富水千枚巖隧道圍巖變形特征及基準(zhǔn)

閆鑫雨

(中交第二航務(wù)工程局有限公司； 交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心， 武漢 430040)

在隧道建設(shè)過程中，千枚巖由于其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)和環(huán)境敏感性，通常將其歸類為軟弱巖體。目前，許多學(xué)者和工程師對(duì)千枚巖隧道的工程地質(zhì)特性和圍巖變形控制進(jìn)行了研究，取得了豐富的研究成果。郭小龍等依托成蘭鐵路茂縣隧道對(duì)破碎千枚巖高地應(yīng)力擠壓大變形情況下初期支護(hù)形式和二襯施作時(shí)機(jī)進(jìn)行了研究[1]。鐘宇健等對(duì)大跨徑淺埋偏壓千枚巖隧道變形規(guī)律進(jìn)行了分析，研究了支護(hù)變形的不利位置，通過數(shù)值模擬對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化[2]。汪波等對(duì)破碎千枚巖隧道三臺(tái)階法圍巖開挖位移安全控制基準(zhǔn)進(jìn)行了研究，比較了埋深、施工工法等不同控制因素對(duì)變形的影響[3]。楊曉華等對(duì)深埋千枚巖隧道支護(hù)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)受力與變形的影響進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，同時(shí)利用FLAC3D軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了不同支護(hù)參數(shù)條件下圍巖拱頂沉降和周邊位移變化[4]。陳桂虎等對(duì)成蘭鐵路云屯堡隧道千枚巖變形量大及變形時(shí)間長(zhǎng)等特征進(jìn)行了調(diào)研，并分析了導(dǎo)致大變形產(chǎn)生的地質(zhì)成因[5]。夏潤(rùn)禾等針對(duì)新建蘭渝鐵路兩水隧道軟巖大變形導(dǎo)致襯砌開裂原因進(jìn)行了分析，進(jìn)而提出了雙層初支和雙層襯砌等加固支護(hù)措施，取得了較好的變形控制效果[6]。趙建軍等針對(duì)邊坡巖體強(qiáng)度劣化，指出了千枚巖遇水耦合劣化是巖體損傷破裂的主要原因[7]。

眾多研究結(jié)果表明，千枚巖隧道施工過程中圍巖變形機(jī)理、隧道開挖時(shí)空效應(yīng)及支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系極為復(fù)雜。本文以九綿(九寨溝-綿陽)高速公路五里坡隧道千枚巖地層為研究對(duì)象，對(duì)三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法的適用性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，總結(jié)了千枚巖開挖過程中圍巖變形規(guī)律。

1 工程概況

九綿(九寨溝-綿陽)高速公路五里坡隧道位于四川省平武縣構(gòu)造剝蝕中山地貌區(qū)，處于龍門山構(gòu)造帶與摩天嶺構(gòu)造帶交界處。隧道全長(zhǎng)4 666 m，雙向兩車道。隧道洞身涉及地層主要為上古生界三疊系下統(tǒng)羅讓溝組絹云千枚巖、灰?guī)r和變質(zhì)砂巖，圍巖級(jí)別主要為V級(jí)。受場(chǎng)區(qū)斷層破碎帶及層間剪切破碎帶影響，破碎千枚巖地層富水性較強(qiáng)，極易發(fā)生軟化大變形。五里坡隧道地質(zhì)構(gòu)造如圖1所示。

圖1 隧道地質(zhì)縱向剖面示意圖

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

本文選取3DEC軟件來進(jìn)行模擬計(jì)算分析，不考慮天然巖土體在自然沉積過程中的塑性破壞。初始地應(yīng)力場(chǎng)生成后，進(jìn)行開挖方法對(duì)圍巖變形影響的模擬計(jì)算。五里坡隧道開挖斷面尺寸為11.06 m×8.65 m(寬×高)，依據(jù)隧道的設(shè)計(jì)斷面建立三維計(jì)算模型，模型長(zhǎng)度為60 m，寬度為50 m，高度為65 m，對(duì)其賦予對(duì)應(yīng)的巖土體參數(shù)，模型的邊界條件為四周和底部施加法向約束。巖土體采用摩爾庫侖彈塑性本構(gòu)模型。隧道采用雙層初期支護(hù)，內(nèi)層采用I18@50，外層I20@50進(jìn)行支護(hù)。支護(hù)厚度分別為20 cm(內(nèi))和28 cm(外)。

整體計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

2.2 模型參數(shù)設(shè)定

隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)由室內(nèi)土工試驗(yàn)確定，見表1、表2。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

表2 錨管(桿)支護(hù)力學(xué)參數(shù)

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

富水千枚巖隧道通常拱頂沉降遠(yuǎn)大于周邊位移，因此設(shè)定兩種工況主要分析開挖方法對(duì)圍巖垂直位移變化的影響：①三臺(tái)階法；②三臺(tái)階+臨時(shí)仰拱法。

采用三臺(tái)階法和增加臨時(shí)仰拱千枚巖隧道開挖過程垂直位移云圖如圖3、圖4所示。

圖3 三臺(tái)階法開挖情況下垂直位移

圖4 三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法開挖情況下垂直位移

從隧道開挖支護(hù)完成后的垂直位移云圖可以看出，采用三臺(tái)階法開挖，隧道拱頂沉降最大約17.53 cm，采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法開挖，隧道拱頂沉降最大約11.31 cm，累計(jì)沉降量相比未施作臨時(shí)仰拱，減少了約35%，可見在地質(zhì)較差的情況下，使用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法可對(duì)圍巖下沉起到一定減緩作用。

3 隧道圍巖變形特征

3.1 圍巖變形分析

在五里坡隧道淺埋段(埋深<60 m)，滲水段的圍巖普遍表現(xiàn)出沉降大、變形快、難控制、易崩塌等特點(diǎn)，對(duì)三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法開挖情況下隧道圍巖變形特征進(jìn)行分析，進(jìn)而采取針對(duì)性措施，是保障隧道施工順利與否的關(guān)鍵問題。針對(duì)富水千枚巖隧道圍巖變形規(guī)律，大量工程實(shí)踐和研究結(jié)果表明[8-13]，軟弱圍巖隧道開挖位移除受埋深和圍巖工程地質(zhì)特性之外，也與開挖工法的時(shí)空效應(yīng)密切相關(guān)。

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)圍巖變形情況，選取部分典型斷面，對(duì)拱頂累計(jì)沉降縱向分布規(guī)律、拱頂水平收斂縱向分布規(guī)律、各測(cè)點(diǎn)拱頂沉降變形時(shí)程曲線、周邊收斂變形時(shí)程曲線分別進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

典型斷面ZK146+028、ZK146+048累計(jì)變形及變形速率如圖5～圖8所示。

圖5 累計(jì)變形時(shí)程曲線

圖6 圍巖開挖變形速率

可以看出，ZK146+028斷面圍巖拱頂累計(jì)沉降較大，變形速率快(達(dá)60 mm/d)，圍巖變形受臺(tái)階開挖影響較大，中臺(tái)階開挖導(dǎo)致的拱頂變形占比達(dá)60%。

由圖7、圖8可知，其變形時(shí)程曲線特征表現(xiàn)為：在ZK146+048斷面中，拱頂沉降主要發(fā)生在中臺(tái)階開挖完成后，仰拱封閉前。在下臺(tái)階開挖之前的累計(jì)變形占比超過80%。

對(duì)已完成里程段12個(gè)典型斷面進(jìn)行全過程監(jiān)控量測(cè)，其圍巖開挖變形統(tǒng)計(jì)如圖9所示。

圖7 累計(jì)變形時(shí)程曲線

圖8 圍巖開挖變形速率

從以上數(shù)據(jù)可以看出，圍巖開挖主要變形在中臺(tái)階開挖后，下臺(tái)階開挖前，中臺(tái)階開挖-下臺(tái)階開挖前的變形占比超過總變形占比的57%，其主要原因是拱腳懸空時(shí)間長(zhǎng)，鎖腳鎖不住拱架，導(dǎo)致圍巖整體下沉。而且變形最大的斷面與仰拱封閉成環(huán)速率成正比，在滲水段表現(xiàn)更為突出。

3.2 變形控制基準(zhǔn)分析

根據(jù)前期圍巖變形分布規(guī)律及各施工階段圍巖變形占比，提出施工過程中采取分步變形量控制的方法，總結(jié)得到各施工階段圍巖變形分級(jí)控制標(biāo)準(zhǔn)及各施工階段圍巖變形控制應(yīng)對(duì)措施。若正常施工無法達(dá)到對(duì)應(yīng)控制值時(shí)，還應(yīng)采取相應(yīng)的加強(qiáng)控制技術(shù)措施，從而實(shí)現(xiàn)“主動(dòng)控制”圍巖變形。

基于五里坡隧道圍巖變形情況，制定千枚巖隧道位移安全控制基準(zhǔn)，見表3。

需要指出的是，該位移控制標(biāo)準(zhǔn)并不具有普適性，其主要適用于埋深在60 m以內(nèi)，以自重應(yīng)力場(chǎng)為主，拱頂沉降在圍巖位移中占主控因素，施工工法為三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法，圍巖為V級(jí)的絹云千枚巖隧道。

4 結(jié)論

1)在富水千枚巖地層，使用三臺(tái)階法開挖，應(yīng)采取主動(dòng)加強(qiáng)支護(hù)理念，提高支護(hù)強(qiáng)度，增加臨時(shí)仰拱，可對(duì)減緩圍巖變形起到控制作用。

2)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)表明，在千枚巖地層，圍巖變形可能持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。中臺(tái)階開挖-下臺(tái)階開挖前的變形占比超過總變形的57%，實(shí)際施工中應(yīng)加快各階段施工速度，及時(shí)將仰拱封閉成環(huán)，同時(shí)做好超前注漿措施。

3)結(jié)合依托工程現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，建立了三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法為基礎(chǔ)的位移安全控制基準(zhǔn)，并以此為依據(jù)，提出了相應(yīng)的圍巖變形控制措施。

由于考慮了模型簡(jiǎn)化，計(jì)算過程中部分荷載參數(shù)可能與實(shí)際有所差異，結(jié)果僅作為參考，實(shí)際變形以現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)為主。

圖9 不同臺(tái)階開挖階段沉降占比

表3 千枚巖地層位移安全控制基準(zhǔn)