鐵路凝灰?guī)r隧道掌子面穩(wěn)定性控制技術(shù)研究

岳康 YUE Kang

（中鐵十七局集團(tuán)第二工程有限公司，西安710038）

0 引言

隨著鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，逐漸向偏遠(yuǎn)地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)延伸，遇到的復(fù)雜地質(zhì)情況越來越多，因此施工中由不良地質(zhì)引起的工程難題也越來越多。在隧道施工中經(jīng)常遇到凝灰?guī)r地質(zhì)，凝灰?guī)r是軟巖之一，凝灰?guī)r的工程性質(zhì)與軟巖的工程性質(zhì)相似[1]。掌子面開挖揭示節(jié)理裂隙發(fā)育，遇水膨脹變形量大，揭露后容易風(fēng)化崩解[2]，隧道開挖后，掌子面前后圍巖變形嚴(yán)重，容易出現(xiàn)拱架侵限，拱頂及掌子面溜塌等影響安全和質(zhì)量的問題[3][4]。因此有必要研究凝灰?guī)r隧道掌子面，圍巖變形機(jī)理及發(fā)展演化規(guī)律，并采取有針對性的支護(hù)技術(shù)與方法控制掌子面溜塌。

1 工程概況

新建大理至臨滄鐵路白石頭隧道位于臨滄市云縣境內(nèi)，隧道全長9375m，為單線鐵路隧道，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。隧道DK157+650～DK159+120段，埋深150～220m，主要為三疊系中統(tǒng)忙壞組凝灰?guī)r，呈灰、深灰，測區(qū)內(nèi)一般分布于印支花崗巖邊緣地帶，與其侵入接觸，與古生界瀾滄群絹云片巖夾炭質(zhì)片巖等呈斷層接觸或不整合接觸，混合多種巖性，節(jié)理裂隙極其發(fā)育。在施工經(jīng)常發(fā)生掌子面溜塌，圖1所示為凝灰?guī)r掌子面失穩(wěn)溜塌情況。在施工過程中對凝灰?guī)r隧道掌子面進(jìn)行數(shù)值模擬分析，改善隧道支護(hù)方案，有效控制了凝灰?guī)r隧道掌子面穩(wěn)定。

圖1 掌子面溜塌

2 凝灰?guī)r圍巖受力分析及支護(hù)方案

2.1 凝灰?guī)r隧道掌子面受力分析

本次對凝灰?guī)r隧道掌子面數(shù)值模擬分析應(yīng)用FLAC3D有限差分析軟件，對隧道掌子面及拱部取微單元見圖2。

圖2 圍巖不同位置取單元體

位于隧道掌子面及拱頂巖體破壞莫爾圓[5][6]見圖3。拱部巖體最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力，掌子面巖體最大主應(yīng)力為垂直應(yīng)力，由于隧道開挖的卸壓作用，拱頂巖體垂直應(yīng)力增大，即σ1增大，縱向應(yīng)力σ3減小，從而導(dǎo)致掌子面巖體垂直應(yīng)力σ1減小，縱向應(yīng)力σ3增大。由于莫爾圓變大，圍巖剪切應(yīng)力增大，圍巖塑性區(qū)范圍增大，導(dǎo)致隧道在開挖和支護(hù)過程中產(chǎn)生大變形。

圖3 隧道頂板圍巖莫爾圓變化

2.2 斜向系統(tǒng)錨桿控制溜塌

受隧道開挖循環(huán)擾動，隧道巖體應(yīng)力擠壓塑形區(qū)域內(nèi)圍巖，以及凝灰?guī)r吸水膨脹作用的影響，圍巖松動圈向巖體深部延伸擴(kuò)展，破裂區(qū)巖體范圍擴(kuò)大使得圍巖與初期支護(hù)之間無法形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)。支護(hù)的作用是將支護(hù)單元與圍巖形成穩(wěn)定的耦合體[7][8]，從而控制圍巖的彈塑性變形、碎脹變形和凝灰?guī)r的吸水膨脹變形。

由于凝灰?guī)r揭露易風(fēng)化崩解，遇水軟化后強(qiáng)度迅速降低，所以系統(tǒng)錨桿施作對凝灰?guī)r隧道掌子面穩(wěn)定起重要作用，設(shè)計(jì)系統(tǒng)錨桿為垂直徑向打設(shè)，在施工過程中由于凝灰?guī)r的特性，開挖時(shí)掌子面易溜塌，通過試驗(yàn)將掌子面周邊范圍系統(tǒng)錨桿采用傾斜一定角度打設(shè)，如圖4所示。對系統(tǒng)錨桿嚴(yán)格進(jìn)行注漿，將拱部圍巖固定到斜上方穩(wěn)定的圍巖上，發(fā)揮圍巖的自承載能力，同時(shí)有效的解決了鋼拱架掛網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)與圍巖的耦合性，系統(tǒng)錨桿增加初支與凝灰?guī)r圍巖的整體性，控制掌子面穩(wěn)定。可以改善系統(tǒng)錨桿對圍巖的加固性能，有效控制了掌子面穩(wěn)定性。

圖4 掌子面范圍斜向系統(tǒng)錨桿示意圖

2.3 降低上臺階高度控制溜塌

原設(shè)計(jì)采用臺階法施工，上臺階高為4m左右，開挖后掌子面經(jīng)常發(fā)生溜塌的情況，針對以上特點(diǎn)，改為三臺階微臺階預(yù)留核心土開挖工法，降低上臺階高度，減小上臺階臨空面以控制溜塌發(fā)生。上臺階高度控制在2.8m，長度控制在3～5m，圍巖過分軟弱地段可留少量核心土，中、下臺階高度控制在2.5m左右，長度3～5m，通過實(shí)踐此工法可有效控制掌子面溜塌，并為仰拱、二襯緊跟提供了條件。另外各工序開始前人員、材料、設(shè)備必須到作業(yè)面附近準(zhǔn)備，做到工序零銜接、負(fù)交接[9][10][11]。工法示意詳見圖5～圖6。

圖5 微臺階留核心土施工示意圖

圖6 微臺階留核心土現(xiàn)場施工圖

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值計(jì)算模型

通過在有限元分析軟件劃分網(wǎng)格，最終導(dǎo)入拉格朗日差分程序FLAC3D中生成模型，模型尺寸為XYZ=80m×50m×60m，共35000個(gè)單元格，36771個(gè)節(jié)點(diǎn)。如圖7所示。

圖7 數(shù)值模型

隧道斷面為四心圓，模擬隧道埋深取210m，邊界取至5倍洞徑處，約束x、y方向邊界水平位移，z方向下邊界豎向位移，上邊界為自由面，并施加1.18MPa壓應(yīng)力。隧道開挖初支采用shell單元模擬，系統(tǒng)錨桿打設(shè)分垂直和傾斜20°打設(shè)兩種工況，模型共計(jì)算5000step，圖8為邊界條件示意圖。

圖8 邊界條示意圖

3.2 模擬參數(shù)確定

根據(jù)隧道軟弱凝灰?guī)r段落的巖體采樣土工實(shí)驗(yàn)，得出凝灰?guī)r巖體參數(shù)見表1，掌子面穩(wěn)定措施為超前錨桿和鋼拱架掛網(wǎng)噴混凝土等效力學(xué)參數(shù)見表2～表3。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

表2 初支力學(xué)參數(shù)

表3 錨桿力學(xué)參數(shù)

3.3 掌子面穩(wěn)定性分析

通過對計(jì)算后模型進(jìn)行切片處理，可得到掌子面施作超前錨桿和鋼拱架掛網(wǎng)噴射混凝土初支狀態(tài)下，系統(tǒng)錨桿垂直打設(shè)和傾斜20°打設(shè)兩種情況的模型。如圖9。

圖9 支護(hù)條件對比模型

在兩種情況下，根據(jù)模擬計(jì)算分析，得到相應(yīng)的塑性破壞區(qū)域如圖10和應(yīng)力如圖11所示。可知在垂直打設(shè)系統(tǒng)錨桿時(shí)掌子面塑性區(qū)深度2m，而傾斜20°打設(shè)系統(tǒng)錨桿時(shí)，掌子面塑性區(qū)深度1m。通過應(yīng)力圖對比可知，相對于垂直打設(shè)系統(tǒng)錨桿，傾斜20°打設(shè)系統(tǒng)錨桿掌子面斜上方錨固區(qū)范圍內(nèi)垂直應(yīng)力szz顯著減小，由0.76MPa減小到0.53MPa，說明傾斜打設(shè)系統(tǒng)錨桿支護(hù)條件下，支護(hù)抗力更有效的減小了掌子面斜上方圍巖塑性壓力[12]，對掌子面上方圍巖有更好的支護(hù)效果。而掌子面縱向應(yīng)力syy增大，由1.09MPa增加到1.41MPa，相當(dāng)于增加了掌子面的約束力，說明傾斜系統(tǒng)錨桿打設(shè)有效改善掌子面圍巖應(yīng)力狀態(tài)，對控制掌子面圍巖溜塌起到了一定作用。

圖10 掌子面圍巖縱向塑性破壞對比圖

圖11 徑向應(yīng)力szz變化對比圖

4 結(jié)論

本文以大臨鐵路白石頭隧道為依托，對凝灰?guī)r隧道軟弱破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育段落，預(yù)防掌子面溜塌進(jìn)行了研究。采用FLAC3D分析軟件將系統(tǒng)錨桿傾斜一定角度情況下打設(shè)，隧道掌子面區(qū)域圍巖應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行力學(xué)分析并進(jìn)行數(shù)值模擬。通過實(shí)踐相互驗(yàn)證，結(jié)合施工工法調(diào)整，有效的控制了軟弱破碎凝灰?guī)r段落掌子面溜塌。得出以下結(jié)論：

圖12 縱向應(yīng)力syy變化對比圖

①對于軟弱凝灰?guī)r揭露易分化崩解，強(qiáng)度迅速降低，遇水易軟化的巖層特性，采取傾斜20°打設(shè)系統(tǒng)錨桿可有效增強(qiáng)初支結(jié)構(gòu)和圍巖的耦合性，有效改善掌子面圍巖應(yīng)力狀態(tài)，提高了圍巖開挖后的穩(wěn)定性并減小變形收斂。②嚴(yán)格控制臺階開挖長度和高度，減少上臺階臨空面，保持掌子面穩(wěn)定，有效的降低了掌子面拱頂溜塌的幾率。③在各個(gè)工序的施工中加入時(shí)間要素，通過對工序時(shí)間的控制，做到了復(fù)雜地質(zhì)條件下的快挖、快支、快成環(huán)。