薛文勛，曹粉貴

(1.貴州通力達公路工程監(jiān)理咨詢有限公司， 貴陽　550022； 2.中鐵五局集團有限公司， 貴陽　550003)

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隧道大變形力學(xué)機制及監(jiān)控量測重要性研究

薛文勛1，曹粉貴2

(1.貴州通力達公路工程監(jiān)理咨詢有限公司， 貴陽550022； 2.中鐵五局集團有限公司， 貴陽550003)

摘要：以貴州省仁赤高速公路和平隧道為依托，對出現(xiàn)大變形病害區(qū)段的綜合地質(zhì)條件、現(xiàn)場描述、監(jiān)測及數(shù)值結(jié)果進行分析，對比支護、施工體系變更前后的結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)，探討造成支護大變形的主要原因，并論證施工監(jiān)控量測的重要性。

關(guān)鍵詞：公路隧道；大變形；地質(zhì)勘察；監(jiān)控量測

近年來，我國公路隧道建設(shè)規(guī)模不斷加大，截至2013年底，公路隧道總里程突破960萬延m，數(shù)量達11 359座。然而受我國多山地貌的影響，隧道穿越大型斷層破碎帶、巖溶發(fā)育區(qū)域、高地應(yīng)力段、松散堆積體等不良地質(zhì)體的現(xiàn)象也逐漸增多，其對工程設(shè)計及施工造成諸多不便[2-4]。如因前期勘測深度不足造成對圍巖認(rèn)識不清，致使支護設(shè)計體系、施工工法與實際地層不符，則實際開挖施工時會對圍巖造成較大擾動，支護體系難以承受背后圍巖壓力，繼而向內(nèi)空方向產(chǎn)生較大變形，甚至引起支護開裂、嚴(yán)重侵限、坍塌等問題，對施工安全和結(jié)構(gòu)后期運營造成較大隱患[5-9]。

越來越多的工程案例表明，基于新奧法理念修建隧道時，合理的監(jiān)控量測方案與支護施工設(shè)計技術(shù)具有同等重要的作用。本文以貴州省仁赤高速公路和平隧道為依托，對其地勘資料、設(shè)計文件及施工監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，并結(jié)合數(shù)值模擬手段來探討隧道不同支護方案結(jié)構(gòu)的受力變形特性和施工過程中支護結(jié)構(gòu)大變形的主要成因，論證監(jiān)控量測對施工安全的重要性。

1工程概況

貴州省仁赤高速公路和平隧道呈北西走向，稍呈弧形線展布。該隧道采用分離式形式，左洞起訖樁號ZK69+898～ZK70+510，總長613 m；右洞起訖樁號YK69+864～YK70+510，總長646 m，屬中長隧道。隧道凈空 10.25 m×5.0 m，左線進出口洞門型式均為端墻式；右線進口洞門型式為端墻式，出口洞門型式為削竹式。

隧址區(qū)屬中切斷塊中低山地貌區(qū)，山體地層巖性組成為志留系下統(tǒng)龍馬溪組(S1l)灰?guī)r、泥巖及石牛欄組(S1sh)泥質(zhì)灰?guī)r。地面標(biāo)高一般在1 054.46～1 129.110 m，相對高差約75.0 m。隧址區(qū)進洞口一帶地形為斜坡，坡度相對較陡，自然坡度角34°，軸線與巖層走向呈小角度斜交，為逆向坡。出口為緩坡地形，自然坡度角21°～26°，軸線與巖層走向斜交，為順向坡。北西西走向的隧道軸線與近北東走向的山脊呈小角度斜交。進出口段植被不發(fā)育，洞身山頂處植被局部較發(fā)育。隧址區(qū)無地表水體及泉、井分布。

2現(xiàn)場地質(zhì)描述與變形監(jiān)測分析

原設(shè)計文件中，和平隧道進口端多為Ⅲ級圍巖，圍巖承載能力強，成洞條件良好。而實際開挖后，各掘進面出露的圍巖主要為碎石粘土、第4系殘坡積土及強風(fēng)化灰?guī)r、泥巖互層組成，土體、巖體松散破碎，圍巖自穩(wěn)性差，側(cè)壁不穩(wěn)定，成洞條件差。監(jiān)測掌子面開挖后圖像如圖1所示。

圖1　監(jiān)測掌子面開挖后圖像

2012年7月初在ZK70+045監(jiān)測斷面埋設(shè)了監(jiān)測點。該斷面出露的圍巖自穩(wěn)性差，受施工擾動后，其出現(xiàn)了持續(xù)不穩(wěn)定沉降，開挖2周內(nèi)，斷面各測點沉降超過5.0 mm/d，個別測點單日最大沉降達到19.0 mm。截止到8月27日，該斷面拱頂累計沉降已達120 mm以上，如圖 2所示。ZK70+045～ZK70+060里程段初期支護出現(xiàn)多條環(huán)向裂縫，裂縫起于左側(cè)拱腳經(jīng)拱頂貫通至右側(cè)拱腳，裂縫長約3～8 m，寬約2～10 mm。

圖2　和平隧道ZK70+045初期支護拱頂沉降變化曲線

施工過程中，嚴(yán)格執(zhí)行了既定的監(jiān)控量測方案，及時分析了結(jié)構(gòu)受力變形趨勢、支護結(jié)構(gòu)表觀特征，并進行了動態(tài)反饋預(yù)警。支護結(jié)構(gòu)變形如圖 3所示。

圖3　和平隧道ZK70+045初期支護裂縫

出現(xiàn)大變形征兆后，經(jīng)反復(fù)討論、分析，確定了治理方案：由于圍巖等級預(yù)判失真，導(dǎo)致支護設(shè)計體系與實際地層不符，這是造成大變形的主要原因，因此對圍巖級別進行重新修訂，對已出現(xiàn)大變形的區(qū)段采取注漿、換拱措施；后續(xù)區(qū)段動態(tài)調(diào)整圍巖等級，按照V級圍巖參數(shù)進行支護，并采用超前小導(dǎo)管注漿加固，形成承載拱，以有效提高Ⅴ級圍巖的自穩(wěn)能力。

后續(xù)區(qū)段采取V級圍巖支護參數(shù)后，拱頂沉降被控制在50 mm范圍內(nèi)，同時支護結(jié)構(gòu)表面未再觀察到開裂現(xiàn)象，表明V級圍巖段支護方案合理。

3基于節(jié)理特征的圍巖失穩(wěn)模擬

3.1數(shù)值計算模型

本文采用數(shù)值模擬等方式，進一步分析和平隧道大變形發(fā)生原因，并驗證控制措施的合理性。

3.1.1隧址區(qū)地質(zhì)條件

以ZK70+045段斷面為對象，對其節(jié)理特征的圍巖失穩(wěn)進行研究。ZK70+045段斷面處于洞口段，埋深約為37 m，斷面高12.3 m，寬10.24 m。圍巖破碎，主要為強-中風(fēng)化灰?guī)r與泥巖，同時在掌子面左側(cè)出現(xiàn)少量粘土，可塑性強，自穩(wěn)性差。圍巖發(fā)育單組優(yōu)勢貫通節(jié)理，走向近似平行于隧道軸線，優(yōu)勢節(jié)理傾角為∠8°，如圖 4所示。和平隧道ZK70+045斷面節(jié)理水平層理間距0.2～0.4 m，層間無填充物，但結(jié)合較差。

圖4　和平隧道ZK70+045斷面節(jié)理CAD重構(gòu)

3.1.2巖體與節(jié)理面力學(xué)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場地勘資料與室內(nèi)試驗，提出如下關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)：圍巖楊氏模量1.6 GPa，泊松比0.33，粘聚力0.5 MPa，密度2 000 kg/m3。同時依據(jù)巖體楊氏模量與泊松比，計算得到巖體體積模量為1.57 GPa，剪切模量為0.6 GPa；節(jié)理面法向剛度2.99 GPa/m，切向剛度0.98 GPa/m，粘聚力0.1 MPa，內(nèi)摩擦角30°。計算時，巖體與節(jié)理均選取摩爾-庫倫彈塑性模型。

3.1.3支護體系與力學(xué)參數(shù)

按照設(shè)計文件要求，隧道開挖后，不同圍巖級別采取不同的錨噴支護體系。

采?、蠹墖鷰r支護方案時，初期支護為C20混凝土，厚10 cm；錨桿采用Φ22 mm藥卷錨桿，梅花型布置，環(huán)向范圍120°，軸向長2.5 m，間距為120 cm×120 cm。

采?、跫墖鷰r支護方案時，初期支護為C20混凝土，厚25 cm；錨桿采用Φ25 mm中空注漿錨桿，梅花型布置，環(huán)向范圍204°，軸向長3.5 m，間距為60 cm×120 cm；設(shè)立18工字鋼拱架，縱向間距為60 cm。

混凝土力學(xué)參數(shù)根據(jù)JTG D70—2004《公路隧道設(shè)計規(guī)范》確定，錨桿力學(xué)參數(shù)按照設(shè)計文件與相關(guān)室內(nèi)測試試驗確定，具體數(shù)值見表 1。

表1　錨桿力學(xué)參數(shù)

通過提高周邊土體參數(shù)模擬處置方案中的超前小導(dǎo)管對圍巖進行超前預(yù)加固。

3.1.4計算模型

利用UDEC計算軟件，建立二維計算模型，左右邊界跨度取6倍隧道寬度，施加x向固定約束；下邊界取2倍洞寬，施加y向固定約束；上邊界自由延伸至地表。另外，按圖 4設(shè)置優(yōu)勢節(jié)理。模型建立后，模擬全斷面開挖，并進行初期支護，觀察沉降。超前小導(dǎo)管對圍巖進行超前預(yù)加固二維計算模型如圖5所示。

本文共考慮2種計算工況，以研究相同圍巖條件和不同支護參數(shù)下，圍巖初期支護的變形和受力狀況。工況1考慮現(xiàn)場采用的原支護參數(shù)，即Ⅲ級支護參數(shù)。工況2考慮采用大變形處置措施后的支護參數(shù)，即Ⅴ級圍巖支護參數(shù)，同時考慮超前小導(dǎo)管注漿對圍巖的加固作用。

圖5　超前小導(dǎo)管對圍巖進行超前預(yù)加固二維計算模型示意

3.2數(shù)值計算結(jié)果

將2種計算工況結(jié)果進行對比，分析加強支護后隧道的穩(wěn)定性。初期支護后圍巖豎直方向位移云圖如圖6所示。

圖6　初期支護后圍巖豎直方向位移云圖

由圖6(a)可以看出，A區(qū)域圍巖豎直方向沉降為8～12 cm，在拱頂B區(qū)域甚至出現(xiàn)了超過12 cm的沉降值。由圖6(b)可以看出，采用Ⅴ級支護和超前注漿加固方式加強圍巖和襯砌后，沉降得到有效控制，拱頂大范圍圍巖C區(qū)域的沉降都不超過2 cm。

和平隧道ZK70+045段斷面拱頂沉降如圖7所示。由圖7可以看出，2種工況下，拱頂沉降最大值分別為14.98和1.97 cm。與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)相比較，采用Ⅲ級支護時，和平隧道ZK70+045段斷面拱頂沉降最大達12.7 cm，而后續(xù)斷面采用了Ⅴ級支護及注漿加固，ZK70+045段斷面最大沉降只有2.0 cm，與數(shù)值模擬結(jié)果近似，而數(shù)值模擬可以較好地體現(xiàn)現(xiàn)場的實際情況。同時還驗證了現(xiàn)場采取的措施能夠較好地處理隧道大變形風(fēng)險。

綜合掌子面現(xiàn)場與數(shù)值模擬情況，揭示ZK70+045段斷面圍巖主要為強風(fēng)化灰?guī)r、泥巖及部分粘土，節(jié)理發(fā)育，圍巖自穩(wěn)能力欠缺，同時遇水易軟化，表現(xiàn)出較大的塑性。因此，按照Ⅴ級圍巖確定支護參數(shù)，增大系統(tǒng)錨桿的長度及范圍，并施作鋼拱架，最后增加噴射混凝土的厚度，以形成較大剛度的初期支護，并與圍巖協(xié)同變形。另外，需對圍巖采用注漿加固，以改變其物理力學(xué)性質(zhì)，提高圍巖的強度和自穩(wěn)能力，有效降低大變形的風(fēng)險。

圖7　拱頂沉降曲線

初期支護后圍巖豎直方向應(yīng)力云圖如圖8所示。從圖8可以看出，當(dāng)發(fā)生隧道大變形時，地層壓力得到釋放，拱頂處的圍巖應(yīng)力較小，顯示為和表層土體的圍巖應(yīng)力近似；采用Ⅴ級支護后，隧道沉降值較小，隧道頂部圍巖受到的擾動也較小，拱頂圍巖應(yīng)力變化較小。

圖8　初期支護后圍巖豎直方向應(yīng)力云圖

4結(jié)論

1) 本文根據(jù)和平隧道ZK70+045段斷面變形監(jiān)測結(jié)果和不同工況數(shù)值分析，驗證了前期勘察深度不足或當(dāng)前勘察技術(shù)限制引起圍巖等級預(yù)判失真是造成ZK70+045段斷面大變形的主要原因。

2) 在節(jié)理發(fā)育的破碎巖體中，合理實施監(jiān)控量測并對圍巖變形進行動態(tài)反饋，對工程安全性具有重要意義。

參 考 文 獻

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Research on Mechanical Mechanism of Large Deformation of Tunnels and Importance of Monitoring Measurement

XUE Wenxun1,CAO Fengui2

Abstract:Dependent on Heping Tunnel on Renhuai-Chishui Expressway in Guizhou Province, this paper analyzes comprehensive geological conditions, site description, monitoring and numerical results of the sections with large deformation disease, compares mechanical response of structures before and after change of supports and construction system, probes into main reasons of large deformation of supports and demonstrates importance of monitoring measurement for construction.

Keywords:highway tunnel; large deformation; geological survey; monitoring measurement

文章編號：1009-6477(2016)02-0108-04

中圖分類號：U459.2

文獻標(biāo)識碼：B

作者簡介：薛文勛(1970-)，男，貴州省黎平縣人，本科，研究員。

收稿日期：2015-10-28

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.024