砂巖夾泥巖地層隧道圍巖穩(wěn)定性分析及支護(hù)對(duì)策研究

馮志華,胡 剛,羅 仙,王京力

(1.河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 石家莊市 050000;2.云南省楚雄彝族自治州交通工程技術(shù)服務(wù)站 楚雄市 675000;3.云南省楚雄彝族自治州公路工程質(zhì)量監(jiān)督站 楚雄市 675000)

0 引言

云南省屬山地高原地形,有廣泛的沉積巖地層分布,其中砂巖夾泥巖地層由于組成結(jié)構(gòu)特殊、巖性差異大,常常在工程中以不良地質(zhì)構(gòu)造的角色出現(xiàn),稍有不慎就會(huì)造成坍塌失穩(wěn)或大變形發(fā)生[1-6]。隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展,泥巖與砂巖組合地層下的一些邊坡工程、隧道工程中出現(xiàn)的工程問(wèn)題被不斷解決,取得了一定的學(xué)術(shù)進(jìn)展并積累了一些工程經(jīng)驗(yàn)。但泥巖與砂巖組合地層隨著周邊地質(zhì)環(huán)境與成因的不同而千變?nèi)f化,在具體的工程表現(xiàn)出的問(wèn)題也不盡相同。擬建的云南某高速公路在楚雄彝族自治州境內(nèi)大面積穿越砂巖夾泥巖地層,為合理規(guī)避隧道開(kāi)挖中的風(fēng)險(xiǎn),依據(jù)既有的勘察資料進(jìn)行不同地層傾斜角度下的砂巖及泥巖開(kāi)挖數(shù)值分析,以期提前研究得到圍巖受力與變形規(guī)律,為相關(guān)隧道設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 工程背景

云南某擬建高速公路設(shè)計(jì)時(shí)速80km/h,隧道建筑限界采用10.25m×5.0m,路線在楚雄彝族自治州內(nèi)大面積穿越砂巖夾泥巖地層,地層組合厚度與傾角不盡相同,但以傾斜狀居多。勘察成果顯示,路線區(qū)域內(nèi)為侏羅系中統(tǒng)蛇店組(J2s)厚層狀砂巖夾泥巖、侏羅系上統(tǒng)妥甸組(J3t)泥巖夾砂巖、白堊系下統(tǒng)高豐寺組(K1g)、侏羅系上統(tǒng)張河組(J2z)。泥巖屬粘土質(zhì)巖,地勘鉆孔揭示泥巖屬軟巖、極軟巖,地表多風(fēng)化成碎顆粒狀、土狀,遇水易崩解,巖體呈碎裂狀結(jié)構(gòu)、散體狀結(jié)構(gòu),多呈紫紅色。砂巖多呈現(xiàn)紅褐色,多為較堅(jiān)硬巖、堅(jiān)硬巖,主要呈層狀結(jié)構(gòu)、碎裂狀結(jié)構(gòu),局部呈塊狀結(jié)構(gòu)。

2 數(shù)值模型

2.1 模型建立

為全面研究不同傾角砂巖夾泥巖地層下隧道開(kāi)挖后圍巖的變形與受力特征,對(duì)地層傾斜、水平、豎直三種工況進(jìn)行建模分析,建立3種工況如表1所示。

表1 模擬工況表

采用Midas GTS NX建立單幅隧道2D模型進(jìn)行開(kāi)挖分析,兩車(chē)道隧道實(shí)際需要開(kāi)挖的跨度約13m,考慮邊界效應(yīng),模型水平方向尺寸為90m。以洞口V級(jí)圍巖淺埋段施工為例,隧道埋深取40m,整體高度約80m。隧道模擬三臺(tái)階法開(kāi)挖,依次實(shí)現(xiàn)不同臺(tái)階開(kāi)挖并支護(hù),共8步完成,即初始模型(位移清零)→開(kāi)挖上臺(tái)階→上臺(tái)階支護(hù)→開(kāi)挖中臺(tái)階→中臺(tái)階支護(hù)→開(kāi)挖下臺(tái)階→下臺(tái)階支護(hù)→開(kāi)挖仰拱并支護(hù)。不同工況模型如下圖1～圖4所示。

圖1 工況1傾斜地層隧道模型

圖2 不同工況下整體總位移云圖

2.2 材料參數(shù)

隧道初期支護(hù)采用梁?jiǎn)卧M,采用C25噴射混凝土,厚度為27cm,鋼架采用I20b工字鋼,縱向間距為0.6m,通過(guò)等效剛度理論進(jìn)行計(jì)算,如式(1)所示,取材料均一后的彈性模量進(jìn)行計(jì)算。

(1)

式中:Ec為折算后混凝土彈性模量,單位為GPa;Eo為原混凝土彈性模量,單位為GPa;As為鋼架截面面積,單位為cm2;Es為鋼材彈性模量,單位為GPa;Ac為混凝土截面面積,單位為cm2。

錨桿采用植入式桁架單元模擬,采用D25中空注漿錨桿,長(zhǎng)度為4m,縱環(huán)向間距為0.6×0.75m。圍巖材料參數(shù)參照地質(zhì)勘察報(bào)告中成果進(jìn)行取值,各材料參數(shù)具體如表2所示。

表2 計(jì)算模型參數(shù)

2.3 結(jié)果分析

對(duì)不同階段的模型進(jìn)行對(duì)比分析,提煉隧道施工完成后的圍巖變形狀況、初支結(jié)構(gòu)的彎矩與軸力、錨桿軸力、塑性破壞區(qū)四個(gè)指標(biāo)進(jìn)行比對(duì)。

2.3.1圍巖變形特征

各工況情況地層總位移如圖3所示。在傾斜巖層下,砂巖夾泥巖的最大變形為3.2mm,且變形具有明顯的單向傾斜性,位移向傾斜方向偏移。工況2最大變形為1.4mm,工況3最大變形為3mm,表明在水平砂巖夾泥巖地層下隧道開(kāi)挖最為有利。

圖3 不同工況下整體變形云圖

2.3.2初期支護(hù)受力

不同工況下整體變形如圖4所示。工況1支護(hù)結(jié)構(gòu)在傾斜一側(cè)存在明顯的軸力增大區(qū)段,最大軸力分別為1320kN,且呈現(xiàn)非對(duì)稱分布,該位置更容易發(fā)生襯砌的開(kāi)裂與脫落。工況2、工況3最大軸力分別分布在拱腳和拱腰位置,數(shù)值分別為61kN、74kN,遠(yuǎn)小于傾斜地層軸力分布,表明砂巖夾泥巖傾斜地層支護(hù)結(jié)構(gòu)受力增大近一倍。傾斜地層下初期支護(hù)宜加強(qiáng)。

圖4 不同工況下錨桿受力圖

2.3.3錨桿受力

從圖5中可見(jiàn),錨桿軸力在砂巖夾泥巖不同地層傾角下具有明顯的差異性,軸力在更容易變形的泥巖段往往更大。在傾斜地層工況下,傾斜側(cè)(左側(cè))錨桿受力普遍較非傾斜側(cè)高,表明向傾斜側(cè)加密錨桿具有實(shí)際作用,傾斜側(cè)泥巖層軸力多以30kN為代表。工況2表明,在水平地層分布下,錨桿呈現(xiàn)頂部受拉、下部受壓的基本規(guī)律,最大軸力僅7kN。工況3地層在垂直分布情況下,頂部錨桿受力小于拱腰處錨桿受力,最大軸力在30kN左右,整體受力介于工況1與工況2之間。

圖5 不同工況下塑性破壞區(qū)分布

2.3.4塑性破壞區(qū)

圍巖塑性區(qū)的分布可用來(lái)判別圍巖強(qiáng)度破壞區(qū)分布,從而判斷主要的受力不利區(qū)域。不同工況塑性區(qū)分布如下圖5所示,傾斜地層下隧道在兩側(cè)拱墻周邊接觸的泥巖層為圍巖塑性區(qū)分布帶,水平地層情況下圍巖沒(méi)有破壞區(qū)域,最安全,未展示;豎直地層情況下,隧道僅在拱腰位置與拱腳位置處存在塑性區(qū)。

3 工程案例

(1)案例1[5]:玉磨鐵路會(huì)崗山隧道位于云南省西雙版納州, 隧道長(zhǎng)8903m,最大埋深360m,地層為強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化泥巖夾砂巖,圍巖破碎、局部較破碎,巖質(zhì)軟 ,呈明顯層狀分布,掌局部滲水, Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖占比達(dá)70%。隧道在洞口段埋深40m左右處發(fā)生大變形,造成初支侵限,侵限厚度為12.7～28.6cm。

(2)案例2[4]:鄭萬(wàn)高鐵重慶段某隧道,最大開(kāi)挖跨度達(dá)15 m,穿越長(zhǎng)距離順層段落,巖性以泥巖夾砂巖為主, 施工中出現(xiàn)初支開(kāi)裂、大變形、侵限問(wèn)題,順層傾斜巖層下隧道大變形具有明顯的非對(duì)稱性,且順層一側(cè)圍巖壓力明顯大于另一側(cè)。

(3)案例3[2,6]:由泥、砂巖互層或厚層砂巖夾泥巖等形成的類似“夾心餅干”的軟硬互層近水平層狀結(jié)構(gòu)邊坡,是三峽庫(kù)區(qū)分布較為廣泛的一種結(jié)構(gòu)類型邊坡。泥巖更容易風(fēng)化、遇水軟化,使得砂巖層失去支撐而崩塌滑落,造成了三峽庫(kù)區(qū)最為常見(jiàn)的一種地質(zhì)災(zāi)害。

以上三個(gè)工程案例均為泥巖與砂巖地層組合地質(zhì)情況下的典型工程地質(zhì)問(wèn)題,共同規(guī)律有以下幾點(diǎn):

(1)傾斜砂巖層與泥巖層組合情況下,隧道更容易發(fā)生單側(cè)偏壓及單側(cè)大變形;

(2)由于泥巖力學(xué)指標(biāo)低、開(kāi)挖后易風(fēng)化,其在地層中先行破壞,改變了砂巖地層的穩(wěn)定條件造成其隨屬破壞;

(3)隧道開(kāi)挖后需及時(shí)封閉圍巖,避免泥巖與空氣、水汽接觸后發(fā)生風(fēng)化崩解。

實(shí)際工程中,砂巖與泥巖組合地層可能受到其他地質(zhì)環(huán)境因素的影響成為不良地質(zhì),總結(jié)如表3所示。

表3 砂巖與泥巖地層在不利地質(zhì)環(huán)境下的特征一覽表

4 結(jié)論

基于云南某擬建的高速隧道工程的地質(zhì)情況為依托,開(kāi)展了Midas NX 有限元建模分析,通過(guò)對(duì)包含三種地層傾角工況數(shù)值分析及既有工程案例對(duì)比,得到主要結(jié)論如下:

(1)與地層豎直分布及水平分布相比,傾斜地層下砂巖夾泥巖地層整體圍巖變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力均更大,塑性區(qū)分布也更廣,隧道圍巖穩(wěn)定性相對(duì)更差。水平地層分布最為穩(wěn)定,豎直地層分布較水平地層分布稍差。

(2)水平層狀砂巖夾泥巖地層更容易形成承載拱,相應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)受力、圍巖變形、塑性區(qū)域均較小。地層豎直分布時(shí)拱腰及拱腳為主要的不穩(wěn)定區(qū)域。因此,傾斜地層下初期支護(hù)在常規(guī)措施上宜加強(qiáng)。

(3)從錨桿軸力分布、塑性區(qū)分布可知,泥巖地層為主要的不穩(wěn)定地質(zhì)體,受力后更容易發(fā)生破壞,發(fā)生掉塊或持續(xù)變形等問(wèn)題,并可導(dǎo)致砂巖隨屬破壞。

(4)不同地層傾斜角度下,錨桿與地層垂直時(shí)均受力最大,泥巖段軸力明顯大于砂巖段。因此,建議傾斜地層下錨桿與層理垂直,并進(jìn)行有針對(duì)性加密加強(qiáng)。

(5)對(duì)國(guó)內(nèi)類似工程案例總結(jié)表明,實(shí)際工程案例中呈現(xiàn)的地層特征與數(shù)值分析結(jié)論基本吻合。砂巖與泥巖組合地層多是在傾斜下出現(xiàn)失穩(wěn)、大變形,采用及時(shí)封閉圍巖、加強(qiáng)初期支護(hù)、錨桿與層面垂直等措施具有顯著效果。