破碎泥質(zhì)圍巖遇水軟化時機對臺階工法隧道力學性能影響分析

李 鴻

(中機中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039)

隧道工程受地質(zhì)環(huán)境影響較大，特別是當隧道穿越破碎地層時，常會導致大變形等相關地質(zhì)災害，已成為理論界和工程界極其關注的問題[1-3]。由于對大變形形成機理，控制方法認識的不足，國內(nèi)外隧道發(fā)生大變形地質(zhì)災害的工程事例屢見不鮮，它一直是困擾地下工程界的一大難題。國外如日本Enasan隧道、奧地利Tauern隧道等[4]，國內(nèi)如家竹菁隧道、關角隧道、大寨嶺隧道、堡子梁隧道、二郎山隧道、烏鞘嶺隧道、籃家?guī)r隧道等都出現(xiàn)過影響較大的大變形情況[5-8]，給工程建設造成了很多困難[9-12]。

由破碎泥質(zhì)巖隧道的施工研究表明，泥質(zhì)巖隧道的變形很多情況下是由于地下水作用下泥質(zhì)巖體產(chǎn)生較為明顯的強度損失導致的，體積擴容現(xiàn)象并沒有膨脹巖那么明顯，本文通過分析某臺階工法隧道泥質(zhì)巖遇水軟化產(chǎn)生時機對隧道力學性能的影響，以期揭示泥質(zhì)巖遇水軟化產(chǎn)生時機與隧道結構安全的關聯(lián)性，供泥質(zhì)巖隧道工程建設參考。

1 隧道工程概況及計算模型

本文以某隧道工程為依托進行研究，該隧道全長6.5 km，洞身最大埋深263 m，洞高12.2 m，寬14.6 m，斷面形式如圖1所示，初支厚0.25 m(C25)，二襯0.45 m(C30)，軟巖區(qū)段設置錨桿和鋼拱架，錨桿長度3.5 m(0.8 m梅花型)，型鋼鋼拱架型號為I25B(縱距0.8 m)。隧址區(qū)地形起伏較大，橫向沖溝發(fā)育，控制區(qū)段圍巖以薄層狀泥質(zhì)巖地層為主，圍巖等級為Ⅴ級，節(jié)理裂隙極其發(fā)育，巖體較破碎，施工采用上下臺階法。

圖1 依托隧道工程橫斷面

計算分析采用平面應變模型，縱向取Z=0～-1 m，橫向X=-60～60 m，豎向Y=0～160 m，仰拱底部到底邊界74 m。底邊界、前后邊界(Z向)、左右邊界(X向)均施加法向約束，上邊界為自由邊界，并施加按等效自重應力計算的邊界應力值。圍巖、二襯、初支均采用實體單元模擬，錨桿加固區(qū)、初支鋼拱架采用等效提高單元參數(shù)進行模擬。計算工具采用FLAC3D，相關參數(shù)見表1，根據(jù)現(xiàn)場工程經(jīng)驗錨桿加固區(qū)參數(shù)按照圍巖參數(shù)提高20 %選取(圖2)。

圖2 數(shù)值計算模型

2 施工步驟及工況

根據(jù)施工工序，將圍巖弱化時機設置為如下5種工況：上臺階開挖錨桿后(工況1)、上臺階初支施做后(工況2)、下臺階開挖錨桿后(工況3)、下臺階初支施做后(工況4)、二襯施做完成后(工況5)。即分別在這5個階段開始對圍巖強度進行折減，工況見表2，進行數(shù)值模擬時，在設定的工況時刻后，每計算10個時間步進行一次塑性區(qū)搜索，應力釋放通過控制施做支護前的計算時間步來近似控制，根據(jù)工程試驗資料，泥質(zhì)圍巖遇水軟化后的強度按照最初強度的30 %折減。

表1 數(shù)值模擬模型參數(shù)

表2 施工工序及工況

3 圍巖遇水軟化時機對隧道的影響分析

3.1 位移影響分析

選取各工況拱頂沉降、底板隆起、上臺階收斂、下臺階收斂進行位移分析，各工況位移見圖3?？梢钥闯觯焊鞴r中隧道上臺階開挖后洞周位移便開始產(chǎn)生，且均無收斂趨勢，從發(fā)展變形速率來看，上、下臺階的水平變形速率較拱頂和底板隆起要快；從各工況A段1、3和C段2、4可以看出，錨桿支護后變形速率仍然較大，圍巖應力釋放較快；初期支護閉合后，變形速率明顯降低，但變形仍按照較低的速率發(fā)展；二襯施做后，變形逐漸得到控制，且有明顯收斂趨勢，各工況變形趨勢大致相同，最終收斂量值有差異。

可以推斷如果支護施作過晚，會導致更大的收斂值或不收斂，所以及時支護在施工中是很有必要的。下臺階開挖后，圍巖再一次發(fā)生應力重分布，洞周位移繼續(xù)發(fā)展，從變形速率來看，下臺階的開挖對下臺階收斂影響更大，底板隆起值受其影響更小；如圖4所示，上、下臺階初支交接位置洞周剪應力較大，應力較集中，容易產(chǎn)生變形和破壞；在支護剛度和強度足夠時，圍巖軟化時機對變形趨勢影響不大，但對變形值大小有影響，圍巖軟化越早，變形值越大，如圖5所示；在V級圍巖條件下，由于圍巖強度低，初支對變形控制有明顯效果，但位移曲線無收斂趨勢，不能保證長時間的隧道安全，二襯需作承載結構考慮，施工時應嚴密進行監(jiān)控量測，及時施作支護。

(a)工況1位移監(jiān)測點時程曲線

(b)工況2位移監(jiān)測點時程曲線

(c)工況3位移監(jiān)測點時程曲線

(d)工況4位移監(jiān)測點時程曲線

(e)工況5位移監(jiān)測點時程曲線

(f)工況6位移監(jiān)測點時程曲線圖3 各工況位移曲線(單位：m)

圖4 工況6臺階開挖錨桿支護后洞周剪應力云圖(單位：Pa)

圖5 各工況下拱頂沉降、底板隆起對比

3.2 圍巖塑性區(qū)影響分析

選取各工況圍巖塑性區(qū)圖進行分析，各工況塑性區(qū)圖見圖6，各工況塑性區(qū)面積見圖7。最終塑性區(qū)圖像均呈蝴蝶狀，表現(xiàn)為塑性區(qū)分布于隧道橫向兩側，自拱腰和墻腳向圍巖中延伸較遠，拱墻延伸較近，拱頂和底板最近；絕大多數(shù)發(fā)生塑性屈服的單元均為剪切破壞，只有在洞周拱頂、拱腰區(qū)域有少部分單元發(fā)生受拉破壞；塑性區(qū)圍巖弱化時刻越早，塑性區(qū)范圍也越大，不發(fā)生弱化最小，塑性區(qū)面積值極差在300 m2左右，向拱頂兩側延伸最明顯。

圖6 各工況塑性區(qū)

圖7 各工況塑性區(qū)面積(單位：m2)

塑性區(qū)呈蝴蝶狀，是由于兩側拱腰和墻腳存在較大的剪應力，如圖4所示，可以推斷這些區(qū)域的支護結構也處于較大的應力狀態(tài)；拱頂附近存在受拉塑性區(qū)，在未進行支護時洞周發(fā)生掉塊的可能性很大。

3.3 襯砌安全性評價

3.3.1 主應力影響分析

提取各工況二襯最大主應力和最小主應力圖對襯砌安全性進行評價，如圖8所示，圖中僅展示了工況1、工況3、工況5中二襯最大和最小主應力圖?？梢钥闯觯撼r2外，各工況均無受拉區(qū)域，相對于其他區(qū)域，兩側拱腰和墻腳屬于高應力區(qū)域；弱化起始時刻發(fā)生在二襯施做之前(工況1～工況4)，最大壓應力逐漸減小，但發(fā)生在二襯施做之后則增大，如圖9所示。

圖8 各工況二襯最大、最小主應力云圖(單位：Pa)

圖9 二襯最小主應力最值

各工況中墻腳均主要是受壓，且相對于其他區(qū)域屬于高應力區(qū)域，在支護截面設計時應加以重視和加強，如使用大墻腳復合式襯砌設計；二襯主應力圖兩側拱腰和拱腳應力較高與圍巖塑性區(qū)的蝴蝶型分布是一致。

工況1～工況4二襯最大壓主應力逐漸降低而工況5又升高可以理解為：當圍巖弱化起始時刻發(fā)生在二襯施做之前時，弱化時刻越早二襯施做時洞周變形量越大，塑性區(qū)擴展也越大，則應力釋放更多而圍巖的自承能力更小，所以二襯承擔的就更多，壓應力也更大；圍巖弱化起始時刻發(fā)生在二襯施做之后，前期變形較1至工況4工況少，圍巖應力釋放少，且由于二襯剛度相對圍巖大得多，圍巖弱化后二襯直接參與到應力的重分布中，二襯也將承擔更多，這兩項因素導致了二襯較大的壓應力。

3.3.2 內(nèi)力影響分析

設置如圖10所示7個測點，提取每處測點過兩單元體中心點(二襯采用兩層實體單元模擬)連線且法向沿二襯橫截面軸線切線的彎矩、剪力和軸力，并采用破損階段法計算安全系數(shù)，結果見表3。

圖10 二襯內(nèi)力提取測點

由表3可以得出：圍巖軟化時機對二襯內(nèi)力分布特征影響不大，各工況內(nèi)力和安全系數(shù)分布規(guī)律大致相同；拱頂彎曲應力表現(xiàn)為內(nèi)側受拉，仰拱彎曲應力表現(xiàn)為外側受拉；軸力均表現(xiàn)為壓應力；安全系數(shù)均為靠近側墻下側(或墻腳)處較小，向拱頂和仰拱逐漸增大，仰拱比拱頂大。

表3 二襯各測點內(nèi)力及安全系數(shù)

圖11 各工況最小安全系數(shù)

圖11為各工況最小安全系數(shù)，表4為最小安全系數(shù)發(fā)生的位置，可以發(fā)現(xiàn)除工況1外各工況最小安全系數(shù)均發(fā)生在墻腳位置，且均大于按破損階段法驗算截面強度的安全系數(shù)限值3.6；在二襯施做之前，圍巖軟化時機越晚，安全系數(shù)越大，但圍巖軟化發(fā)生在二襯之后，安全系數(shù)又會減小。

4 結論

本文針對破碎泥質(zhì)圍巖在地下水作用下易產(chǎn)生較為明顯的強度損失導致隧道較大變形的問題，通過數(shù)值模擬，對圍巖軟化時機與隧道結構力學性能的關聯(lián)性進行了研究，主要對比了不同軟化時機條件下隧道結構體系位移場、塑性區(qū)

表4 各工況最小安全系數(shù)

形態(tài)及面積、二襯應力及內(nèi)力分布，有如下幾點啟示:

(1)在支護剛度和強度足夠時，圍巖遇水軟化時機對洞周變形趨勢影響不大，但對其量值有影響，圍巖遇水軟化越早，變形值越大。

(2)圍巖遇水軟化時機對支護結構內(nèi)力分布特征影響不大，墻腳往往是控制截面，對二襯安全系數(shù)有影響。

(3)在支護剛度和強度足夠時，圍巖遇水軟化時機對塑性區(qū)分布特征影響不大，但對進入塑性區(qū)的圍巖面積有影響，圍巖遇水軟化時機越早塑性區(qū)面積越大，且向拱頂兩側延伸最明顯。

(4)V級圍巖條件強度低，初支雖對洞周變形有明顯控制效果，但有明顯不收斂趨勢，不能保證長時間的隧道安全，二襯需作承載結構考慮。