陳 舞,岳克棟,王 浩,張國華,覃衛(wèi)民
(1.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430071;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049;3.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,湖北武漢 430010)
隨著隧道建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,施工中圍巖穩(wěn)定性問題更加突出,已成為影響人員安全、引發(fā)工期延誤與經(jīng)濟(jì)損失的一個(gè)重大隱患[1-2]。隧道洞口淺埋段多處于覆蓋層、坡積層或風(fēng)化嚴(yán)重的軟弱破碎巖體中,相比于洞身深埋段,更易受到地表地形、地質(zhì)構(gòu)造、施工擾動(dòng)及外界環(huán)境等因素的影響,因此,發(fā)生圍巖失穩(wěn)破壞的概率會(huì)顯著增加。同時(shí),由于隧道洞口段埋深較淺,上覆松散破碎軟弱巖土體難以形成相對穩(wěn)定的自然拱,這導(dǎo)致圍巖一旦失穩(wěn)往往會(huì)波及至地表,造成大面積的塌陷,嚴(yán)重威脅隧道、地表建(構(gòu))筑物和人員的安全。因此,開展隧道洞口淺埋段軟弱圍巖失穩(wěn)機(jī)制分析和判據(jù)研究具有重要意義。
隧道洞口淺埋段上覆松散軟弱圍巖體是1 個(gè)復(fù)雜系統(tǒng),具有高度的非線性和突發(fā)性特征,并且其破壞模式往往表現(xiàn)出由漸變到突變的非連續(xù)跳躍性,現(xiàn)行的穩(wěn)定性評價(jià)方法和評估模型往往難以反映該特征。突變理論主要研究系統(tǒng)從1 種平衡狀態(tài)躍遷至另外1 種平衡狀態(tài)的現(xiàn)象和規(guī)律,非常適合于隧道圍巖失穩(wěn)分析,目前這種理論已開始廣泛應(yīng)用于重力壩[3]、滑坡[4-6]、基坑[7-8]、隧道[9-15]中,并取得了豐富成果。在隧道工程領(lǐng)域,大多數(shù)研究主要偏于深埋硬巖隧道[9-11]、淺埋偏壓隧道[12]和穿越斷層破碎帶[13-14]等方面,對于隧道洞口淺埋段的圍巖失穩(wěn)機(jī)制分析和判據(jù)研究卻未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。
本文以鄭萬高鐵湖北段ZWZQ-10 標(biāo)段某隧道為工程背景,基于突變理論,建立隧道洞口淺埋段軟弱圍巖失穩(wěn)的尖點(diǎn)突變模型,推導(dǎo)圍巖失穩(wěn)力學(xué)判據(jù);將地表沉降現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和尖點(diǎn)突變模型進(jìn)行融合,建立隧道圍巖穩(wěn)定性判別式,可直接利用地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)來判別圍巖穩(wěn)定性,并依托實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。
某隧道是鄭州—萬州高速鐵路河南、湖北省界至萬州段的重點(diǎn)工程,全長12 474.5 m,最大埋深約620 m。在隧道進(jìn)口DK630+150—DK630+180淺埋段,上覆地層主要由堆積含礫粉質(zhì)黏土、碎石和全~強(qiáng)風(fēng)化石英片巖組成,呈散體~碎裂狀;巖體較軟、較破碎,隧道頂板上部風(fēng)化石英片巖厚度小、裂隙發(fā)育、穩(wěn)定性差,洞頂無支護(hù)時(shí)易產(chǎn)生大坍塌。
2017 年5 月27 日,隧道由出洞口向進(jìn)洞口方向開挖至DK630+165 時(shí),監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示DK630+170 處拱頂下沉達(dá)30 mm,變形速率有增大趨勢;至28日下午,樁號DK630+166,DK630+170 處靠內(nèi)側(cè)拱腰、拱頂位置初期支護(hù)表面出現(xiàn)開裂,局部段落噴射混凝土脫落,此時(shí)DK630+166拱頂最大沉降達(dá)到163 mm。地表隧道套拱上方的強(qiáng)風(fēng)化石英片巖被擠壓破碎,個(gè)別石塊被擠出滑落,仰坡坡面出現(xiàn)滑塌,洞頂產(chǎn)生1條與隧道軸線斜交長約30 m,寬約100 mm的裂縫。
基于突變理論,對依托工程隧道洞口淺埋段的軟弱圍巖開展失穩(wěn)分析。突變理論由法國數(shù)學(xué)家R.Thom 教授于1972 年提出,是非線性理論的1個(gè)分支[16]。采用該理論進(jìn)行分析的基本步驟如下。
(1)根據(jù)工程地質(zhì)概況,建立圍巖簡化力學(xué)模型。
(2)構(gòu)造系統(tǒng)總勢能函數(shù)V(x),并對隧道上覆圍巖的狀態(tài)變量x求一階導(dǎo)數(shù),得到的圍巖平衡曲面方程V'(x)如圖1 所示[5]。圖中:AA'和BB'為2 種不同路徑;b1和b2為路徑AA'的分叉集;O1為分叉集原點(diǎn)。
圖1 尖點(diǎn)突變模型
(3)計(jì)算平衡曲面方程尖點(diǎn)位移x*,并對平衡曲面方程V'(x)在尖點(diǎn)位移處進(jìn)行Taylor 級數(shù)展開,通過變量代換,將V'(x)轉(zhuǎn)化為尖點(diǎn)突變模型平衡方程的標(biāo)準(zhǔn)形式V'(x)=x3+px+q,式中p,q 均為與若干因素有關(guān)的系統(tǒng)控制變量,V'(x)=0表示系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。
(4)確定分叉集方程Δ=4p3+27q2,式中Δ為判別分叉集方程狀態(tài)的變量。以跨越分叉集(即Δ=0)為判別準(zhǔn)則,得到系統(tǒng)發(fā)生失穩(wěn)的必要條件,為預(yù)防安全事故提供參考依據(jù)。以圖1 為例,若系統(tǒng)沿著路徑AA'方向運(yùn)動(dòng),會(huì)跨越分叉集,系統(tǒng)將從初始平衡狀態(tài)突變到另外1 個(gè)平衡狀態(tài),即點(diǎn)A 突變到點(diǎn)A';而沿著路徑BB'方向運(yùn)動(dòng),未跨越分叉集,系統(tǒng)則維持在原有平衡狀態(tài)。
假設(shè)隧道洞口淺埋段開挖時(shí),在上覆巖體自重Mg 的作用下,隧道2 側(cè)出現(xiàn)滑移面并與鉛垂線形成夾角θ。結(jié)合突變理論分析步驟,根據(jù)該隧道所處的地質(zhì)環(huán)境,在文獻(xiàn)[17—18]的基礎(chǔ)上構(gòu)建圍巖簡化力學(xué)模型如圖2 所示。圖中:u 為巖體沿滑動(dòng)面的位移;h為剪切帶平均厚度;H1,H2分別為地層1和地層2的厚度。
圖2 隧道洞口淺埋段圍巖簡化力學(xué)模型
為簡化分析,假設(shè)隧道上覆地層1 和地層2 主要由應(yīng)變軟化介質(zhì)組成。對于應(yīng)變軟化介質(zhì),有學(xué)者[4,17,19]曾采用負(fù)指數(shù)模型來描述其剪應(yīng)力-剪切變形本構(gòu)關(guān)系。為不失一般性,且體現(xiàn)出不同應(yīng)變軟化介質(zhì)之間不同特性,本文采用更為通用的Weibull 分布函數(shù)[5,13,20],假定地層1 和地層2 的剪應(yīng)力-剪切變形本構(gòu)關(guān)系為
式中:τ1,τ2分別為地層1 和地層2 在滑移面上的剪切力;G1,G2和u1,u2分別為相應(yīng)的剪切模量和剪切力峰值所對應(yīng)的剪切位移;m1,m2表示地層1、地層2的脆性指標(biāo)。
m1和m2越大,應(yīng)變軟化性質(zhì)越明顯[5];當(dāng)m1=m2=1 時(shí),Weibull 分布退化為負(fù)指數(shù)模型,如圖3所示。圖中:曲線1和曲線2分別表示地層1和地層2的負(fù)指數(shù)模型剪應(yīng)力-剪切變形本構(gòu)關(guān)系;τmax1,τmax2分別為地層1和地層2在滑移面上的剪切力峰值。
圖3 負(fù)指數(shù)模型本構(gòu)關(guān)系曲線
在水的溶解、軟化和侵蝕等作用下,巖體的力學(xué)強(qiáng)度不斷降低,導(dǎo)致圍巖穩(wěn)定性大大下降。為了反應(yīng)水的這種弱化效應(yīng),根據(jù)相關(guān)研究成果[20-21],引入水致弱化函數(shù)f(w)為
式中:w為巖土體的含水率;kR為巖土體的飽和軟化系數(shù)。
干燥情況下(w=0時(shí)),f (w)=1;飽和情況下(w=1 時(shí)),f (w)=kR<1;天然狀態(tài)下(0<w <1 時(shí)),f (w)是單調(diào)遞減函數(shù)。將水致弱化函數(shù)f (w)引入式(1)中,得到地層1 和地層2 在水影響下的本構(gòu)關(guān)系為
式中:f1(w1)和f2(w2)分別為地層1和地層2天然狀態(tài)下的水致弱化系數(shù)。
在建立隧道洞口淺埋段軟弱圍巖系統(tǒng)的總勢能函數(shù)之前,作4個(gè)基本假設(shè)如下:
(1)上覆地層發(fā)生的是整體滑移;
(2)上覆地層沿滑動(dòng)面的位移連續(xù)變化;
(3)研究過程為準(zhǔn)靜態(tài)過程,不考慮圍巖的系統(tǒng)動(dòng)能;
(4)圍巖突變失穩(wěn)時(shí),曲面平衡方程尖點(diǎn)處的剪切位移u*大于u1和u2,即隧道上覆地層已發(fā)生剪切破壞。
基于上述力學(xué)模型和假設(shè),基于總勢能原理,得到隧道洞口淺埋段軟弱圍巖的總勢能函數(shù)V為
將u 作為狀態(tài)變量,對式(4)求一階導(dǎo)數(shù),并令其等于0,得到系統(tǒng)平衡曲面方程為[12]
根據(jù)平衡曲面的光滑特性(見圖1),對式(4)求三次導(dǎo)數(shù),并令其等于0,得到平衡曲面方程V'尖點(diǎn)處剪切位移u*所滿足的方程為
對平衡曲面方程式(5)相對于u=u*處進(jìn)行Taylor 級數(shù)展開,截取至u 的三次項(xiàng)同時(shí)將式(7)代入,可以得到
按尖點(diǎn)突變模型的平衡方程ax3+bx+c=0,對式(8)作等量代換,得
式中:a,b和c分別表示尖點(diǎn)突變模型的平衡方程系數(shù)。
至此,得到隧道洞口淺埋段圍巖失穩(wěn)破壞的尖點(diǎn)突變模型標(biāo)準(zhǔn)形式及其系數(shù)p 和q 的具體計(jì)算方法。
由突變理論可知,軟弱圍巖系統(tǒng)發(fā)生失穩(wěn)的充分條件是,滿足分叉集方程Δ=4p3+27q2,即Δ=0。只有p≤0 時(shí),圍巖才能跨越分叉集方程,由平衡狀態(tài)突跳至非平衡狀態(tài),因此軟弱圍巖系統(tǒng)發(fā)生失穩(wěn)的必要條件是p≤0。由于求解參數(shù)c的難度較大,求解分叉集方程等于0 的計(jì)算難度較大,以施工安全和方便應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn),工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)以p≤0作為是否發(fā)生突變失穩(wěn)的力學(xué)判別依據(jù)[13],得到軟弱圍巖系統(tǒng)失穩(wěn)的力學(xué)判據(jù)表達(dá)式為
由式(10)可知,隧道上覆地層的應(yīng)變軟化程度、剛度比及含水率情況對隧道圍巖系統(tǒng)的突變失穩(wěn)起控制作用。當(dāng)m1=m2=1,即隧道上覆巖土體應(yīng)變軟化介質(zhì)剪應(yīng)力-剪切變形本構(gòu)關(guān)系采用負(fù)指數(shù)模型描述時(shí),式(10)可簡化為
由式(11)可知,如果研究對象為某一待開挖隧道,則式中k,β 均為常量,故隧道發(fā)生失穩(wěn)破壞主要取決于水致弱化系數(shù)比f。由此進(jìn)一步推論可知:①雨季施工時(shí),施工單位應(yīng)做好防排水措施,防止雨水滲入,降低雨水對巖土體的弱化效應(yīng),提高隧道上覆巖土體的穩(wěn)定性;②針對穩(wěn)定性極差的地層,在隧道開挖前,可采取地表預(yù)注漿或超前小導(dǎo)管等措施對隧道上覆巖土體進(jìn)行預(yù)先改良,改變巖土體剛度比k 的大小,使得分叉集方程Δ>0成立,以預(yù)防隧道坍塌事故的發(fā)生。
根據(jù)推導(dǎo)出的圍巖失穩(wěn)力學(xué)判據(jù),工程應(yīng)用時(shí)可按如下步驟預(yù)測及預(yù)防圍巖失穩(wěn)。
步驟1:根據(jù)工程地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)資料,確定隧道上覆各地層厚度H。
步驟2:開展剪切試驗(yàn),確定地層應(yīng)變軟化性質(zhì),獲得各地層脆性指標(biāo)m、剪切模量G、剪切力峰值對應(yīng)剪切位移u。
步驟3:開展室內(nèi)強(qiáng)度劣化試驗(yàn),確定各地層強(qiáng)度隨含水率變化曲線,得到各地層水致弱化函數(shù)f (w)以及天然狀態(tài)下的水致弱化系數(shù)。
步驟4:根據(jù)式(7)計(jì)算得到尖點(diǎn)剪切位移u*。
步驟5:將上述相應(yīng)參數(shù)代入式(11)判定圍巖系統(tǒng)狀態(tài),若式(11)成立,則圍巖失穩(wěn);否則圍巖則保持穩(wěn)定。
對于深埋隧道,利用拱頂下沉位移監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性預(yù)測,就能夠較好地反應(yīng)圍巖變形特征[17]。然而對于淺埋隧道,因其軟弱圍巖失穩(wěn)破壞通常具有突發(fā)性、歷時(shí)短等特征,影響范圍內(nèi)的測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)往往不易獲取,仍利用拱頂下沉位移監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行突變失穩(wěn)分析就會(huì)有很大不足。文獻(xiàn)[22]指出,地表沉降變化曲線和拱頂下沉位移變化曲線具有良好的一致性,并且地表沉降數(shù)據(jù)的獲取不受隧道掌子面推進(jìn)影響,同時(shí)地表測點(diǎn)布設(shè)方便,監(jiān)測數(shù)據(jù)易于獲取。此外,對于隧道洞口淺埋段,圍巖一旦失穩(wěn)往往會(huì)波及至地表,地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)往往能夠客觀反映開挖后圍巖的變形動(dòng)態(tài)。因此,利用地表沉降位移S進(jìn)行隧道圍巖突變失穩(wěn)分析是可行的,可以考慮將地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)和尖點(diǎn)突變模型進(jìn)行融合,建立隧道圍巖穩(wěn)定性預(yù)測模型,導(dǎo)出圍巖穩(wěn)定性判別式,預(yù)測圍巖穩(wěn)定性。
假設(shè)地表沉降位移S隨著時(shí)間t變化的函數(shù)為
式中:t為地表沉降的累計(jì)監(jiān)測天數(shù),d。
將式(12)在t=1處進(jìn)行泰勒級數(shù)展開,得到
式中:F(n)(1)為t=1 處的n 階導(dǎo)數(shù),F(xiàn)(i)(1)為其中的i階導(dǎo)數(shù);Rn(t)為余項(xiàng)。
截取至前5項(xiàng),并且合并同冪次項(xiàng)[12],得到
此時(shí)bi與ai有如下對應(yīng)關(guān)系
對式(15)按尖點(diǎn)突變模型形式變換得到
其中,
顯然,對式(17)相對于x 求一次導(dǎo)數(shù)便可得到用標(biāo)準(zhǔn)形式表示的尖點(diǎn)突變模型平衡方程。因此,將式(17)作為隧道軟弱圍巖穩(wěn)定性預(yù)測模型,得到可作為隧道軟弱圍巖穩(wěn)定性判別式的分叉集方程[12]為
實(shí)際工程應(yīng)用時(shí),可根據(jù)現(xiàn)場地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)來建立隧道圍巖穩(wěn)定性預(yù)測模型,利用建立的圍巖穩(wěn)定性判別式即式(18)來判別圍巖的穩(wěn)定性。
針對該隧道圍巖失穩(wěn)狀況,選取隧道進(jìn)口段DK630+166,DK630+168,DK630+170,DK630+172和DK630+180等5處典型斷面進(jìn)行突變失穩(wěn)分析。5 處典型斷面持續(xù)監(jiān)測時(shí)間段為2017 年5月21日—2017 年5 月30 日。由于28 日下午,DK630+166,DK630+170等樁號開始發(fā)生圍巖失穩(wěn),為驗(yàn)證圍巖穩(wěn)定性判別式的有效性,選取出現(xiàn)明顯失穩(wěn)征兆之前的21—27 日共7 d 監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果,對上述各監(jiān)測斷面的地表沉降位移數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合,各斷面擬合結(jié)果如圖4 所示,圖中y 軸正向?yàn)榈乇硐鲁练较颉5玫礁鞅O(jiān)測斷面地表沉降與累計(jì)觀測時(shí)間的函數(shù)表達(dá)式見式(19)。
圖4 地表沉降-累計(jì)監(jiān)測時(shí)間關(guān)系曲線
式中:下角標(biāo)為擬合函數(shù)對應(yīng)的監(jiān)測斷面。
對所有擬合函數(shù)進(jìn)行Taylor 級數(shù)展開并截取至前5 項(xiàng),并利用式(14)—式(17)計(jì)算各斷面地表沉降函數(shù)中a0,a1,a2,a3,a4,b0,b1,b2,b4,p,q和Δ的取值,結(jié)果見表1。
結(jié)合表1,利用分叉集方程判別各監(jiān)測斷面圍巖穩(wěn)定性,對比判別結(jié)果和實(shí)際施工現(xiàn)場的圍巖情況見表2。
表1 各監(jiān)測斷面參數(shù)計(jì)算結(jié)果
由表2 可知,突變失穩(wěn)分析結(jié)果與實(shí)際施工現(xiàn)場圍巖情況一致,除監(jiān)測斷面DK630+180 的Δ 取值大于0,不發(fā)生圍巖失穩(wěn)外,其余各監(jiān)測斷面的Δ 取值均小于0,即均會(huì)發(fā)生圍巖失穩(wěn)。分析其原因主要是:隨著掌子面的推進(jìn),隧道洞口段埋深較淺,上覆松散軟弱巖土體剛度較小難以形成相對穩(wěn)定的自然拱,加之外界施工擾動(dòng)及環(huán)境因素(暴雨或持續(xù)性降雨)等影響,圍巖發(fā)生失穩(wěn)破壞,并且波及至地表,因此表現(xiàn)出明顯的隧道內(nèi)側(cè)拱腰、拱頂初期支護(hù)表面開裂,噴射混凝土脫落,洞頂?shù)乇砹芽p,進(jìn)洞口仰坡滑塌等現(xiàn)象;監(jiān)測斷面DK630+166,DK630+168,DK630+170 和DK630+172 均距離掌子面較近,因此出現(xiàn)明顯的圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象,斷面DK630+180 離掌子面較遠(yuǎn),圍巖相對較穩(wěn)定。
表2 各監(jiān)測斷面失穩(wěn)判別結(jié)果與現(xiàn)場圍巖情況對比
為了驗(yàn)證圍巖失穩(wěn)力學(xué)判據(jù)的有效性,參照2.3節(jié)步驟分析隧道圍巖系統(tǒng)穩(wěn)定性。由于DK630+166,DK630+168,DK630+170 和DK630+172 這4 處監(jiān)測斷面均發(fā)生了圍巖失穩(wěn),且各斷面間距較小,限于篇幅本文僅以斷面DK630+166 為例展開分析,相應(yīng)分析參數(shù)及結(jié)果見表3。由表3 可知,計(jì)算得到圍巖失穩(wěn)控制變量p 小于零,意味著該隧道洞口淺埋段未采取預(yù)防控制措施前,圍巖會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞,這與現(xiàn)場實(shí)際情況一致。
表3 斷面DK630+166計(jì)算參數(shù)及結(jié)果
在實(shí)際工程中,為避免變形失穩(wěn)進(jìn)一步增大,施工單位對掌子面進(jìn)行了封閉和反壓回填,并采用防水彩條布對洞頂裂縫進(jìn)行覆蓋,防止雨水灌入,降低雨水對巖土體的弱化效應(yīng);同時(shí)采用系統(tǒng)注漿小導(dǎo)管進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng),提高了隧道上覆巖土體剛度,保證了隧道順利貫通。
綜上分析可知,將突變理論應(yīng)用于隧道洞口淺埋段軟弱圍巖失穩(wěn)分析中是合理可行的。因此,實(shí)際施工中,一方面可以利用圍巖穩(wěn)定性判別式對地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析,動(dòng)態(tài)預(yù)測圍巖穩(wěn)定性;另外一方面,基于圍巖失穩(wěn)力學(xué)判據(jù)可以采取相應(yīng)安全控制措施,以預(yù)防圍巖失穩(wěn)災(zāi)害的發(fā)生。
(1)基于突變理論,建立了采用Weibull 分布函數(shù)描述上覆巖土體剪應(yīng)力-剪切變形本構(gòu)關(guān)系的隧道洞口淺埋段軟弱圍巖失穩(wěn)的尖點(diǎn)突變模型,推導(dǎo)得到圍巖失穩(wěn)力學(xué)判據(jù),表明隧道洞口淺埋段圍巖失穩(wěn)與巖土體的應(yīng)變軟化程度、剛度比及含水率相關(guān)。
(2)將地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)和尖點(diǎn)突變模型進(jìn)行有效融合,建立了隧道圍巖穩(wěn)定性預(yù)測模型,推導(dǎo)得到圍巖穩(wěn)定性判別式,可直接利用地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)來判別圍巖穩(wěn)定性。
(3)依托鄭萬高鐵湖北段ZWZQ-10 標(biāo)段某隧道工程,選取出現(xiàn)明顯失穩(wěn)征兆之前的7 d 監(jiān)測數(shù)據(jù)代入到隧道圍巖失穩(wěn)力學(xué)判據(jù)和穩(wěn)定性判別式中進(jìn)行分析,結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際圍巖情況一致,表明本文方法可為預(yù)測隧道洞口淺埋段軟弱圍巖失穩(wěn)及進(jìn)一步認(rèn)識(shí)其失穩(wěn)破壞機(jī)制提供一定參考。