哈爾濱地鐵粉質(zhì)黏土地層隧道臺階開挖法圍巖穩(wěn)定性評價

全 強，郭文靜，史培賀

(1.哈爾濱地鐵集團有限公司，哈爾濱 150080；2.山東大學 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，濟南 250061)

隧道掘進中，掌子面和超前圍巖的變形對隧道圍巖的穩(wěn)定性有著重要影響，因此保證掌子面及圍巖的穩(wěn)定性對施工安全來說至關(guān)重要。根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告，哈爾濱地鐵工程主要為粉質(zhì)黏土地層且采用臺階法開挖。依托該工程，基于超前小導管的支護機理，通過建立掌子面穩(wěn)定性模型，研究其破裂機制，進行掌子面穩(wěn)定性分析與評價，通過分析隧道圍巖彈塑性分布，研究二次應力狀態(tài)，對隧道洞身穩(wěn)定性進行評估。

1 開挖掌子面穩(wěn)定性評價

哈爾濱地鐵隧道采用臺階法開挖，該工程的支護形式為超前注漿小導管支護、初期支護及二次襯砌相結(jié)合。但對于隧道掌子面土質(zhì)較差、超前小導管參數(shù)不合理或支護措施不及時等情況，超前小導管對隧道圍巖的支護作用將會大大減小，極易導致坍塌事故，所以必須根據(jù)具體工程情況進行掌子面穩(wěn)定性分析。

1.1 超前小導管支護作用機理

自身加固機理：錨桿作用。將超前小導管打入隧道拱頂一定范圍內(nèi)，提高圍巖的承載能力。漿液通道作用。小導管管體鉆孔后形成通道，有利于漿液擴散，從而提高土體承載力。棚架作用。開挖初期未支護時，超前小導管對土體的支撐作用有利于掌子面的穩(wěn)定。

注漿加固機理：漿液對土體的擠密壓縮有利于提高圍巖穩(wěn)定性，注漿后土體的內(nèi)摩擦角、黏聚力得以增大，抗剪能力提高。

1.2 超前小導管支護作用理論模型

綜合分析超前小導管的受力狀態(tài)及位移變形情況，建立如圖1所示的超前小導管雙參數(shù)有限長彈性地基梁受力模型。

圖1 導管受力模型Fig.1 Pipe stress model

對小導管進行受力分析，可得導管的彎矩剪力Q(x)、彎矩M(x)、轉(zhuǎn)角θ(x)及導管內(nèi)壁縱向應變ε(x)：

其中，D為導管外徑，δ為導管壁厚。

1.3 超前小導管作用下掌子面穩(wěn)定性定量評價

1.3.1 掌子面穩(wěn)定性評價模型

基于超前小導管的支護作用，根據(jù)掌子面前方土體的破裂機制，提出一種掌子面穩(wěn)定性計算模型，該模型適用于粉質(zhì)黏土臺階法隧道開挖過程中掌子面的穩(wěn)定性分析，如圖2所示。

圖2 掌子面穩(wěn)定性計算模型Fig.2 Calculation model of tunnel face stability

1.3.2 掌子面穩(wěn)定性定量評價

基于掌子面穩(wěn)定性計算模型，對滑移體進行極限平衡分析，可得各級圍巖在有無支護情況下的穩(wěn)定性系數(shù)，見表1。

表1 掌子面穩(wěn)定性系數(shù)Tab.1 Coefficient of tunnel face stability

參考《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50300-2013)[1]，結(jié)合表1可知，為保證掌子面穩(wěn)定性，在粉質(zhì)黏土地層中，對于V級圍巖，無須采用超前導管支護便可保證掌子面穩(wěn)定；對于Ⅵ1級圍巖，須采用超前導管支護，并依據(jù)工程具體情況決定是否注漿；對于Ⅵ2級圍巖，因其土質(zhì)較差，超前小導管支護無法保證掌子面穩(wěn)定，須采用深孔注漿加固技術(shù)或施加超前管棚支護。

2 隧道洞身穩(wěn)定性評價

2.1 圍巖彈塑性分布二次應力狀態(tài)

假設(shè)圍巖為彈塑性體，支護結(jié)構(gòu)為線彈性體，忽略計算介質(zhì)的自重。基于平面應變模型并采用虛擬支撐力逐步釋放法[2]模擬隧道開挖過程中支護結(jié)構(gòu)施作時機、圍巖應力釋放過程等影響，將隧道開挖過程分為初始階段、開挖階段、支護階段，見圖3。

圖3 開挖支護不同階段平面應變計算模型Fig.3 Plane strain calculation model of different stages of excavation and support

通過土工試驗獲得粉質(zhì)黏土的壓縮模量，換算為彈性模量[3]?；谝陨嫌嬎隳Ｐ蛯鷰r彈塑性應力狀態(tài)進行分析，可得：

隧道開挖前地層的初始位移場：

塑性區(qū)圍巖的位移：

彈性區(qū)圍巖的位移：

隧道開挖后圍巖的收斂位移：

U=Ue+Up-U0

2.2 收斂約束法關(guān)鍵曲線

2.2.1 圍巖收斂特征曲線

選取支護抗力大于最小支護力且圍巖變形滿足規(guī)范要求的支護時機，將所選擇的不同支護時機施作初襯所得的支護壓力P1代替虛擬支撐力，可得圍巖收斂特征曲線，見圖4。

圖4 圍巖特征曲線及支護特征曲線Fig.4 Surrounding rock characteristic curve and supporting characteristic curve

對松動區(qū)內(nèi)滑移體進行極限平衡分析，即可得作用在支護結(jié)構(gòu)上的最小支護力和最大安全塑性區(qū)范圍。

2.2.2 洞身縱向變形曲線

在格柵拱架與噴射混凝土共同支護下，支護結(jié)構(gòu)的剛度隨時間增長不斷增大，因此圍巖的應力釋放率必將逐漸減小并趨近于某一值。圍巖以變形的方式完成應力釋放過程，故應力釋放率與收斂變形必存在相應的關(guān)系，采用擬合工具分析可得施加支護結(jié)構(gòu)后的洞身縱向變形曲線，見圖5。

圖5 洞身縱向變形曲線Fig.5 Longitudinal deformation curve of the hole body

將現(xiàn)場拱頂沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)和理論計算值進行對比分析，計算值相比于實測值其標準誤差均小于1.5，相關(guān)系數(shù)接近1。表明計算結(jié)果能夠很好地反映支護施作后拱頂沉降的大小及規(guī)律。

2.2.3 支護特征曲線

基于支護結(jié)構(gòu)參數(shù)，考慮鋼格柵單獨支護和格柵與噴混凝土聯(lián)合支護[4]下的作用效果，可得到各亞級圍巖的支護特征曲線，如圖6～圖8。

圖6 V級圍巖下支護特征曲線Fig.6 Support characteristic curve under V class surrounding rock

圖7 Ⅵ1級圍巖下支護特征曲線Fig.7 Support characteristic curve under Ⅵ1 class surrounding rock

圖8 Ⅵ2級圍巖下支護特征曲線Fig.8 Support characteristic curve under Ⅵ2 class surrounding rock

由圖可知，對于V級圍巖，支護結(jié)構(gòu)所提供的最大支護反力大于支護與地層特征曲線的平衡點應力，且圍巖變形滿足規(guī)范要求；對于Ⅵ1、Ⅵ2級圍巖，施加支護結(jié)構(gòu)前，圍巖已經(jīng)產(chǎn)生較大的位移，即使支護力滿足要求，也須采用超前支護，提前支護時機。

2.3 容許位移安全系數(shù)

為保證圍巖變形在合理范圍內(nèi)，通過分析不同亞級粉質(zhì)黏土的洞身收斂變化，得到洞身收斂容許位移安全系數(shù)[5]，見表2。

表2 洞身收斂容許位移安全系數(shù)Tab.2 Allowable displacement safety factor of hole convergence

由表2可知，在上述開挖支護措施下，V級粉質(zhì)黏土的容許位移安全系數(shù)為2.91，滿足施工要求；Ⅵ1級粉質(zhì)黏土的容許位移安全系數(shù)為1.40，支護結(jié)構(gòu)剛度也滿足要求，因此建議采用超前小導管支護；對于Ⅵ2級粉質(zhì)黏土，支護結(jié)構(gòu)的剛度已滿足要求，但在掌子面開挖前，圍巖已經(jīng)產(chǎn)生過大的收斂變形，故須在開挖前進行超前加固，以保證施工安全。

3 結(jié)論與展望

3.1 研究結(jié)論

根據(jù)超前小導管支護作用機理，對哈爾濱地鐵粉質(zhì)黏土隧道臺階法工程開展了圍巖穩(wěn)定性研究，建立了超前小導管雙參數(shù)彈性地基梁的力學計算模型，提出了適用于粉質(zhì)黏土地層臺階法隧道開挖的掌子面穩(wěn)定性分析模型，并對掌子面進行穩(wěn)定性評估。結(jié)果表明：對于V級圍巖，無須采用超前導管支護便可保證掌子面穩(wěn)定；對于Ⅵ1級圍巖，須采用超前導管支護，并依據(jù)工程具體情況決定是否注漿；對于Ⅵ2級圍巖，因其土質(zhì)較差，超前小導管支護無法保證掌子面穩(wěn)定，須采用深孔注漿加固技術(shù)或施加超前管棚支護。分析了圍巖的彈塑性分布二次應力狀態(tài)，并根據(jù)收斂約束法得到圍巖收斂特征曲線、洞身縱向變形曲線和支護特征曲線，基于容許位移安全系數(shù)，對隧道洞身的穩(wěn)定性進行了評估。結(jié)果表明，支護結(jié)構(gòu)的承載力滿足施工安全要求，但Ⅵ1、Ⅵ2級粉質(zhì)黏土隧道應借助超前支護，以保證圍巖穩(wěn)定性。

3.2 展望

以下方面有待進一步開展：通過土壓力計算經(jīng)驗公式開展掌子面穩(wěn)定性分析，下一步應根據(jù)試驗及計算得到精確土壓力值。通過理論模型和數(shù)值計算，分析了隧道掌子面前方土體的破裂模式，今后應結(jié)合模型試驗來驗證土體的破裂形態(tài)。主要考慮超前小導管的縱向“棚架”作用，暫未分析其橫向成拱作用，今后應在該方面展開研究，以完善超前小導管的支護理論。