含水率對高地應力炭質板巖隧道圍巖穩(wěn)定性的影響研究

胡濤濤，葛峻愷，劉可萌

(長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

1 研究背景

在高速鐵路、高速公路和城市地鐵的建設中，受地形和地質狀況多樣性和不確定性的影響，隧道工程常常是整個工程項目的代表性和控制性工程，尤其是在偏遠的西部地區(qū)和巖溶地區(qū)，因其地勢起伏大、地質地貌復雜，各類巖土體存在不同發(fā)育程度的結構面、裂隙面甚至是軟硬互層，使得巖體表現(xiàn)出較大的力學差異，增加了隧道工程的施工難度[1-4]。高地應力軟弱圍巖強度較低，尤其是在地下水較為豐富的地帶，在水的軟化作用下，圍巖承載能力和自穩(wěn)能力大大降低，導致該地段在施工過程中易出現(xiàn)塌方、大變形、支護結構扭曲侵限等問題[5-9]，因此研究富水軟弱圍巖隧道的受力特性顯得尤為重要。

針對軟弱圍巖隧道在富水條件下的受力特性，國內外有關研究人員進行了較為廣泛深入的研究。宋勇軍等[10]對蘭渝鐵路木寨嶺隧道炭質板巖進行了干燥與飽水狀態(tài)下的蠕變實驗，結果表明水對巖石瞬時變形的影響主要表現(xiàn)在瞬時塑性應變方面；在蠕變變形方面，水對巖石黏彈性影響顯著。左清軍等[11]針對油坊坪隧道跨越斷層段遭受的塌方問題，總結隧道宏觀變形演化歷史，分析了跨越斷層富水軟巖隧道塌方的影響因素及圍巖失穩(wěn)破壞模式。劉聰?shù)萚12]以港溝隧道穿越斷裂破碎帶區(qū)域為依托工程，研究了富水地層超大斷面隧道施工情況下圍巖力學響應特征。劉濤等[13]對圍巖在靜水及地下水情況下的穩(wěn)定性及變形控制對策進行數(shù)值模擬分析，并通過現(xiàn)場試驗、監(jiān)測及分析，論證特定預加固方案對變形控制的有效性。針對隧道軟巖層中含有弱夾層問題，Liu等[14]和Zhang等[15]通過基于圍巖位移場的微縮模型試驗，分析了軟巖層中具有潛在弱夾層的荷載傳遞和巖體變形特征；Peng等[16]結合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用圍巖位移場的微縮模型判斷圍巖的穩(wěn)定性；Song等[17]通過數(shù)值模擬分析驗證了上述方法的合理性和可行性；Qi等[18]基于實證、分析和數(shù)值方法，開發(fā)了軟弱圍巖支座設計系統(tǒng)的軟弱圍巖支護設計方法，用于軟弱圍巖支護需求估算和設計支護系統(tǒng)。郝婷等[19]依托馬家寨隧道工程通過有限元軟件MIDAS GTS NX建立有無超前支護的隧道出口端模型，分析總結了富水軟巖卸荷軟化和水軟化的機理和工程特點。Ding等[20]考慮浸水時間的影響，提出了開挖卸荷弱化條件下巖石損傷本構模型，并將該模型應用于新建立的有限元模擬方法。目前，國內外學者雖然對富水軟巖隧道的受力特性進行了廣泛的研究并取得了較多的成果，但是對于高地應力富水炭質板巖類圍巖方面研究不多，尤其是對于炭質板巖與其他巖體的軟硬互層圍巖研究甚少，因此有必要進一步研究。

渭武高速木寨嶺公路隧道穿越炭質板巖破碎帶，且破碎帶處于高地應力地層段，隧道圍巖遇水即融，地質極為脆弱。在隧道施工過程中，同時出現(xiàn)了噴射混凝土結構開裂掉塊、鋼架扭曲等現(xiàn)象，導致反復拆換拱架，工程進度停滯不前，因此，木寨嶺公路隧道成為整個渭武高速公路的控制性工程。本文以木寨嶺公路隧道為實際工程背景運用有限差分法軟件FLAC3D分別建立了不同含水率下雙側壁導坑法和三臺階七步開挖法的數(shù)值模擬模型；分析討論了兩種施工方法下，圍巖壓力、豎向和水平位移、塑性區(qū)隨著圍巖含水率增加的分布規(guī)律和發(fā)展情況，研究成果可為不同含水率下的高地應力區(qū)炭質板巖段的支護、襯砌的設計及施工提供參考。

2 工程概況

木寨嶺公路隧道位于甘肅省漳縣、岷縣交界地帶，設計時速為80 km/h，左洞長15 226 m，右洞長15 168 m，隧道最大埋深為629.1 m，距2016年全線貫通的蘭渝鐵路木寨嶺隧道約1 km。

隧道圍巖以富水軟弱炭質板巖為主，隧道受構造應力影響十分顯著，深埋條件下的高地應力圍巖大變形問題顯著。隧道選址地海拔2 500～3 100 m不等，地勢較高，地形起伏變化大，山體較為陡峭，且山溝、山谷多呈現(xiàn)“V”字型深切，因此其山體坡度較高，多大于50°。隧址地山脊段多呈現(xiàn)裸露巖石，且受氣候影響裸露巖體出現(xiàn)較嚴重的風化現(xiàn)象，節(jié)理裂隙發(fā)育。根據(jù)勘察設計資料，隧道影響范圍內共發(fā)育有11條斷層，且受板塊構造擠壓作用圍巖以斷層壓碎巖為主，巖體節(jié)理裂隙極為發(fā)育且具有一定程度的連通性，其斷層破碎帶如圖1所示。受斷層現(xiàn)象的影響，斷層附近巖體多呈現(xiàn)碎裂結構和松散結構，巖體破碎，節(jié)理發(fā)育，給地下水的滲流提供了通道，因此隧道選址區(qū)地下儲水量和施工涌水量較大，嚴重影響隧道的穩(wěn)定性。渭武高速木寨嶺公路隧道支護結構設計如圖2所示。

圖1 木寨嶺公路隧道圍巖狀況

3 模型建立

3.1 模型尺寸和邊界條件的確定

本文是以渭武高速木寨嶺公路隧道工程為依托，故模型尺寸采用該隧道的設計尺寸。根據(jù)參考資料，數(shù)值模型水平方向的長度可取為隧洞跨徑的3～8倍，同時對于深埋高地應力隧道，垂直方向上的長度同樣可取為3～8倍隧洞跨徑[21]。因此，本文數(shù)值模型沿開挖方向(模型中的Y方向)取100 m，垂直方向(模型中的Z方向)取80 m，水平方向(模型中的X方向)取100 m。為了減少單元的數(shù)量，隧道開挖界限內部單元邊長以0.5 m為基準，隧道附近巖土體單元邊長以1.0 m為基準，距離隧道較遠的巖土體單元邊長以3.0 m為基準，作用在巖層上部的重力作用等效于同樣效果的均布荷載作用。選用限制位移法固定邊界，對水平和前后方向邊界設置位移約束，對垂直方向只在下邊界設置位移約束而上邊界不設置約束。另外，在數(shù)值模型的上邊界設置相當于590 m埋深的均布荷載(11.8 MPa)。建立的數(shù)值模型如圖3所示。

3.2 圍巖及軟硬互層下的力學參數(shù)的確定

本文數(shù)值模擬的巖層為炭質板巖與砂質板巖軟硬互層，且具有一定的傾角(60°)，不僅需要考慮炭質板巖和砂質板巖的力學參數(shù)，還需給出軟硬互層結構面的力學參數(shù)。砂質板巖作為硬巖，遇水軟化作用不顯著，故力學參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場勘察設計資料結合有關規(guī)范確定；對炭質板巖需要考慮不同含水率下不同的巖樣參數(shù)，故采用參考文獻[10]中所進行的炭質板巖浸水試驗中的參數(shù)，即分別取用泡水0、5、15、25 d下的參數(shù)；炭質板巖與砂質板巖之間結構面的參數(shù)，根據(jù)參考文獻結合勘察設計資料確定。假定炭質板巖和砂質板巖遵循理想彈塑性本構關系和摩爾庫倫屈服準則。巖土體的各項力學參數(shù)列于表1、2。

3.3 支護結構采取的計算假定和參數(shù)選取

對于數(shù)值模擬中的支護結構，噴射混凝土采用殼單元(shell單元)進行模擬，中空注漿錨桿采用錨索單元(cable單元)進行模擬，二次襯砌采用實體單元進行模擬。其中噴射混凝土厚度為25 cm，中空注漿錨桿直徑為80 mm，二次襯砌厚度為50 cm，超前注漿小導管長9 m、傾角為10°，同時考慮到高壓漿液注入后產(chǎn)生的擴散作用，設定漿液加固圈厚度為0.8 m。具體參數(shù)如表3所示。

圖2 木寨嶺公路隧道支護設計圖(單位：cm)

圖3 建立的數(shù)值模型示意圖

表1 木寨嶺公路隧道巖土體力學參數(shù)

表2 木寨嶺公路隧道不同含水率下的炭質板巖力學參數(shù)

3.4 監(jiān)測點設置方案

由于在數(shù)值模擬中，建立模型所設置的邊界范圍有限，邊界范圍的約束會對數(shù)值模擬的監(jiān)測結果產(chǎn)生較大的不利影響，故應在隧道開挖進洞一段距離后設置監(jiān)測點進行監(jiān)測。根據(jù)彈性力學圣維南原理，為減少開挖擾動和邊界效應帶來的監(jiān)測誤差，各監(jiān)測點設置在距離隧道開挖掌子面16 m處，即Y=16 m處。

當采用三臺階七步開挖法進行數(shù)值分析時，分別在拱頂、上臺階左拱腰、上臺階右拱腰、上臺階左拱腳、上臺階右拱腳、中臺階左拱腳、中臺階右拱腳、仰拱中央共設置10個監(jiān)測點(1#～10#監(jiān)測點)。當采用雙側壁導坑法進行數(shù)值分析時，分別在拱頂、左邊墻、右邊墻、左拱腰、右拱腰、仰拱中央共設置6個監(jiān)測點(1#～6#監(jiān)測點)，兩種開挖方法的監(jiān)測點位置見圖4。

表3 木寨嶺公路隧道支護結構力學參數(shù)表

圖4 隧道兩種開挖方法的監(jiān)測點位置示意圖

4 結果與分析

為了簡化計算，本文在進行數(shù)值模擬時不考慮爆破振動的響應，數(shù)值模型中隧道開挖長度為80 m，共平均分為50步，每步1.6 m。通過繪制隧道斷面圖，網(wǎng)格劃分等FLAC3D規(guī)范操作順序得到三臺階七步開挖和雙側壁導坑施工法的數(shù)值模型和支護結構圖。三臺階七步開挖法和雙側壁導坑法的施工順序數(shù)值模型如圖5所示。

圖5 隧道兩種開挖方法的施工順序數(shù)值模型示意圖

通過數(shù)值模擬，得到了高地應力炭質板巖隧道在不同含水率下，三臺階七步開挖法和雙側壁導坑法不同的施工階段對隧道圍巖穩(wěn)定性影響的計算結果，包括圍巖位移、圍巖應力、塑性區(qū)、支護結構受力等。

4.1 圍巖位移場分析

圖6、7給出了圍巖不同泡水時間下隧道兩種開挖方法的最大水平收斂和沉降變化曲線。從圖6、7中可以看出，隨著含水率的不斷增大，圍巖開挖后產(chǎn)生的水平收斂逐漸增大，三臺階七步開挖法開挖下，干燥未泡水時其水平收斂11.97 cm，泡水25 d后其水平收斂為58.30 cm；雙側壁導坑法開挖下，干燥未泡水時其水平收斂僅有4.16 cm，泡水25 d后其水平收斂達到15.70 cm。隨著泡水時間的不斷增大，圍巖開挖后產(chǎn)生的沉降也越來越大，以拱頂沉降為例，三臺階七步開挖法開挖下，干燥未泡水時其拱頂沉降為17.78 cm，而泡水25 d后達到69.40 cm；雙側壁導坑法開挖下，干燥未泡水時其拱頂沉降為16.10 cm，而泡水25 d后達到30.10 cm。結果表明，隧道圍巖含水率越高，其圍巖強度越小，圍巖的水平收斂和豎向位移越大。根據(jù)相關實測資料[22]，木寨嶺公路隧道F2斷層破碎帶處拱頂沉降和水平收斂均在數(shù)十厘米以上。在K0918處，換拱前拱頂沉降高達120 cm，水平收斂也高達108 cm，換拱后，圍巖變形得以控制在30 cm以內。以上實測資料可證明本數(shù)值模擬的準確性，并驗證三臺階七步開挖法和雙側壁導坑法對控制圍巖變形有良好的效果。

圖6 圍巖不同泡水時間下三臺階七步開挖法施工隧道最大水平收斂和沉降變化曲線

圖7 圍巖不同泡水時間下雙側壁導坑法施工隧道最大水平收斂和沉降變化曲線

4.2 圍巖應力場分析

圖8、9給出了圍巖不同泡水時間下隧道兩種開挖方法的最大應力云圖。由圖8、9中應力云圖的變化可知，在不同的泡水時間下，隨著開挖距離的增大，圍巖最大應力有如下規(guī)律：(1)采用這兩種開挖方法進行隧道開挖，圍巖的最大應力均發(fā)生在隧道的左、右邊墻處。當含水率為1.24%時(泡水25 d)，隨著開挖距離的不斷增加，在仰拱處也出現(xiàn)了較大應力。木寨嶺公路隧道炭質板巖段實際施工中所出現(xiàn)的變形破壞類型有邊墻擠壓內鼓、鋼拱架扭曲、隧底隆起、局部塌方等[23]，與本文數(shù)值模擬所得圍巖應力場規(guī)律相符；(2)在相同含水率條件下，隨著開挖的進行，兩種開挖方法下的圍巖最大應力都在不斷增加，說明在隧道開挖過程中，該炭質板巖段圍巖受擾動程度不斷增大；(3)隨著含水率的增加，隧道周邊的最大應力都在不斷減小，且最大應力出現(xiàn)在邊墻處；(4)相比三臺階七步開挖法，采用雙側壁導坑法施工時其最大應力更大。

4.3 圍巖塑性區(qū)分析

塑性區(qū)在一定程度上代表了圍巖受擾動程度的大小，研究塑性區(qū)變化有助于分析含水率對炭質板巖隧道穩(wěn)定性的影響。圖10、11給出了圍巖不同泡水時間下隧道兩種開挖方法的塑性區(qū)云圖。由圖10、11可知：(1)由于隧道設計結構和炭質板巖、砂質板巖受具有一定傾角的軟硬互層所帶來的偏壓影響，因而截面的塑性區(qū)形狀并非呈現(xiàn)標準的圓形，塑性區(qū)僅在沿層理面方向和垂直于層理面方向分布較為廣泛；(2)隨著炭質板巖含水率的不斷增大，圍巖吸水軟化程度加深，強度不斷減弱，進而使由隧道開挖引起的塑性區(qū)范圍不斷增大；(3)隨著炭質板巖含水率的不斷增大，塑性區(qū)在除了層理面法向和切向的分布趨于廣泛，即隨著含水率的增加塑性區(qū)分布受具有一定傾角的軟硬互層圍巖的影響逐漸減小；(4)與三臺階七步開挖法相比，雙側壁導坑法施工下的塑性區(qū)分布受軟硬互層影響更小，說明導坑內的支護對偏壓效應有一定的抑制作用。

5 隧道施工方法比較

對于高地應力富水炭質板巖段，施工方法的選擇對圍巖的穩(wěn)定性極為重要，甚至會影響施工人員的生命安全。因此，基于上述數(shù)值模擬計算的結果，對比三臺階七步開挖法施工和雙側壁導坑法施工的隧道圍巖沉降、圍巖水平收斂、圍巖最大應力、塑性區(qū)范圍，可以初步評價該兩種開挖方法下圍巖的穩(wěn)定性，為施工方法的選擇提供參考。

三臺階七步開挖法和雙側壁導坑法施工隧道在不同開挖距離下的最大沉降、仰拱回彈、水平收斂的對比如圖12所示。由圖12中可以得出，采用雙側壁導坑法施工時，隧道的最大沉降、仰拱回彈、水平收斂均小于三臺階七步開挖施工法。因此從控制變形的角度來看，雙側壁導坑法施工更為安全。

對比表4、5中的受力參數(shù)值可知：采用雙側壁導坑法施工時，隧道周邊圍巖的最大應力略大于三臺階七步開挖法，說明采用雙側壁導坑法施工時對圍巖的支護作用較強，而對其應力釋放不足。但由于雙側壁導坑法施工開挖閉合成環(huán)所需時間較長、防水層施作較晚且防水層整體性較差(因為鋼架無法順序連接導致初期支護連接不夠緊密)，故在富水隧道中防水性較差，在實際工程中常采用兩種施工方法交替使用。

表4 不同含水率下三臺階七步開挖法施工隧道受力參數(shù)值

表5 不同含水率下雙側壁導坑法施工隧道受力參數(shù)值

圖8 圍巖不同泡水時間下三臺階七步開挖法施工隧道最大應力云圖

圖9 圍巖不同泡水時間下雙側壁導坑法施工隧道最大應力云圖

圖10 圍巖不同泡水時間下三臺階七步開挖法施工隧道塑性區(qū)云圖

圖11 圍巖不同泡水時間下雙側壁導坑法施工隧道塑性區(qū)云圖

圖12 兩種施工方法隧道圍巖的穩(wěn)定性對比

6 結 論

通過數(shù)值模擬及對比三臺階七步開挖法和雙側壁導坑法施工隧道的開挖位移、圍巖壓力、塑性區(qū)分布并聯(lián)系工程實踐，初步比較了兩種施工方法對渭武高速木寨嶺公路隧道的適用性，具體結論如下：

(1)巖樣隨著自由浸水時間的延長，其孔隙率、吸水率、泊松比逐漸增大，極限單軸抗壓強度、軟化系數(shù)和彈性模量逐漸減小。可見含水率對炭質板巖強度的影響顯著，隨著炭質板巖含水率的增加，圍巖的強度和自穩(wěn)能力降低，進而降低了隧道的穩(wěn)定性。

(2)兩種施工方法下，上部臺階開挖后，炭質板巖段各監(jiān)測斷面沉降和收斂變形速度都較快，變形量較大；完成初期支護之后，沉降和收斂變形速度逐漸下降，待距離掌子面50 m以后趨于穩(wěn)定。

(3)隧道炭質板巖圍巖大變形段各監(jiān)測斷面關鍵部位的圍巖應力和位移分布不均勻，對于兩種施工方法，最大沉降分別發(fā)生在上臺階右拱腳和拱頂處，同時仰拱處受到的圍巖壓力較小，邊墻處受到的圍巖壓力較大。