(shí)，掌子面一經(jīng)開(kāi)挖便失穩(wěn)破壞，因變形過(guò)大計(jì)算中止時(shí)最大水平位移達(dá)到2.2 m。

從圖7（b），圖8（b），圖9（b）可以看出：GBQ為1.11，0.87時(shí)，隧道拱頂最大沉降分別為2.97，8.46 mm，底板最大隆起分別為1.34，1.22 mm，兩者均未超出GB 50911—2013中控制值，表明洞身穩(wěn)定性好。GBQ下降到0.67時(shí)掌子面無(wú)法保持穩(wěn)定，失穩(wěn)破壞情況與砂類土類似。

綜上可知，覆土厚10 m、覆跨比約1.5，在卵石土地層中采用全斷面法開(kāi)挖，GBQ≥0.87（Ⅴ1級(jí)及穩(wěn)定性更好圍巖）時(shí)掌子面可自穩(wěn)，為安全可靠，建議采用臺(tái)階法或臺(tái)階法+留核心土的方法開(kāi)挖；GBQ＜0.87（Ⅴ2級(jí)及穩(wěn)定性更差圍巖）時(shí)掌子面極有可能失穩(wěn)破壞，須采取超前支護(hù)+臺(tái)階法+留核心土的方法開(kāi)挖，并加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，保證隧道施工安全。

3 工程實(shí)踐

成都地鐵9號(hào)線武青車輛段出段線隧道穿越砂卵石地層，實(shí)際施工時(shí)主要為卵石土，圍巖級(jí)別為Ⅴ1，Ⅴ2級(jí)。Ⅴ1級(jí)圍巖段采用臺(tái)階法+留核心土的方法開(kāi)挖；Ⅴ2級(jí)圍巖段采用超前管棚支護(hù)+臺(tái)階法+留核心土的方法開(kāi)挖。初期支護(hù)采用φ8鋼筋網(wǎng)（雙層）@0.2 m×0.2 m+30 cm厚C25噴射混凝土+間距0.5 m鋼拱架。掌子面穩(wěn)定性較好，初期支護(hù)及二次襯砌安全，隧道順利貫通。說(shuō)明本文所提出的砂卵石地層隧道掌子面穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法合理可行。

4 結(jié)論

1）同一圍巖級(jí)別（亞級(jí)）下砂類土和卵石土物理力學(xué)性質(zhì)有差異，應(yīng)分別采用SBQ和GBQ對(duì)隧道掌子面穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。同一圍巖級(jí)別（亞級(jí)）下GBQ＞SBQ，卵石土圍巖穩(wěn)定性優(yōu)于砂類土圍巖。

2）覆土厚10 m、最大開(kāi)挖跨度6.7 m，圍巖為砂類土，SBQ≥0.79（Ⅳ2級(jí)及穩(wěn)定性更好圍巖）時(shí)掌子面可以自穩(wěn)，為保證施工安全可靠，建議采用臺(tái)階法+留核心土的方法開(kāi)挖；0.64≤SBQ＜0.79（Ⅴ1級(jí)圍巖）時(shí)須采用臺(tái)階法+留核心土的方法開(kāi)挖；SBQ＜0.64（Ⅴ2級(jí)及穩(wěn)定性更差圍巖）時(shí)掌子面極有可能失穩(wěn)破壞，須采取超前支護(hù)+臺(tái)階法+留核心土的方法開(kāi)挖。

3）覆土厚10 m、最大開(kāi)挖跨度6.7 m，圍巖為卵石土，GBQ≥0.87（Ⅴ1級(jí)及穩(wěn)定性更好圍巖）時(shí)掌子面可以自穩(wěn)，為保證施工安全可靠，可采用臺(tái)階法+留核心土的方法開(kāi)挖；GBQ＜0.87（Ⅴ2級(jí)及穩(wěn)定性更差圍巖）時(shí)可能發(fā)生失穩(wěn)破壞，須采取超前支護(hù)+臺(tái)階法+留核心土的方法開(kāi)挖，并加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，以保證施工安全。