卢 颖，易鹏豪，何 平，胡 跃，刘大华，陈 松，张 东
(1.四川公路桥梁建设集团有限公司公路二分公司,四川 成都 610200;2．西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,四川 成都 610031)
随着我国对西南地区的大规模开发,出现了众多高地应力软岩大变形隧道,软弱围岩在高地应力以及地下水的作用之下会对隧道的施工造成诸多困难,同时也会在施工过程中产生许多安全问题,研究高地应力软岩隧道大变形控制技术对目前我国高速发展的交通建设具有重大意义。隧道软岩大变形控制技术在保障软岩隧道安全施工过程中起着十分重要的作用,因此,许多学者对隧道软岩大变形问题进行了相关研究[1-4]。张广泽等[5]通过系统分析国内外隧道围岩大变形案例,并根据大变形的构造控制理念与发生机理,对隧道构造软岩大变形分类进行了重新界定;马时强[6]计算了某单线铁路隧道开挖后在无支护条件下洞周发生不同变形量后施作弹性支护结构的最大压应力,并以此间接反映围岩压力,得到了围岩压力随围岩变形的释放关系曲线;杨成忠等[7]以长城岭软岩隧道为背景,分析了隧道施工过程中围岩变形的三维空间演化规律,得出了不同施工工法、断面尺寸和围岩等级对隧道开挖面空间效应的影响;王治才等[8]为揭示软岩大变形隧道支护结构的响应规律,以某长大埋深软岩大变形隧道作为研究对象,根据各支护体系间接触压力的断面分布模式分析了软岩大变形隧道支护结构的协同作用机理。
综上,对于软岩大变形的研究已经十分深入了,但是针对具体某个隧道,由于地质条件、断面形式、支护参数、开挖方法等的不同,隧道在实际施工过程中多凭借施工经验并结合现场具体情况来选择具体的施工方式和支护参数。因此,为进一步研究深埋软岩(炭质板岩)隧道的大变形控制技术,依托金口河隧道炭质板岩段工程,利用数值模拟和现场监控量测等方式对比研究不同开挖工法引起的隧道变形和控制技术,研究结论可为高地应力软岩隧道大变形控制技术积累经验。
1 工程概况
金口河隧道为乐汉高速的控制性工程之一,位于四川省西南部乐山市峨边彝族自治县和金口河区交界处的中高山峡谷区,隧道全长8 107 m,属于特长隧道,最大埋深1 317 m。隧道地质复杂,围岩极差,Ⅴ级围岩占47.74%,Ⅳ级围岩占46.84%。本文研究隧道段围岩主要为中风化碳质板岩、板岩夹片岩、砂质板岩等,受构造作用影响,岩体结构面发育,结合程度差,完整性差;据物探解译成果,该段为富水区,洞内地下水以淋雨状出水为主,局部可能出现呈股或大雨状出水;围岩自稳能力差,隧道拱顶开挖无支护时易发生较大—大坍塌,侧壁易发生小坍塌。隧道最大开挖跨度为12.6 m,初期支护厚度为24 cm,主要采用喷锚支护、钢筋网和钢拱架,锚杆长3.0 m,钢筋网由Φ8 mm钢筋构成,钢筋间距为20 cm(环向)×20 cm(轴向),钢拱架由Ⅰ18型钢制成,间距80 cm。二次衬砌厚度为45 cm的C30钢筋混凝土,隧道横断面如图1所示。
2 隧道模型建立
本文以金口河隧道软弱破碎炭质板岩段为研究背景,利用数值模拟软件建立模型,模拟分析隧道施工全过程,对比分析软弱破碎炭质板岩段隧道以环形开挖留核心土法(工况1)和上下台阶开挖法(工况2)两种开挖方式的地层变形控制效果。
2.1 数值计算模型及材料参数
软弱破碎炭质板岩段隧道计算模型水平方向(x向)长度为120 m,纵向(y向)长度为100 m,竖向(z向)长度为100 m。地层采用六面体单元(brick element)模拟,使用Mohr-Coulomb模型;初期支护和二次衬砌采用实体单元模拟,使用Elastic模型。计算模型左、右、前、后和下部边界均施加法向约束,上部地表为自由边界。隧道地层及衬砌物理力学参数见表1。计算模型如图2所示。
表1 隧道地层及支护结构物理力学参数
2.2 大变形控制方案及测点布置
在软弱破碎围岩段隧道施工的过程中,开挖工法的选择对于控制软岩隧道大变形来说十分重要,选择合适的开挖工法是保障隧道安全施工的必要前提。根据该隧道软弱破碎炭质板岩的地质特点,结合施工能力等条件,拟对比分析环形开挖留核心土法(工况1)和上下台阶开挖法(工况2)两种开挖方式的地层变形控制效果。
根据金口河隧道施工方法及工程特点,设计了隧道变形监控量测方案,主要监测内容为拱顶沉降以及洞周收敛。其中,拱顶沉降监测主要针对拱顶下沉变化规律进行监测分析,根据量测数据,确认围岩的稳定性,判断支护效果,指导施工工序预防坍塌,保证隧道施工安全;洞周收敛监测是通过对隧道上、下台阶的周边收敛量及收敛速度进行观察分析,判断围岩的稳定程度,选择适当的二次衬砌支护时机,指导现场施工。
为了使模拟结果更加接近实际现场施工情况,开挖进尺设为2 m,初期支护延后掌子面2 m施加,二衬延后掌子面50 m施加。在模型纵向50 m处设置监测断面,监测断面上布置5个测点,用于监测隧道开挖对围岩的扰动,拱顶沉降以及上下台阶边墙的收敛。
环形开挖留核心土法纵断面图、开挖工序横断面图及监测点布置如图3所示。
上下台阶开挖法纵断面图、开挖工序横断面图及测点布置如图4所示。
3 研究结果对比与分析
3.1 隧道拱顶下沉分析
监测断面拱顶下沉随掌子面推进进程曲线如图5所示。
从图5中可以看出,在隧道开挖初期,两种工况的测点沉降均缓慢增加。待掌子面到达目标监测断面时,工况一拱顶沉降值迅速增加,最大沉降速率达到0.82 mm/m;工况二的拱顶沉降速度较为缓慢,最大沉降速度为1.25 mm/m;掌子面通过监测断面后,随着掌子面的继续推进,两工况下拱顶沉降值增加速度均降低,沉降值缓慢增加最终趋于稳定,且工况一的拱顶最终沉降值小于工况二,工况一拱顶最终沉降值为16.07 mm,工况二最终沉降值为17.47 mm,工况一相较于工况二在拱顶最终沉降值上降低了8.01%,最大沉降速率降低了34.4%,说明工况一在拱顶沉降控制上优于工况二。
3.2 隧道周边收敛分析
监测断面洞周收敛随掌子面推进进程曲线图见图6。
从图6中可以看出,在隧道开挖初期,两种工况的洞周收敛均缓慢增加。待掌子面到达目标监测断面时,洞周收敛值(测线SL1和SL2)均迅速增加,掌子面通过监测断面后,随着掌子面的继续推进,两工况下洞周收敛值增加速度均减低,收敛值缓慢增加最终趋于稳定。
两工况监测断面洞周收敛情况一览表见表2。
表2 监测断面洞周收敛情况一览表
由表2可知,工况一相较于工况二在SL1收敛值上降低了4.98%,最大收敛速率上降低了26.23%;在SL1收敛值上降低了4.81%,最大收敛速率降低了25.83%,两测线的收敛值与收敛最大速率之间的差异均说明工况一在洞周收敛控制上优于工况二。
4 隧道施工现场监测数据反馈分析
根据数值模拟的结果以及对比分析,隧道施工采用环形开挖预留核心土法。
4.1 监测点布置
根据金口河隧道施工方法及工程特点,设计了隧道变形监控量测方案,主要监测内容为拱顶沉降以及洞周收敛。位移监测点布置如图7所示。
4.2 隧道变形监测结果分析
限于篇幅,本文选取隧道左线炭质板岩区段Ⅳ级,Ⅴ级围岩典型断面ZK65+507进行隧道变形对比分析和支护结构受力特性分析。
4.2.1 拱顶沉降分析
断面ZK65+507隧道拱顶下沉时程曲线及其沉降速率如图8所示。
断面ZK65+507在隧道上台阶开挖后,拱顶沉降急剧增长,初期沉降速率最高达到了9.4 mm/d,累计沉降量达到42.6 mm(见图9)。在开挖一周时间左右,沉降速率逐渐降低至0.8 mm/d(见图9),直到下台阶开挖后,拱顶沉降速率有短暂回升,达到了1.8 mm/d,随后沉降速率再次减小,在仰拱施作后,初期支护闭合成环,拱顶沉降速率趋于稳定,说明隧道在仰拱施作后整体结构安全可控。
4.2.2 洞周收敛分析
断面ZK65+507的周边收敛随时间变化曲线和收敛速率如图10,图11所示。
断面ZK65+507在隧道上台阶开挖后,SL1收敛曲线迅速增加,初期收敛速率最高达到9.4 mm/d。开挖5 d后,收敛速率明显降低,但仍持续收敛。下台阶开挖及施作后,SL1收敛速率没有明显变化,直至仰拱施作后,初期支护闭合成环,稳定发挥作用,收敛速率大大降低,SL1收敛量增长平缓。
SL2收敛曲线在下台阶开挖后,初期收敛量迅速增加,收敛速率最高达到4.6 mm/d。仰拱开挖施作后,随着初期支护闭合,收敛速率明显降低,收敛增长平缓。
5 结论
基于有限元数值模拟分析对比了炭质板岩地层隧道Ⅳ级,Ⅴ级围岩段采用环形开挖预留核心土法施工过程中的围岩变形特征,并结合现场监控量测数据获得了以下结论:1)在此工程背景下,与传统的二台阶开挖相比,环形开挖预留核心土法隧道围岩变形最大速率降低了25.8%～34.4%,变形最大值降低了4.81%～8.01%,采用环形开挖预留核心土法施工更加合理。2)同种工况下,隧道拱顶沉降值较拱腰以及拱脚的收敛值高出12.7%～15.9%,上台阶收敛值高出下台阶收敛值5.68%～5.87%,施工时应重点关注拱顶以及上台阶侧壁。3)现场监测数据表明在施工过程中围岩初期变形速率高,达到10 mm/d～20 mm/d,且持续时间在一周左右,随后沉降速率减小,在仰拱施作后,初期支护闭合成环,拱顶沉降速率趋于稳定,说明隧道在仰拱施作后整体结构安全可控。
