康海波, 熊維林, 趙剛應(yīng), 萬(wàn)志強(qiáng)
(1.四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司公路隧道分公司, 成都 610200; 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 成都 610031; 3.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 成都 610031)
目前,中外眾多學(xué)者針對(duì)隧道如何安全通過(guò)斷層段的問(wèn)題開(kāi)展了諸多研究,通過(guò)理論分析、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬以及模型試驗(yàn)等方法,來(lái)研究含斷層隧道,在施工開(kāi)挖時(shí)圍巖擾動(dòng)及穩(wěn)定性影響方面的問(wèn)題,并且探討了斷層的發(fā)育規(guī)律[3]。Anastasopoulos等[4]利用有限元模型,研究?jī)蓚€(gè)希臘高速公路隧道通過(guò)大構(gòu)造斷層時(shí),隧道圍巖變形以及施工力學(xué)的問(wèn)題。也有學(xué)者通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了隧道穿過(guò)斷層和軟弱面時(shí)對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響,認(rèn)為當(dāng)隧道處于逆沖斷層上盤(pán)時(shí)相比位于下盤(pán)更易變形破壞,并揭示了隧道洞周?chē)鷰r沿著軟弱面會(huì)發(fā)生剪切變形,并且隧道穿過(guò)斷層和軟弱面時(shí),隧道洞周收斂位移相比正常圍巖部分有顯著增加的規(guī)律[5-6]。理論方面,宋瑞剛等[7]依據(jù)總勢(shì)能原理,建立含斷層隧道圍巖失穩(wěn)尖點(diǎn)突變模型,從而推導(dǎo)出,隧道穿過(guò)斷層破碎帶時(shí),圍巖失穩(wěn)的力學(xué)判據(jù)條件。也有學(xué)者基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)對(duì)足量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析得出:隧道在高地應(yīng)力軟巖地帶穿過(guò)斷層破碎帶時(shí),隧道圍巖應(yīng)力具有明顯的偏壓現(xiàn)象,支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及圍巖變形具有不對(duì)稱(chēng)性,提出可通過(guò)提高初支鋼筋剛度,優(yōu)化斷面設(shè)計(jì)以及非對(duì)稱(chēng)布置支護(hù)結(jié)構(gòu)等措施,有效地減小支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和圍巖變形量[8]。李文華等[9]、張優(yōu)利等[10]、唐曉杰等[11]通過(guò)數(shù)值模擬,對(duì)比分析斷層與隧道相對(duì)位置不同以及斷層傾角不同時(shí),研究不同開(kāi)挖工法穿過(guò)斷層時(shí),對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響,指出大跨地鐵隧道穿越斷層變形控制的關(guān)鍵部位是圍巖與斷層相交的拱頂和拱腰處。
而近年來(lái)隧道穿越煤層時(shí)圍巖的穩(wěn)定性及對(duì)圍巖的擾動(dòng)問(wèn)題也得到了相當(dāng)?shù)年P(guān)注。學(xué)者們依托實(shí)際工程,采用數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合的手段,研究公路隧道穿過(guò)采空區(qū),揭穿煤層以及穿越遺留煤柱時(shí),隧道圍巖受力與變形規(guī)律以及洞周?chē)鷰r塑性區(qū)的分布特點(diǎn),分析了淺埋穿煤隧道拱頂下沉及周邊收斂監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)淺埋穿煤隧道圍巖變形規(guī)律進(jìn)行了總結(jié),研究結(jié)論促進(jìn)了隧道穿越不良地質(zhì)的圍巖穩(wěn)定性的發(fā)展[12-13]。Proctor等[14]對(duì)實(shí)際工程中遇到的塞拉瑪?shù)吕讛鄬訋нM(jìn)行了研究;后來(lái)Süleyman[15]研究了Tuzla隧道在施工掘進(jìn)過(guò)程中穿越斷層破碎帶時(shí)適宜的開(kāi)挖工法。
綜上所述,針對(duì)隧道穿越斷層和煤層的地質(zhì)情況前人已經(jīng)做了大量研究,并且研究結(jié)果極大地推動(dòng)了隧道穿越不良地質(zhì)時(shí)隧道穩(wěn)定性的發(fā)展。但是對(duì)于斷層和煤層交叉同時(shí)出現(xiàn)的情況卻鮮有提及,因此當(dāng)二者同時(shí)存在時(shí),隧道施工圍巖變形規(guī)律及安全性是一個(gè)有待研究的問(wèn)題。基于此,現(xiàn)以公路隧道寶鼎2號(hào)隧道為工程背景,采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法,首先建立三維開(kāi)挖模型得出計(jì)算結(jié)果,然后將數(shù)值計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,對(duì)隧道拱頂、拱腰、仰拱的變形規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)分析研究,以期指導(dǎo)控制隧道圍巖的穩(wěn)定性,為隧道施工以及運(yùn)營(yíng)安全提供參考。
寶鼎2號(hào)隧道地處四川省攀枝花市仁和區(qū),是攀枝花到大理高速公路上的控制性工程,全長(zhǎng)8 775 m,最大埋深約647 m,設(shè)計(jì)為雙向分離式隧道。全線煤層眾多,同時(shí)構(gòu)造復(fù)雜,巖體破碎,穿過(guò)各種大小斷層,圖1所示為隧道縱斷面圖。以隧道右線K19+680~K19+840段為研究對(duì)象,該范圍內(nèi)隧道穿越F9大斷層及前后兩個(gè)1號(hào)煤層。隧道在研究范圍段采用全斷面法開(kāi)挖,并采用復(fù)合式襯砌支護(hù)。初支采用24 cm的C20噴射混凝土和間距0.6 m的I18工字鋼鋼架,二襯采用50 cm的C30鋼筋混凝土。
圖1 寶鼎2號(hào)隧道縱段面圖Fig.1 Baoding 2 tunnel longitudinal section surface
依據(jù)隧道研究范圍段的現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況,采用有限差分軟件FLAC3D建立縱向長(zhǎng)160 m、寬80 m、高80 m的三維計(jì)算模型,共450 400個(gè)單元,454 664個(gè)節(jié)點(diǎn),具體模擬數(shù)值模型如圖2所示。地質(zhì)模型中含前后兩個(gè)1號(hào)煤層及F9斷層,前1號(hào)煤層與隧道相交,寬度為1 m,傾角為59°,后1號(hào)煤層位于隧道上方,寬度為1 m,傾角為34°;F9斷層穿過(guò)隧道寬度為2 m,傾角為70°。
圖2 模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of the model
計(jì)算選用莫爾庫(kù)侖本構(gòu)模型,數(shù)值模擬范圍段隧道主要穿過(guò)前1號(hào)煤層下部的中分化的礫巖和粉砂質(zhì)泥巖。隧道圍巖以及斷層的計(jì)算力學(xué)參數(shù)通過(guò)該隧道現(xiàn)場(chǎng)土工試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比獲得。初支選用shell單元模擬,工字鋼拱架等效到噴射混凝土中,二次襯砌采用實(shí)體單元模擬,最終確定的計(jì)算參數(shù)如表1所示。
表1 模型計(jì)算參數(shù)Table 1 Model calculation parameters
模型兩側(cè)施加水平位移約束,底部固定上表面采用S-B法施加力的約束來(lái)模擬上覆土層[16]。采用null命令實(shí)現(xiàn)隧道的上下臺(tái)階開(kāi)挖法,隧道一次開(kāi)挖進(jìn)尺為3 m,初支落后掌子面1個(gè)開(kāi)挖進(jìn)尺施作,初支一次施作長(zhǎng)度為3 m;二襯滯后掌子面12個(gè)開(kāi)挖進(jìn)尺,一次施作12 m。
“哎喲,我們區(qū)又走了一個(gè)。北京好哇……北京好哇……你以前那個(gè)同學(xué),那個(gè)誰(shuí),李之恒,也去了北京,有出息啊。”
2.4.1 拱頂沉降
數(shù)值計(jì)算隧道開(kāi)挖完成后的拱頂沉降量如圖3所示,由圖3可知:隨著隧道的開(kāi)挖,在0~11 m段,隧道拱頂與前1號(hào)煤層的垂直間距相差較大,拱頂沉降位移值基本不變;而當(dāng)開(kāi)挖到11~13 m段,此時(shí)前1號(hào)煤層位于拱頂上方,隧道拱頂?shù)角?號(hào)煤層的垂直間距逐漸減小,拱頂沉降受前1號(hào)煤層的影響逐漸增加,位移值緩慢增大;隧道縱向長(zhǎng)度13~17 m段,隧道開(kāi)挖掌子面到前1號(hào)煤層的垂直間距很小或已經(jīng)與煤層相交,拱頂收斂位移產(chǎn)生驟變,量值達(dá)12.21 mm,隨后位移量在急劇增大后又迅速降低;17~19 m段,隨著隧道掌子面的推進(jìn),拱頂與前1號(hào)煤層的垂直間距緩慢增大,拱頂受前1號(hào)煤層的影響逐漸減弱,拱頂沉降位移值也緩慢減??;在19~72 m段,拱頂?shù)角?號(hào)煤層的垂直間距較遠(yuǎn),隨著隧道的開(kāi)挖,拱頂沉降位移值基本不受前1號(hào)煤層的影響,72~74 m段,此時(shí)拱頂?shù)綌鄬拥拇怪遍g距逐漸變小,拱頂位移量受斷層的影響進(jìn)一步增加,拱頂沉降位移量也緩慢增加;隧道開(kāi)挖長(zhǎng)度達(dá)到74~80 m時(shí),斷層與隧道拱頂?shù)木嚯x相距很小或隧道拱頂圍巖已和斷層相交,拱頂沉降位移產(chǎn)生驟變,量值最大達(dá)14.9 mm,穿越斷層后位移量在急劇增長(zhǎng)后又快速降低;隧道縱向長(zhǎng)度80~82 m段,隨著拱頂與斷層的垂直間隔逐漸增加,拱頂?shù)某两滴灰浦稻徛郎p?。凰淼揽v向長(zhǎng)度82~146 m段,隧道開(kāi)挖掌子面離斷層的垂直間距較大,拱頂?shù)某两滴灰浦凳軘鄬佑绊懨黠@減弱,拱頂沉降值基本不變;在146~148 m段,拱頂沉降位移值再次緩慢增大,拱頂沉降位移值受到后1號(hào)煤層的影響,隧道拱頂與后1號(hào)煤層的垂直間隔逐漸減??;在隧道開(kāi)挖至148~152 m時(shí),拱頂沉降位移值先快速增大后又迅速減小,隧道拱頂圍巖與后1號(hào)煤層相交;沉降最大突變到12.34 mm。152~154 m間,拱頂?shù)胶?號(hào)煤層的垂直間隔逐漸增大,拱頂?shù)某两滴灰浦稻徛冃。?54~160 m間,拱頂與后1號(hào)煤層的垂直間隔較大,拱頂?shù)某两滴灰苹静皇芎?號(hào)煤層的影響,拱頂處位移值最終逐漸穩(wěn)定。分析突變區(qū)域的變化規(guī)律,當(dāng)隧道穿過(guò)煤層與斷層時(shí),拱頂沉降位移值突變區(qū)域皆大于煤層和斷層與隧道拱頂相交區(qū)域,超過(guò)范圍在2~3 m。
圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)拱頂沉降值Fig.3 Settlement value of the vault at the monitoring point
2.4.2 拱腰水平收斂
圖4為拱腰處的水平收斂位移變化規(guī)律:隧道開(kāi)挖完畢后,左右拱腰位置發(fā)生向隧道內(nèi)部收斂的水平位移。左拱腰與右拱腰位移值對(duì)稱(chēng),且左拱腰向洞內(nèi)收斂位移值為負(fù),右拱腰向洞內(nèi)收斂位移值為正。
圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)拱腰水平位移值Fig.4 Horizontal displacement value of arch waist at monitoring point
在前1號(hào)煤層及斷層段區(qū)域內(nèi)左右拱腰的水平位移值都發(fā)生突變,由于后1號(hào)煤層位于隧道上方,部分于隧道拱頂相交,對(duì)隧道拱腰變形基本無(wú)影響,所以在后1號(hào)煤層區(qū)域,拱腰位移值不發(fā)生突變,后1號(hào)煤層段拱腰收斂值3.91 mm。前1號(hào)煤層與隧道拱腰相交處水平最大位移值為8.64 mm,斷層段與拱腰相交處水平最大位移為9.34 mm,都比正常段隧道拱腰收斂值大,正常段圍巖拱腰收斂位移為3.88 mm。
2.4.3 仰拱隆起
圖5為仰拱位置隆起位移值的變化規(guī)律,由圖5可以看出:在模型縱向長(zhǎng)度0~18 m,隧道仰拱與前1號(hào)煤層的垂直間距相差較大,隨著隧道的開(kāi)挖,仰拱的隆起位移量基本保持不變;18~20 m段,隨著仰拱到前1號(hào)煤層的垂直間距逐漸減小,隧道仰拱處圍巖位移受前一號(hào)煤層的影響逐漸增大,仰拱隆起位移值緩慢增長(zhǎng);在隧道縱向長(zhǎng)度20~24 m段,前1號(hào)煤層與隧道仰拱的垂直間距很小或隧道仰拱已經(jīng)與煤層相交,仰拱隆起位移值發(fā)生驟變,最大隆起值為12.44 mm,表現(xiàn)為先急劇增大后又迅速減??;在24~26 m段,隨著掌子面的向前推進(jìn),仰拱到前1號(hào)煤層的垂直間距持續(xù)增大,仰拱位移受前1號(hào)煤層的影響逐漸減小,仰拱向上收斂位移量緩慢減小;26~76 m段,此時(shí)隧道仰拱到前1號(hào)煤層的垂直間距較大,隨著隧道的開(kāi)挖,仰拱隆起位移值基本維持穩(wěn)定,當(dāng)隧道開(kāi)挖至76~78 m段,斷層與仰拱之間的垂直間距變小,仰拱的隆起位移量也緩慢增加;隧道縱向長(zhǎng)度78~84 m段,斷層與隧道仰拱的垂直間距很小或隧道仰拱已經(jīng)與段相交,仰拱隆起位移值再次發(fā)生驟變,隆起量值達(dá)14.11 mm。隨后又迅速減??;84~86 m段,仰拱隆起量隨著仰拱與斷層垂直間距的增大而緩慢減小;在86~160 m段,隧道離斷層帶的垂直間距較大,仰拱處隆起位移量基本不受斷層的影響,仰拱的隆起位移量不再變化。在后1號(hào)煤層范圍內(nèi),仰拱隆起幾乎不受影響,量值和正常圍巖段幾乎相同僅為6.91 mm。同拱頂變化規(guī)律,仰拱的隆起位移突變區(qū)域大于煤層和斷層與仰拱的接觸區(qū)域,超過(guò)的范圍也在2~3 m。數(shù)據(jù)顯示,穿過(guò)煤層以及斷層時(shí),仰拱隆起值均較正常圍巖段仰拱隆起量大。
圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)仰拱隆起值Fig.5 Elevation arch uplift values at monitoring points
2.4.4 塑性區(qū)分析
隧道穿過(guò)斷層和煤層時(shí)塑性區(qū)分布如圖6所示。從圖6可知:當(dāng)隧洞穿過(guò)前1號(hào)煤層時(shí),在拱頂,拱腰及仰拱處均發(fā)生剪切破壞塑性區(qū),前1號(hào)煤層位于拱頂時(shí),剪切破壞塑性區(qū)垂直厚度達(dá)到3 m;前1號(hào)煤層位于拱腰時(shí),剪切破壞塑性區(qū)垂直厚度達(dá)到4 m;前1號(hào)煤層位于仰拱時(shí),剪切破壞塑性區(qū)垂直厚度達(dá)到2 m。由于后1號(hào)煤層位于隧道上部,所以當(dāng)隧道經(jīng)過(guò)后1號(hào)煤層時(shí),剪切破壞塑性區(qū)主要出現(xiàn)在拱頂處,對(duì)拱腰及仰拱的影響很小,范圍為0.5 m。
圖6 隧道穿過(guò)圍巖不同位置塑性區(qū)分布Fig.6 Distribution of plastic zone in different locations of the tunnel through the surrounding rock
隧道穿過(guò)斷層時(shí),由于斷層巖體破碎,隧道周邊圍巖在開(kāi)挖擾動(dòng)后易破壞,所以在隧道周邊,剪切破壞塑性區(qū)范圍最大,可達(dá)12 m;隧道穿過(guò)正常圍巖時(shí),隧道周邊塑性區(qū)為張拉破壞,無(wú)剪切破壞。所以,斷層和煤層的存在,對(duì)接近斷層和煤層周?chē)亩粗芗羟衅茐乃苄詤^(qū)產(chǎn)生很大的影響,但是對(duì)遠(yuǎn)離斷層和煤層的正常圍巖幾乎沒(méi)有影響。
為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的合理性,并進(jìn)一步分析隧道穿越兩類(lèi)不良地質(zhì)時(shí)圍巖的變形規(guī)律。采取在K19+680~K19+840地段的斷層、煤層以及正常段圍巖處設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面,在拱頂、拱腰處設(shè)置變形檢測(cè)點(diǎn)和測(cè)線,每日均記錄一次數(shù)據(jù),直至隧洞開(kāi)挖完畢與圍巖形變量穩(wěn)定為止。
隧道不同位置的監(jiān)測(cè)斷面拱頂下沉?xí)r程曲線如圖7所示。隨著隧道的推進(jìn),不同位置監(jiān)測(cè)斷面拱頂下沉曲線呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)-緩慢增長(zhǎng)-趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。位于斷層處的監(jiān)測(cè)斷面最終拱頂下沉量最大,其值為16.73 mm;位于正常圍巖段的拱頂最終下沉量最小,其值為8.54 mm;監(jiān)測(cè)斷面位于前1號(hào)煤層時(shí)最后拱頂下沉量為13.22 mm,監(jiān)測(cè)斷面位于后1號(hào)煤層時(shí)最后拱頂下沉量為13.84 mm。按最終拱頂沉降值由大到小排序,分別為位于斷層、后1號(hào)煤層、前1號(hào)煤層、正常圍巖處的監(jiān)測(cè)斷面。
圖7 不同監(jiān)測(cè)斷面拱頂沉降時(shí)程曲線Fig.7 Time course of settlement of vault at different monitoring sections
為驗(yàn)證隧道拱頂位移數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性,提取圖7中的監(jiān)測(cè)斷面拱頂最終沉降實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬值進(jìn)行分析得表2。
表2 拱頂沉降實(shí)測(cè)值與模擬計(jì)算值對(duì)照Table 2 Comparison between measured and simulated values of vault settlement
由表2可知,隧道拱頂位移模擬計(jì)算值和實(shí)測(cè)值,最大差值僅為1.83 mm,在容許誤差范圍之內(nèi),數(shù)值結(jié)果和量測(cè)結(jié)果都表明,在斷層和煤層處,拱頂沉降均比正常段圍巖拱頂沉降大,且斷層處拱頂沉降最為突出。
隧道不同位置的監(jiān)測(cè)斷面拱腰收斂時(shí)程曲線如圖8所示。隨著掌子面的推進(jìn),隧道拱腰處水平位移收斂變形規(guī)律與拱頂沉降變形規(guī)律相同。當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面位于斷層處,最終拱腰收斂值最大,其值為10.39 mm;其次為前1號(hào)煤層,其值為9.62 mm;后1號(hào)煤層處,最后拱腰收斂值為3.61 mm,正常圍巖處,最后拱腰收斂值為3.43 mm,后1號(hào)煤層和正常圍巖最終拱腰收斂值相差不大,主要原因時(shí)后1號(hào)煤層位于隧道上方,拱腰處為正常圍巖,故對(duì)拱腰收斂變形影響很小。
圖8 不同監(jiān)測(cè)斷面拱腰收斂時(shí)程曲線Fig.8 Time curve of arch waist convergence at different monitoring sections
為驗(yàn)證隧道拱腰收斂數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性,提取圖8中不同監(jiān)測(cè)斷面拱腰最終收斂實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬計(jì)算值分析得表3。
表3 拱腰收斂實(shí)測(cè)值與模擬計(jì)算值對(duì)照Table 3 Comparison between measured and simulated values of arch waist convergence
由表3可知,隧道拱腰收斂模擬計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果,最大差值為1.05 mm,最小差值僅為0.30 mm,在容許誤差范圍之內(nèi);數(shù)值結(jié)果和量測(cè)結(jié)果都表明,在斷層處隧道拱腰收斂值最大,其次是前1號(hào)煤層段,后1號(hào)煤層拱腰收斂位移與普通圍巖段接近。
通過(guò)對(duì)拱頂下沉、拱腰收斂現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與數(shù)值模擬結(jié)果比較,發(fā)現(xiàn)最終位移值與數(shù)值模擬結(jié)果吻合度較高。根據(jù)模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),建議穿越斷層段和煤層段隧道時(shí),嚴(yán)格控制一次開(kāi)挖進(jìn)尺長(zhǎng)度,避免超挖,及時(shí)支護(hù),初支強(qiáng)度要嚴(yán)格控制,同時(shí)建議在斷層段和煤層段強(qiáng)化支護(hù),以確保施工安全。
以寶鼎2號(hào)特長(zhǎng)公路隧道為依托,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬,研究隧道穿越斷層以及斷層的圍巖變形規(guī)律,結(jié)論如下。
(1)隧道穿過(guò)煤層、斷層及正常圍巖段時(shí),沉降以及隆起皆呈現(xiàn)“V”型變化規(guī)律,且隧道穿越斷層時(shí),隧道收斂位移最大,煤層次之,正常圍巖則最小。所以在施工開(kāi)挖時(shí),隧道穿越斷層及煤層圍巖需及時(shí)支護(hù),防止圍巖產(chǎn)生過(guò)大的變形影響施工安全及施工進(jìn)度。
(2)隧道穿越煤層及斷層時(shí),圍巖收斂位移都會(huì)發(fā)生突變,且圍巖收斂位移的突變范圍大于煤層及斷層與隧道的接觸范圍。
(3)煤層處在不同位置時(shí),對(duì)隧道圍巖不同部位變形影響不同。前1號(hào)煤層與隧道軸線相交,隧道穿越前1號(hào)煤層時(shí),煤層對(duì)隧道拱頂,拱腰,仰拱的位移都會(huì)產(chǎn)生影響;后1號(hào)煤層位于隧道的頂部,當(dāng)隧道穿過(guò)后1號(hào)煤層時(shí),后1號(hào)煤層只對(duì)隧道的拱頂變形產(chǎn)生較大影響,拱腰及仰拱所受后1號(hào)煤層的影響很小。