深埋千枚巖隧道群變形規(guī)律及預(yù)留變形量分析

王恩波,昝文博,,唐琨杰,周云鵬

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程學(xué)院,陜西 咸陽 712000;2.長安大學(xué)公路學(xué)院,陜西 西安 710064;3.陜西交通控股集團(tuán)有限公司安嵐管理處,陜西 西安 710000)

近年來,隨著我國西部地區(qū)交通建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展,在公路、鐵路網(wǎng)的規(guī)劃和建設(shè)中出現(xiàn)了大量的深埋軟巖隧道工程難題,其中以千枚巖為主的軟巖隧道大變形問題尤為突出[1-3]。千枚巖變形量通常在300 mm以上,變形速率最高可達(dá)100 mm/d,遠(yuǎn)大于相關(guān)規(guī)范規(guī)定的預(yù)留變形量[4];加之千枚巖遇水軟化后圍巖力學(xué)性質(zhì)迅速降低,致使隧道變形進(jìn)一步增大,極易誘發(fā)隧道初期支護(hù)變形侵限,從而不得不采取拆換鋼拱架等施工工序[5-7],不僅威脅隧道施工安全,而且造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此,明確千枚巖隧道變形規(guī)律及合理預(yù)留變形量標(biāo)準(zhǔn)對于保證隧道施工安全和節(jié)約工程費(fèi)用具有十分重要的意義。

國內(nèi)外眾多學(xué)者針對深埋千枚巖隧道受力與變形特征等方面開展了大量的研究工作,并取得了一定的研究成果。文獻(xiàn)[8-9]中采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的方法,從洞室變形、錨桿軸力和復(fù)合式襯砌接觸壓力以及結(jié)構(gòu)內(nèi)力等方面對7種不同的隧道施工工法進(jìn)行了系統(tǒng)全面的比較;文獻(xiàn)[10]中以成武高速2號隧道為工程背景,針對原設(shè)計(jì)在隧道施工中出現(xiàn)圍巖變形較大、初期支護(hù)開裂破壞等不利現(xiàn)象,提出了增加單層和雙層初支剛度的強(qiáng)支護(hù)方案,同時(shí)建立相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算模型對比分析了不同支護(hù)參數(shù)對千枚巖隧道結(jié)構(gòu)受力與變形的影響;文獻(xiàn)[11-12]中對成蘭鐵路茂縣隧道1號斜井初期支護(hù)變形進(jìn)行了為期3年的長期跟蹤監(jiān)測,基于一定保證率提出了二次襯砌施作時(shí)的變形速率標(biāo)準(zhǔn)和施作時(shí)機(jī)要求,并通過現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性;文獻(xiàn)[13]中采用室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了Ⅴ級破碎千枚巖隧道在不同埋深、施工工法及支護(hù)參數(shù)等條件下的變形破壞規(guī)律,并結(jié)合現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)建立了破碎千枚巖隧道施工期位移安全控制基準(zhǔn)。上述研究成果有力推動了千枚巖隧道設(shè)計(jì)與施工技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展,但已有隧道工程實(shí)踐表明:洞室周邊位移的產(chǎn)生除受施工工法和支護(hù)參數(shù)影響外,諸如千枚巖風(fēng)化程度、斷層破碎帶等因素對隧道變形的影響往往不可忽視,而這些因素與隧道變形的相關(guān)性、設(shè)置隧道預(yù)留變形量時(shí)應(yīng)如何考慮上述因素的影響有待進(jìn)一步研究。

鑒于此,以銀百高速公路安康至嵐皋段3座典型千枚巖隧道群為工程背景,針對隧道穿越不同風(fēng)化程度以及斷層破碎帶的千枚巖地層變形情況進(jìn)行系統(tǒng)的現(xiàn)場實(shí)測與統(tǒng)計(jì)分析,以期在上述因素對千枚巖隧道變形影響規(guī)律的基礎(chǔ)上,給出該類隧道預(yù)留變形量推薦指標(biāo)值,為類似工程設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 工程概況與測試方案

1.1 依托工程概況

銀百高速公路安康至嵐皋段全長47 km,位于秦巴山區(qū),大巴山主脊橫亙區(qū)內(nèi)南部,山勢自南向北傾斜,南部山區(qū)坡陡谷深、狹窄深邃,北部沿河兩側(cè)多為淺山丘陵。其中以千枚巖為代表的軟巖分布極為廣泛,集中在謝家坡隧道、中河隧道以及蹺溪河隧道內(nèi)(見圖1)。受區(qū)域南秦嶺造山帶的鎮(zhèn)旬—北大巴山滑脫逆沖推覆帶及次一級的逆沖推覆構(gòu)造的動力作用影響,千枚巖體呈現(xiàn)出散體破碎形態(tài)(見圖2)。

圖1 千枚巖隧道群地理位置Fig.1 Geographical location of phyllite tunnels

圖2 破碎千枚巖體Fig.2 Broken phyllite rock mass

隧道圍巖主要為志留系下統(tǒng)梅子埡組(S1m)千枚巖:鱗片變晶結(jié)構(gòu),千枚狀構(gòu)造,地層產(chǎn)狀72°～204°∠33°～67°,并且夾雜斷層破碎帶。按圍巖風(fēng)化程度可劃分為強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)化3個(gè)等級。強(qiáng)風(fēng)化千枚巖:淺灰色,節(jié)理裂隙極發(fā)育,多呈張開—微張,巖石被節(jié)理裂隙分割成碎石、碎塊狀。中風(fēng)化千枚巖:灰色,節(jié)理裂隙發(fā)育,淺部呈微張,深部多閉合,裂隙中有石英脈充填。微風(fēng)化千枚巖:灰色,巖質(zhì)新鮮,含少量黃鐵礦,節(jié)理裂隙較發(fā)育,多閉合,局部由石英脈充填。

1.2 現(xiàn)場測試方案

拱頂下沉和水平收斂測點(diǎn)均設(shè)置在同一斷面內(nèi),一般地段每10 m一個(gè)測試斷面,對于特殊不良地質(zhì)地段可適當(dāng)加密。拱頂下沉取A、B、C 3個(gè)測點(diǎn)的平均值,水平收斂取左邊墻測點(diǎn)D和右邊墻測點(diǎn)E向洞內(nèi)水平變形的相對值。監(jiān)控測點(diǎn)應(yīng)盡可能接近掌子面(≤2 m)且在下一循環(huán)開挖前記錄初讀數(shù)。拱頂下沉使用高精度水準(zhǔn)儀和專用高程測桿,周邊收斂采用數(shù)顯收斂儀,儀器精度為0.01 mm。詳細(xì)測線布置見圖3。

圖3 監(jiān)控測點(diǎn)布置Fig.3 Layout of tunnel measuring points

2 測試結(jié)果分析

2.1 隧道群全程變形終值分布

對隧址區(qū)3座以千枚巖為主的隧道群進(jìn)行了為期1年多的現(xiàn)場持續(xù)監(jiān)測,得到拱頂下沉和水平收斂的變形穩(wěn)定值分布如圖4所示。

由圖4可知:(1)謝家坡隧道在K15+600～K16+000段拱頂下沉較大,K15+625斷面下沉最大,30 d的觀測中累計(jì)沉降74 cm;K15+800～K16+600段水平收斂較大,K16+600斷面收斂最大,30 d的觀測中累計(jì)收斂61 cm;(2)中河隧道在K21+700～K22+300段拱頂下沉和水平收斂較大,最大值分別在K22+105和K23+300斷面,30 d的觀測中拱頂下沉和水平收斂累計(jì)值分別達(dá)到95.3 cm和90.1 cm;(3)蹺溪河隧道在K24+400～K24+725段拱頂下沉和水平收斂較大,最大值均在K24+450斷面,30 d的觀測中拱頂下沉和水平收斂累計(jì)值分別達(dá)到75.7 cm和66.1 cm。

圖4 千枚巖隧道群拱頂下沉和水平收斂全程終值分布Fig.4 Final values of deformation in whole course for tunnels crossing of phyllite rock mass

總體來說,千枚巖隧道圍巖變形整體較大且離散性高,謝家坡隧道拱頂下沉最大值為74 cm,平均值為40 cm,水平收斂最大值為61 cm,平均值為37.5 cm;中河隧道拱頂下沉最大值為95.3 cm,平均值為56.2 cm,水平收斂最大值為90.1 cm,平均值為52.2 cm;蹺溪河隧道拱頂下沉最大值為75.7 cm,平均值為41.4 cm,水平收斂最大值為66.1 cm,平均值為38 cm。分析千枚巖隧道拱頂沉降和水平收斂均較大的原因:(1)千枚巖巖質(zhì)較差、整體風(fēng)化程度較高,自身強(qiáng)度低且局部裂隙含水導(dǎo)致圍巖物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)一步降低。地勘報(bào)告揭示現(xiàn)場巖體原位直剪試驗(yàn)得到的千枚巖黏聚力僅15 kPa,隧道開挖后拱部巖體僅靠摩擦效應(yīng)和微弱的黏聚力作用難以形成穩(wěn)定的平衡拱,導(dǎo)致拱部松弛變形及荷載較大;(2)隧道采用臺階法預(yù)留核心土開挖過程中,初期支護(hù)拱腳約束不足且局部積水,加之千枚巖遇水軟化,拱腳地基承載力不足,進(jìn)一步加劇了支護(hù)系統(tǒng)的沉降變形。需要特別說明的是,由于水平收斂是隧道左、右側(cè)邊墻向洞內(nèi)變形的相對值,而拱頂下沉是隧道拱部測點(diǎn)沉降的絕對值,從而導(dǎo)致拱頂下沉與水平收斂的累計(jì)穩(wěn)定值基本相當(dāng)。

2.2 圍巖變形地質(zhì)分段分析

千枚巖隧道群在不同地質(zhì)段拱頂下沉和水平收斂變形的實(shí)測范圍與平均值見表1。由表1可知,拱頂下沉和水平收斂均隨樁號里程變化表現(xiàn)出較大的離散性,但總體變形依照圍巖風(fēng)化程度差異和斷層破碎帶的影響呈現(xiàn)出如下變化規(guī)律:

表1 不同地質(zhì)段拱頂下沉和周邊收斂實(shí)測結(jié)果Table 1 Vault crown subsidence and peripheral convergence in different geological sections

(1) K15+875～K16+260、K17+900～K18+100、K25+000～K25+500為微風(fēng)化千枚巖段,巖體節(jié)理裂隙稍發(fā)育,節(jié)理裂隙面多閉合或由石英細(xì)脈充填,受斷層影響,圍巖穩(wěn)定性較差。隧道拱頂下沉與水平收斂相差不大,變形平均值在25 cm左右。

(2) K15+220～K15+540、K17+400～K17+900、K20+300～K21+300、K22+300～K22+800、K23+720～K24+400和K25+500～K25+938為中風(fēng)化千枚巖段,巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育,圍巖自穩(wěn)能力差,拱頂下沉和水平收斂較為明顯,相比微風(fēng)化千枚巖段變形大,變形平均值在30 cm左右。

(3) K15+540～K15+760、K16+260～K17+400、K21+300～K21+800為強(qiáng)風(fēng)化千枚巖段,主要集中在隧道的進(jìn)出口,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎,圍巖穩(wěn)定性極差,變形平均值在40～45 cm;而K22+800～K23+300、K24+650～K25+000由于裂隙水含量較高,圍巖變形平均值達(dá)55 cm。

(4) K15+760～K15+875、K21+900～K22+300、K24+400～K24+650為斷層破碎帶,主要巖性為斷層角礫巖,巖體極破碎,結(jié)構(gòu)松散,炭質(zhì)含量較高,圍巖穩(wěn)定性極差,變形平均值在50～60 cm。

2.3 典型斷面變形時(shí)態(tài)曲線

選擇4個(gè)不同風(fēng)化程度的斷面進(jìn)行分析(見圖5),需要特別說明的是:由于隧道穿越斷層破碎帶時(shí)出現(xiàn)了嚴(yán)重的大變形現(xiàn)象,導(dǎo)致初支開裂、鋼拱架扭曲等工程災(zāi)害,從而不得不拆換鋼拱架,由此獲得了該斷面較長一段時(shí)間內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。K25+423斷面地處微風(fēng)化千枚巖段,實(shí)測拱頂下沉的累計(jì)變形值為22.2 cm,水平收斂的累計(jì)變形值為26.3 cm;K25+723斷面為中風(fēng)化千枚巖段,實(shí)測拱頂下沉的累計(jì)變形值為36.3 cm,水平收斂的累計(jì)變形值為39.3 cm;K24+750為強(qiáng)風(fēng)化千枚巖段,實(shí)測拱頂下沉的累計(jì)變形值為53.2 cm,水平收斂的累計(jì)變形值為44.1 cm;K24+500斷面為斷層破碎帶,實(shí)測拱頂下沉的累計(jì)變形值為73.2 cm,水平收斂的累計(jì)變形值為62.4 cm。

圖5 隧道典型斷面拱頂下沉、水平收斂及其速率變化曲線Fig.5 Vault crown subsidence,horizontal convergence and its rate change curve of typical tunnel section

因各斷面圍巖風(fēng)化程度、地下水以及構(gòu)造破碎帶情況不同,導(dǎo)致拱頂下沉和水平收斂隨時(shí)間的變化規(guī)律不一致。其中微風(fēng)化、中風(fēng)化千枚巖段隧道變形基本在30～35 d趨于穩(wěn)定,而強(qiáng)風(fēng)化千枚巖段隧道變形需要60 d左右才趨于穩(wěn)定,斷層破碎帶更是在施工完成120 d后拱頂沉降和水平收斂才出現(xiàn)逐漸穩(wěn)定的跡象,這主要是因?yàn)閿鄬悠扑閹巼鷰r自身強(qiáng)度極低,爆破開挖擾動破壞了圍巖的完整性及其強(qiáng)度指標(biāo),加上地下水的存在進(jìn)一步軟化圍巖,導(dǎo)致圍巖完全喪失自承能力,圍巖荷載不斷轉(zhuǎn)移至支護(hù)結(jié)構(gòu),支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和變形均不斷增大。

2.4 變形測試數(shù)據(jù)回歸分析

為探索千枚巖隧道變形規(guī)律并預(yù)測圍巖的最終變形量,采用指數(shù)函數(shù)對拱頂下沉和水平收斂進(jìn)行回歸分析[14-15],選取的回歸函數(shù)模型為

μ=A+B×exp(-t/C),

(1)

其中:μ為變形量(cm);t為時(shí)間(d)；A、B、C為擬合系數(shù)。隧道典型斷面拱頂下沉以及水平收斂的回歸函數(shù)擬合計(jì)算結(jié)果見表2。

如何在教學(xué)過程中凸顯思維教學(xué)的有效性？學(xué)生學(xué)習(xí)的效果和質(zhì)量與學(xué)習(xí)方式方法密切相關(guān)，課改的今天，“師生互動”、“生生互動”、“生本互動”、“獨(dú)立思考”、“小組討論”、“展示交流”等都是數(shù)學(xué)課堂學(xué)習(xí)的常見方式，而“小組討論、交流展示”的學(xué)習(xí)方式充分利用了同學(xué)之間年齡相仿、心理相近、志趣相投、相互啟迪等有利因素，讓思維的教學(xué)在學(xué)生交流碰撞中得以充分發(fā)展，讓部分學(xué)生的思維火花衍生為全班學(xué)生的智慧之光．用思維來主導(dǎo)的數(shù)學(xué)課堂，才是數(shù)學(xué)的課堂，才能有效促進(jìn)學(xué)生的思維進(jìn)階，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)本來的教育目的．

表2 隧道典型斷面變形回歸分析結(jié)果Table 2 Regression analysis results of typical section deformation for tunnels

由表2可以看出,使用指數(shù)函數(shù)模型對4個(gè)典型斷面的拱頂下沉和水平收斂分別進(jìn)行回歸分析,盡管變形量值差異較大,但是所有斷面擬合優(yōu)度都在0.93以上,表明不同風(fēng)化程度的千枚巖隧道變形隨時(shí)間的變化曲線符合指數(shù)函數(shù)的變化規(guī)律,且該回歸函數(shù)為有界函數(shù),同時(shí)結(jié)合變形時(shí)態(tài)曲線的穩(wěn)定時(shí)間預(yù)測圍巖的最終變形,模型預(yù)測值與實(shí)測變形穩(wěn)定值的相對誤差始終在15%以內(nèi),基本能夠滿足工程對于變形預(yù)測的精度要求。

3 預(yù)留變形量分析

預(yù)留變形量是隧道設(shè)計(jì)施工中一項(xiàng)非常重要的指標(biāo),取值過大勢必會造成初期支護(hù)和二次襯砌厚度增加,產(chǎn)生額外的工程費(fèi)用;預(yù)留變形量不足則會引起初期支護(hù)變形侵限從而不得不拆換鋼拱架[16-17]。鑒于千枚巖物理力學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜性和特殊性,通過理論分析計(jì)算準(zhǔn)確地確定其預(yù)留變形量是十分困難的,必須結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測信息進(jìn)行反饋分析確定。千枚巖隧道群拱頂下沉和水平收斂的現(xiàn)場監(jiān)測變形統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知,預(yù)留變形量分別取45 cm、55 cm、65 cm、75 cm時(shí),拱頂下沉保證率分別為52%、80%、93%和98%;預(yù)留變形量分別取40 cm、50 cm、60 cm、70 cm時(shí),水平收斂保證率分別為56%、82%、92%和97%。對于同一保證率下的拱頂下沉和水平收斂變形范圍存在一定的差異,并且拱頂下沉為絕對沉降值,水平收斂為相對變形值。因此,建議大巴山區(qū)域千枚巖隧道的預(yù)留變形量在拱頂和邊墻處分開設(shè)置,同時(shí)應(yīng)結(jié)合千枚巖風(fēng)化程度、構(gòu)造破碎帶以及地下水狀況分別取值。

圖6 千枚巖隧道群圍巖變形統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Fig.6 Statistical analysis results of surrounding rock deformation of tunnels in phyllite stratum

根據(jù)大巴山隧址區(qū)千枚巖隧道群拱部沉降和水平收斂現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析結(jié)果,深埋千枚巖隧道采用三臺階七步開挖法施工時(shí),微風(fēng)化千枚巖段預(yù)留變形量建議取20～30 cm,中風(fēng)化千枚巖段隧道預(yù)留變形量建議取30～45 cm,強(qiáng)風(fēng)化千枚巖段隧道預(yù)留變形量建議取40～60 cm,千枚巖斷層破碎帶段隧道預(yù)留變形量建議取55～80 cm?？紤]到大巴山區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,斷層帶構(gòu)造作用強(qiáng)烈且局部地下水豐富等,因而實(shí)際監(jiān)測結(jié)果以及統(tǒng)計(jì)分析所提出的預(yù)留變形量遠(yuǎn)大于相關(guān)規(guī)范值。對于其他地區(qū)的千枚巖隧道,應(yīng)根據(jù)具體的工程地質(zhì)條件和監(jiān)控量測數(shù)據(jù)對研究提出的預(yù)留變形量推薦值進(jìn)行驗(yàn)證分析。

4 結(jié)論

(1) 千枚巖隧道圍巖變形總體較大且離散性高,拱頂下沉和水平收斂最大值分別為95.3 cm和90.1 cm,拱頂下沉和水平收斂平均值分別為40～60 cm和37.5～52.2 cm。

(2) 微風(fēng)化、中風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化千枚巖及其斷層破碎帶隧道變形平均值分別為25 cm、30 cm、40～45 cm和50～60 cm;微風(fēng)化、中風(fēng)化千枚巖段隧道變形在30～35 d趨于穩(wěn)定,而強(qiáng)風(fēng)化千枚巖段隧道變形要在60 d左右才趨于穩(wěn)定,斷層破碎帶更是在施工完成120 d后才逐漸穩(wěn)定。

(4) 深埋千枚巖隧道采用三臺階七步開挖法施工時(shí),微風(fēng)化、中風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化以及斷層破碎帶隧道預(yù)留變形量建議取值依次為20～30 cm、30～45 cm、40～60 cm和55～80 cm。