汪金育

(貴州高速公路集團有限公司，貴州貴陽 550000)

1 概述

大變形是在地應(yīng)力、工程擾動和地下水活動等綜合作用下，圍巖體發(fā)生塑性破壞，變形得不到有效約束的一種災(zāi)害現(xiàn)象，具有明顯的累進性和時間效應(yīng)［1］。目前，國內(nèi)對圍巖大變形的研究主要有［2-15］:1)判定方法:圍巖變形是否超出初期支護的預(yù)留變形量、初期支護位移值和支護破壞現(xiàn)象、不同側(cè)壓力系數(shù)下的應(yīng)力比臨界值。2)誘發(fā)原因:高地應(yīng)力、軟巖、地下水作用、淺埋、偏壓、開挖擾動、支護不及時、支護剛度不足等。3)作用機制:軟巖塑流及膨脹變形、板梁的彎曲變形、塑性楔體、結(jié)構(gòu)性流變、累進松脫擴展等。4)等級劃分:根據(jù)變形量和相對變形量分級;以洞壁相對位移為參數(shù)，根據(jù)彈塑性力學(xué)計算，對嚴(yán)重程度不同的大變形進行分級;采用相對應(yīng)變判別圍巖的擠出程度并劃分等級;綜合圍巖抗壓強度、地應(yīng)力、彈性模量及側(cè)壓力系數(shù)等因素，提出了綜合系數(shù)a劃分等級等。5)預(yù)測方法:基于模糊層次綜合評判的預(yù)測方法、地質(zhì)綜合分析預(yù)測、切應(yīng)變預(yù)測等。6)治理措施:施作臨時仰拱、施作套拱、施作環(huán)向錨桿、注漿、地表處理等加固措施;置換支護結(jié)構(gòu)、調(diào)坡修改隧道標(biāo)高等侵限措施。7)數(shù)值模擬:基于施工監(jiān)測的數(shù)值模擬、基于變形破壞機制的圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬等。

貴州某隧道在施工過程中，右線出口淺埋段的初期支護發(fā)生了較大的沉降變形。在對圍巖大變形有整體了解的基礎(chǔ)上，本文將結(jié)合該隧道的施工監(jiān)測數(shù)據(jù)，對淺埋段圍巖大變形進行成因分析。

該隧道為分離式隧道，內(nèi)輪廓均采用R=5.55 m的單心圓，凈寬10.25 m、凈高5.00 m。隧道右線出口淺埋段為Ⅴ級圍巖，近洞口一帶淺地表為殘坡積碎石土、強風(fēng)化灰?guī)r，深部為中風(fēng)化灰?guī)r，巖體破碎;開挖方式采用上下臺階法(見圖1);襯砌方式采用復(fù)合式襯砌，即初期支護由工字鋼鋼拱架、系統(tǒng)錨桿、鋼筋網(wǎng)及噴射混凝土組成，并輔以超前小導(dǎo)管進行超前支護，二次襯砌為鋼筋混凝土。結(jié)合對出口淺埋段圍巖變形的監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取YK90+479斷面進行圍巖沉降變形研究(沉降測點布設(shè)見圖1)。

圖1 隧道開挖方式及拱頂沉降測點布設(shè)位置示意圖

2 拱頂沉降分析及圍巖大變形判定

2.1 拱頂沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)YK90+479斷面處的監(jiān)測結(jié)果，繪制拱頂沉降隨時間增長的變化曲線(見圖2)，曲線整體呈“下降～平緩”的特征，結(jié)合圍巖變形速率和具體施工步驟，可將變形過程詳細(xì)分為以下4個階段:

1)階段Ⅰ(急劇變形階段):上臺階開挖完成及支護初期，圍巖應(yīng)力釋放較快，變形速率較大;該階段末期，隨著上臺階繼續(xù)開挖約10 d，掌子面掘進至2倍洞徑距離時，變形曲線較為平穩(wěn)，圍巖內(nèi)部暫時趨于平衡狀態(tài)。

圖2 隧道出口右幅YK90+479初支沉降監(jiān)測變化曲線圖

2)階段Ⅱ(快速變形階段):下臺階左半部分開挖，破壞了圍巖內(nèi)部趨于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，但此時下臺階右部未開挖的巖體具有一定的支撐能力，使得該階段圍巖變形較上臺階開挖時相比，變形持續(xù)時間較短，變形速率及變形量較小。

3)階段Ⅲ(緩慢變形階段):下臺階右半部分開挖，對圍巖產(chǎn)生新的擾動，導(dǎo)致拱頂出現(xiàn)新的下沉過程，但由于受先行洞開挖而產(chǎn)生擾動的影響較小，該階段較上階段相比，圍巖的變形速率也相對較小。

4)階段Ⅳ(趨于穩(wěn)定階段):仰拱開挖及回填后，初期支護圈閉，對圍巖變形的約束作用增強，圍巖與支護結(jié)構(gòu)在應(yīng)力的動態(tài)調(diào)整過程中，承載能力發(fā)揮至最大，圍巖變形速率呈遞減趨勢并逐漸趨于零。

對不同階段圍巖的變形量進行統(tǒng)計分析(見表1):階段Ⅰ中拱頂位移釋放率達71.1%，階段Ⅱ，階段Ⅲ中拱頂位移釋放率僅為18.6%，階段Ⅳ中拱頂位移釋放率為10.3%，說明上臺階開挖后應(yīng)力的快速釋放對圍巖穩(wěn)定性的擾動最大。

表1 圍巖不同變形階段拱頂沉降量統(tǒng)計

2.2 圍巖大變形的判定

參照張祉道［16］對隧道圍巖大變形的判定及變形程度分類標(biāo)準(zhǔn)(見表2)，斷面YK90+479處在初期支護已施工的條件下，洞壁位移最大值為221.8 mm，Ua/a=3.9%，且支護后噴混凝土出現(xiàn)起殼、剝落及較大的變形、開裂等異?，F(xiàn)象。據(jù)此可判定，YK90+479處出現(xiàn)隧道圍巖大變形，等級為輕度。

表2 隧道圍巖大變形等級判定

3 大變形原因分析

一般情況下，圍巖的大變形首先取決于圍巖巖性和巖體結(jié)構(gòu)，這是大變形發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，其次取決于埋深、地下水作用、開挖方式等，這是大變形發(fā)生的環(huán)境條件?；趯Υ笞冃纬梢虻恼J(rèn)識，對貴州某隧道圍巖大變形的成因分析如下:

1)Ⅴ級圍巖。

大變形區(qū)段圍巖主要為殘坡積碎石土及灰?guī)r，灰?guī)r受風(fēng)化作用影響強烈，裂隙極發(fā)育，將淺部巖體切割成小碎片及碎塊狀，呈碎塊狀—散體狀結(jié)構(gòu)，物理力學(xué)強度較低，開挖時在壓應(yīng)力的作用下圍巖易出現(xiàn)碎裂松動或塑性擠出，而導(dǎo)致大變形的出現(xiàn)。

2)地下水作用。

大變形區(qū)段圍巖以灰?guī)r為主，自身滲透能力較好，加之受淺表生改造影響，地下水易于在此處匯聚并下滲，降低了巖體沿軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強度，而使圍巖的自穩(wěn)能力降低，基巖的承載力削弱。另外，地下水匯聚也使得圍巖的自重增加，從而增大初期支護的荷載承擔(dān)量。

3)洞身埋深淺。

斷面YK90+479處埋深約16 m，圍巖自承能力差或者無自承能力，初始地應(yīng)力場為典型的自重應(yīng)力場，拱頂以上的巖土體自重全部作用于支護結(jié)構(gòu)上。開挖時隧道頂部圍巖難以形成有效的承載拱，導(dǎo)致圍巖變形過大。

4)上臺階開挖擾動。

在圍巖大變形發(fā)展的整個過程中，上臺階開挖后圍巖應(yīng)力釋放時間占據(jù)變形總時間的20%，而其位移釋放量占據(jù)總位移量的71.7%，可見上臺階開挖時，圍巖應(yīng)力釋放較為迅速，釋放量較大，對圍巖原有的穩(wěn)定平衡狀態(tài)破壞較為嚴(yán)重。

為驗證上臺階開挖擾動對圍巖大變形的重要影響，在Ⅴ級圍巖、地下水作用及埋深淺的地質(zhì)條件下，對YK90+479斷面處的施工開挖步進行數(shù)值模擬，繪制拱頂各測點的累計沉降量隨開挖進行的變化曲線(見圖3)，曲線整體也呈現(xiàn)出“下降～平緩”的特征。其中，上臺階開挖及支護時，各測點沉降幅度最大，故此驗證，在上臺階的開挖是引起圍巖大變形產(chǎn)生的重要原因。

圖3 拱頂各測點豎向位移模擬結(jié)果

5)初期支護剛度偏低。

經(jīng)過結(jié)構(gòu)驗算，在現(xiàn)有的支護體系下，YK90+479斷面拱頂處彎矩為61.16 kN·m，軸力為 592.66 kN，安全系數(shù)為 0.94，安全儲備已達到臨界狀態(tài)(見圖4，圖5)。在這種支護體系下，拱頂部位的噴混凝土易出現(xiàn)拉裂、錯臺現(xiàn)象，與現(xiàn)場觀測病害相符(見圖6，圖7)。

圖4 YK90+479斷面彎矩圖

圖5 YK90+479斷面軸力圖

圖6 YK90+479斷面拱頂初期支護開裂

圖7 YK90+479附近拱頂初期支護開裂

4 結(jié)語

貴州某隧道在施工過程中，洞口淺埋段出現(xiàn)圍巖變形量較大。通過選取斷面YK90+479進行沉降監(jiān)測分析，并結(jié)合相應(yīng)的數(shù)值模擬計算，得出以下結(jié)論:

1)YK90+479處圍巖變形整體呈“下降～平緩”趨勢，且可分為4個變形階段:急劇變形階段、快速變形階段、緩慢變形階段、趨于穩(wěn)定階段;2)判定YK90+479處的變形為圍巖大變形;3)查明了大變形的成因主要有:Ⅴ級圍巖、地下水作用、洞身埋深淺、上臺階開挖擾動大、初期支護剛度偏低等。其中，Ⅴ級圍巖、地下水作用、洞身埋深淺是客觀存在的地質(zhì)事實，不因人類活動所改變;而上臺階開挖擾動大、初期支護剛度偏低則可通過進行相應(yīng)的調(diào)整，以降低大變形事故的發(fā)生概率。

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