滇西南地區(qū)軟巖隧道大變形特征及控制措施研究

千紹玉,陳浩然,張 浩,梁 斌

(1.中鐵十五局集團(tuán)第三工程有限公司,四川 成都 610097;2.河南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471000)

我國(guó)滇西南地區(qū)巖溶地貌分布廣泛,雨季持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且降雨量豐富,高速鐵路隧道修建過程中難免會(huì)遭遇富水、軟弱圍巖、巖溶等情況[1-3]。由于地質(zhì)條件復(fù)雜,當(dāng)隧道穿越富水軟弱圍巖地帶時(shí),極易發(fā)生透水、坍塌等各種突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害[4-6],影響隧道的施工安全和質(zhì)量,因此針對(duì)軟弱圍巖、富水等地質(zhì)條件下的隧道大變形機(jī)理及處治措施的研究尤為必要。

當(dāng)前,學(xué)者們?cè)谲泿r大變形控制方面取得了較多研究成果。袁青等[7]依托某隧道工程,對(duì)富水淺埋隧道軟巖大變形的特征進(jìn)行了研究,針對(duì)該隧道大變形的力學(xué)破壞模式提出了“中管棚+小導(dǎo)管”的控制措施。王志杰等[8]以某實(shí)際工程為依托,對(duì)隧道大變形段掌子面圍巖的力學(xué)性能進(jìn)行研究,從地質(zhì)條件、隧道施工等方面分析了大變形形成的原因并提出相應(yīng)的處治措施。胡濤濤等[9]針對(duì)隧道穿越高地應(yīng)力富水軟弱圍巖區(qū)域時(shí)發(fā)生的圍巖大變形破壞現(xiàn)象,通過有限元模擬對(duì)不同含水量下隧道施工方法進(jìn)行了分析,并提出相應(yīng)的處治措施。汪波等[10]在不同支護(hù)強(qiáng)度下,對(duì)隧道開挖過程中圍巖的變形規(guī)律進(jìn)行分析,并對(duì)高地應(yīng)力隧道圍巖支護(hù)模式進(jìn)行探討,以木寨嶺隧道大變形段為依托,進(jìn)行相應(yīng)支護(hù)模式的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),制定合理的大變形控制措施。周航等[11]以某深埋軟巖隧道工程為背景對(duì)圍巖大變形進(jìn)行分析,探討大變形產(chǎn)生的原因,并對(duì)圍巖大變形機(jī)理進(jìn)行了研究。

目前,學(xué)者對(duì)軟弱圍巖大變形的研究多集中于高地應(yīng)力、圍巖偏壓等原因引起的圍巖大變形方面,針對(duì)隧道穿越軟弱圍巖地帶時(shí)圍巖大變形的研究相對(duì)較少。本文以中老鐵路玉磨段巴羅二號(hào)隧道為工程背景,基于理論分析和有限元模擬的方法,對(duì)隧道穿越軟弱圍巖地帶、隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特征進(jìn)行分析,提出長(zhǎng)管棚超前支護(hù)結(jié)合相應(yīng)排水措施,以及對(duì)初支結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固的綜合控制方案,對(duì)軟巖大變形進(jìn)行控制,并通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該方案的效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工程概況

中老鐵路玉磨段位于我國(guó)云南省南部地區(qū),是我國(guó)“一帶一路”的一項(xiàng)重要工程,其中巴羅二號(hào)隧道為玉磨鐵路的重要控制性工程,隧道所處地區(qū)巖溶地貌分布廣泛,隧道洞身穿越軟弱圍巖地帶,圍巖以砂泥巖為主,圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育,整體性較差且易破碎。該區(qū)域雨季時(shí)間持續(xù)較長(zhǎng),降雨量豐富,隧道頂部附近有兩條沖溝交匯,地下水易于富集、運(yùn)移,地表水下滲,在掌子面開挖過程中經(jīng)常遭遇地下水呈線狀及雨淋狀流出,依據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)圍巖現(xiàn)狀,最終圍巖等級(jí)確定為V級(jí)圍巖。由于隧道圍巖穩(wěn)定性差,又受到地下水影響,隧道產(chǎn)生不同程度的透水和圍巖大變形現(xiàn)象,經(jīng)常出現(xiàn)噴混結(jié)構(gòu)開裂、初支支護(hù)破壞等災(zāi)害,因此對(duì)富水圍巖大變形控制措施的研究較為重要。

圖1 隧道破壞現(xiàn)場(chǎng)

2 圍巖變形機(jī)理

2.1 圍巖變形因素

隧道圍巖自穩(wěn)能力差,受地下水軟化作用的影響,圍巖抗壓、抗剪能力及彈性模量減小、泊松比增大,圍巖土體在低地應(yīng)力條件下即可進(jìn)入屈服狀態(tài),從而產(chǎn)生塑性變形甚至破壞。當(dāng)?shù)叵滤疂B出量較大時(shí),隧道兩側(cè)圍巖上的切向推力不斷增大,進(jìn)而加劇圍巖向臨空面方向的變形,最終使隧道圍巖產(chǎn)生破壞。

2.2 圍巖變形機(jī)理

依據(jù)隧道圍巖變形破壞原因及施工現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)查,建立簡(jiǎn)化的計(jì)算模型。彈性變形階段隧道圍巖的徑向應(yīng)力σr和切向應(yīng)力σθ表示為

σr=σv-(R0/r)2σv

(1)

σθ=σv+(R0/r)2σv

(2)

(3)

式中:σv為原始地應(yīng)力;R0為隧道半徑;r為計(jì)算點(diǎn)圍巖實(shí)際半徑;Rb為圍巖抗壓強(qiáng)度;φ為圍巖內(nèi)摩擦角。圍巖抗壓強(qiáng)度與初始地應(yīng)力比值小于2時(shí),圍巖變形由彈性變形變?yōu)樗苄宰冃巍?/p>

均質(zhì)地層條件下,圍巖塑性半徑Rp理論公式為

(4)

式中:p0為計(jì)算點(diǎn)地應(yīng)力,pi為支護(hù)結(jié)構(gòu)抗力。

由式(4)可得,Rp與R0呈線性關(guān)系,當(dāng)Rp受地下水滲流作用減小時(shí),圍巖塑性區(qū)半徑隨之增大。

3 隧道模型建立

3.1 模型參數(shù)

為進(jìn)一步分析隧道圍巖變形特征及圍巖變形量,對(duì)巴羅二號(hào)隧道施工階段進(jìn)行模擬。根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告及相關(guān)規(guī)范,隧道圍巖參數(shù)及支護(hù)結(jié)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)如表1和表2所示。

表1 砂泥巖參數(shù)

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.2 模型及邊界條件

為了有效控制隧道開挖過程中的圍巖變形量,依據(jù)實(shí)際工況,提出以長(zhǎng)管棚超前支護(hù)結(jié)合排水和初支加固的綜合措施,對(duì)圍巖變形進(jìn)行控制。通過有限元軟件MIDAS GTS NX建立采取加固措施前后兩種工況下的隧道模型,加固前工況模型支護(hù)結(jié)構(gòu)僅采用噴混結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬,由于隧道埋深較大,依據(jù)圣維南原理,水平向和豎向邊界均取3倍隧道洞徑,距隧道中心均為50 m,隧道沿縱向開挖長(zhǎng)度為40 m,隧道模型共劃分67 392個(gè)實(shí)體單元,隧道模型如圖2所示。

圖2 隧道模型

4 結(jié)果分析

4.1 圍巖位移

采取加固措施前后兩種工況下,隧道圍巖豎向位移分布云圖如圖3所示,隧道圍巖水平方向位移云圖如圖4所示。由圖3和圖4可以看出,兩種工況下圍巖的豎向位移均小于水平位移,并且圍巖豎向沉降最大值全部出現(xiàn)在隧道拱頂位置。加固前隧道模型模擬結(jié)果中,圍巖豎向沉降最大值為31.42 mm,出現(xiàn)在拱頂處;水平方向最大收斂值為41.76 mm,出現(xiàn)在隧道左側(cè)拱腰位置處。加固后隧道模型模擬結(jié)果中,圍巖豎向沉降最大值為17.32 mm,水平方向收斂最大值為28.12 mm,均出現(xiàn)在左側(cè)拱腰處。兩種工況下,隧道圍巖變形呈現(xiàn)出水平收斂大于豎向沉降的特點(diǎn)。加固前后隧道模型模擬結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn),隧道圍巖變形量明顯降低,圍巖豎向沉降量減少44.87%,水平位移量減少32.66%,證明綜合加固措施能夠有效增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性。

(a)加固前

(b)加固后圖4 圍巖水平位移

4.2 圍巖塑性區(qū)分布

隧道圍巖受開挖擾動(dòng)影響,會(huì)出現(xiàn)一定范圍的塑性區(qū),加固前后兩種工況下圍巖塑性區(qū)分布如圖5所示。由圖5(a)可知,加固前工況下,圍巖塑性區(qū)主要出現(xiàn)在隧道兩側(cè)拱腰及拱腳處,塑性區(qū)范圍較廣,表明隧道兩側(cè)圍巖極易發(fā)生塑性破壞。由圖5(b)可知,加固后圍巖塑性區(qū)范圍明顯減小。加固前塑性應(yīng)變最大值為3.031×10-2,加固后塑性應(yīng)變最大值為2.155×10-2,表明在綜合措施加固后隧道圍巖穩(wěn)定性提升明顯。

(a)加固前

(b)加固后圖5 圍巖塑性區(qū)

4.3 初支左側(cè)拱腰水平應(yīng)力

加固前后圍巖水平位移最大值位于隧道左側(cè)拱腰位置,因此提取隧道襯砌左側(cè)拱腰位置水平應(yīng)力值進(jìn)行分析。加固前后兩種工況下,隧道初支左側(cè)拱腰水平應(yīng)力如圖6所示。加固前工況下當(dāng)隧道左側(cè)拱腰水平應(yīng)力隨著開挖步序的推進(jìn)迅速增加至8 MPa左右,隨著開挖不斷推進(jìn),左側(cè)拱腰水平應(yīng)力繼續(xù)增加至9 MPa左右后再次小幅下降,最終穩(wěn)定在8 MPa左右,且左側(cè)拱腰處主要承受壓應(yīng)力。加固后工況下隧道左側(cè)拱腰水平應(yīng)力由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力,然后迅速增加至5 MPa左右,隨著開挖進(jìn)度的不斷推進(jìn),應(yīng)力值逐漸下降,并且隧道初支從承受壓應(yīng)力逐漸變?yōu)槌惺芾瓚?yīng)力,應(yīng)力值逐漸穩(wěn)定在3 MPa左右,由圖6可以看出,采取綜合加固措施后,隧道初支左側(cè)拱腰水平應(yīng)力值下降明顯。

圖6 初支左側(cè)拱腰水平應(yīng)力

5 綜合處治措施

5.1 現(xiàn)場(chǎng)排水措施

依據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況,針對(duì)掌子面施工過程中出現(xiàn)的線狀及淋雨?duì)畛鏊畣栴},采用引排水措施。

(1)在密集淋雨?duì)畛鏊课徊捎米{匯水方式排水,在出水密集部位使用φ42小導(dǎo)管徑向注漿匯水后,在隧道中心部位設(shè)φ100環(huán)向盲管將地下水引排至中心水溝,φ42小導(dǎo)管每根長(zhǎng)1.5 m,環(huán)×縱為1.0 m×1.0 m,梅花形布置。注水泥漿水玻璃雙液漿,水灰比為1：0.8,注漿壓力控制在0.2～0.5 MPa,注漿量按加固體積的10%控制。φ100環(huán)向盲管伸入圍巖不小于2 m,于初支面上鑿槽埋設(shè),端頭包裹無紡布作為反濾層。

(2)在線狀出水部位采用設(shè)管引排方式排水,根據(jù)出水量情況,設(shè)φ100環(huán)向盲管(1～2根)直接引排至中心水溝,φ100環(huán)向盲管于初支面上鑿槽埋設(shè),伸入圍巖不小于0.5 m,端頭包裹無紡布作為反濾層。

5.2 長(zhǎng)管棚超前支護(hù)

采用長(zhǎng)管棚注漿的方式對(duì)掌子面前方軟弱圍巖進(jìn)行加固(見圖7),保證施工過程中隧道圍巖的穩(wěn)定性及施工的安全性。長(zhǎng)管棚采用φ89×8 mm的熱軋無縫鋼管,鋼管沿環(huán)向排列,間距為40 cm,管棚入土長(zhǎng)度為30 m。管棚安裝完成后采用水泥漿液進(jìn)行注漿,依據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定合適的漿液配合比和注漿壓力,采用“先兩側(cè)后中間、由稀到濃”的順序進(jìn)行注漿。通過長(zhǎng)管棚注漿超前支護(hù)措施,對(duì)隧道周圍圍巖進(jìn)行加固,形成厚度為2 m的保護(hù)層。

5.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)加固措施

(1)隧道采用臺(tái)階法開挖,上臺(tái)階部分開挖完成后,建立上臺(tái)階處的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)。在安設(shè)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)拱架過程中,第一拱架沿其軸向每間隔1 m用縱向鋼筋連接,在第一拱架兩側(cè)拱腳上方30 m處設(shè)雙排鎖腳錨管,打設(shè)角度為30°,采用φ42注漿小導(dǎo)管進(jìn)行注漿加固,最后鉆設(shè)徑向錨桿后復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

(2)下臺(tái)階左側(cè)部分開挖完成后,建立下臺(tái)階左側(cè)處的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)。在安設(shè)拱墻鋼架時(shí),用縱向32#槽鋼進(jìn)行支墊以增加拱墻鋼架底腳的受力面積,在拱墻鋼架兩側(cè)拱腳上方30 m處,設(shè)雙排下臺(tái)階鎖腳錨桿,打設(shè)角度為30°,拱墻鋼架完全穩(wěn)定后采用φ42注漿小導(dǎo)管進(jìn)行注漿,并復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

(3)下臺(tái)階右側(cè)部分開挖完成后,建立下臺(tái)階右側(cè)部分的初期支護(hù)結(jié)構(gòu),完成后采用與下臺(tái)階左側(cè)相同的加固方式,對(duì)下臺(tái)階右側(cè)部分初期支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。

(4)施工過程中,必須嚴(yán)格控制隧道開挖進(jìn)尺,隧道圍巖上臺(tái)階開挖進(jìn)尺為1榀鋼架間距,下臺(tái)階開挖進(jìn)尺須小于2榀鋼架間距。

5.4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

采用綜合加固措施后,取巴羅二號(hào)隧道大變形段(里程D1K446+210～234)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖8所示。該段隧道拱頂沉降與拱腰收斂變形規(guī)律基本一致,拱頂沉降和拱腰收斂最大值均出現(xiàn)在里程D1K446+227處,分別為19.6 mm和17.3 mm,均處于安全范圍內(nèi)。

(a)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

(b)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖8 D1K446+210～234段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

綜上所述,巴羅二號(hào)隧道大變形段采用綜合處治措施后,不僅提高了隧道施工的安全穩(wěn)定性,有效地解決了圍巖變形突發(fā)的失穩(wěn)狀況,通過加固支護(hù)結(jié)構(gòu),使初期支護(hù)抵抗圍巖變形的能力得到提升,提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及隧道施工安全性。

6 結(jié)論

本文依托巴羅二號(hào)隧道工程,采用理論分析和有限元模擬相結(jié)合的方法,對(duì)圍巖變形機(jī)理進(jìn)行分析,通過與施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況相結(jié)合,提出了長(zhǎng)管棚超前支護(hù)、引排水措施、初支結(jié)構(gòu)加固的綜合控制措施,得出以下結(jié)論:

(1)軟巖隧道穿越巖溶破碎帶,受地質(zhì)條件及施工擾動(dòng)的影響,隧道開挖過程中圍巖產(chǎn)生較大的沉降及收斂,造成支護(hù)結(jié)構(gòu)受力不均,當(dāng)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受載能力達(dá)到極限時(shí)產(chǎn)生大變形破壞。

(2)有限元模擬結(jié)果顯示,在加固前工況下,隧道圍巖變形呈現(xiàn)水平收斂大于拱頂沉降,左側(cè)拱腰水平收斂高于右側(cè)拱腰的特點(diǎn);圍巖塑性區(qū)集中分布在隧道兩側(cè)拱腰和拱腳位置,且范圍較大,表明在隧道開挖過程中兩側(cè)拱腰和拱腳位置產(chǎn)生大變形破壞的風(fēng)險(xiǎn)較大。

(3)由有限元模擬加固后工況結(jié)果可知,隧道位移變形量降幅明顯,圍巖豎向沉降量值減少44.87%,圍巖水平位移量減少32.66%,圍巖塑性區(qū)范圍明顯減小,左側(cè)拱腰水平應(yīng)力明顯下降,說明綜合控制措施能夠明顯提升隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

(4)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),在采用綜合控制措施后,圍巖變形量得到明顯控制,隧道拱頂沉降量和拱腰收斂量分別為19.6 mm和17.3 mm,均處于安全范圍內(nèi),說明采用長(zhǎng)管棚超前支護(hù)、引排水措施、初支結(jié)構(gòu)加固的綜合控制措施能夠控制富水砂泥巖隧道圍巖的大變形,并且效果顯著,能夠?yàn)轭愃扑淼拦こ烫峁┙梃b和指導(dǎo)。