高發(fā)征

(中鐵十四局集團(tuán)第五工程公司， 山東 濟(jì)寧 272117)

弱膠結(jié)軟巖隧道大變形治理與支護(hù)對(duì)策研究

高發(fā)征

(中鐵十四局集團(tuán)第五工程公司， 山東 濟(jì)寧 272117)

對(duì)六盤山隧道洞口k14+165～k15+710段大變形情況進(jìn)行研究，分析了弱膠結(jié)軟巖大變形特征；對(duì)該段弱膠結(jié)軟巖隧道施工進(jìn)行施工過(guò)程力學(xué)行為分析與三維數(shù)值仿真，得出了開(kāi)挖過(guò)程中隧道斷面位移變化情況，開(kāi)挖50 d后，拱頂沉降趨于穩(wěn)定，沉降穩(wěn)定值為355.09 mm；提出了“兩榀型鋼+一榀格柵”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，在最終支護(hù)強(qiáng)度和最終約束圍巖位移方面均滿足六盤山隧道支護(hù)適應(yīng)性要求。

弱膠結(jié)軟巖； 隧道施工； “兩榀型鋼+一榀格柵”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

0 引言

隨著隧道工程建設(shè)重心轉(zhuǎn)向氣候條件復(fù)雜、地質(zhì)條件復(fù)雜的高原地區(qū)，出現(xiàn)了一大批具有挑戰(zhàn)性建設(shè)的復(fù)雜條件下隧道工程，六盤山地區(qū)隧道穿越巖層主要包括粉砂質(zhì)泥巖，多軟弱泥質(zhì)夾層帶，強(qiáng)度極低，屬弱膠結(jié)軟巖。為保障工程安全性能，軟巖隧道施工已成為地下工程與隧道研究領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。軟巖隧道開(kāi)挖后，支護(hù)系統(tǒng)不僅承受松脫巖石自重，更主要承受圍巖隨時(shí)間增長(zhǎng)而增大的變形壓力，巖體性質(zhì)、原巖應(yīng)力與支護(hù)剛度是影響隧道洞口變形的主要因素。六盤山隧道k14+165～k15+710段圍巖節(jié)理、層理發(fā)育，整體性較差，爆破后滑坍、掉塊嚴(yán)重。洞內(nèi)初期支護(hù)局部開(kāi)裂，順層坍塌，節(jié)理發(fā)育，軟巖變形等地質(zhì)特征均在六盤山隧道施工中出現(xiàn)。左線初期支護(hù)拱架曾發(fā)生嚴(yán)重變形，隧道凈空收斂變形值累計(jì)達(dá)250 mm，嚴(yán)重危害了隧道施工安全，影響施工進(jìn)度，給工程順利完工產(chǎn)生了極大阻礙。為此，本課題組展開(kāi)弱膠結(jié)軟巖隧道大變形治理與支護(hù)對(duì)策研究，以期為避免工程事故，提高施工效率做出一份工程實(shí)際貢獻(xiàn)。

1 六盤山隧道洞口段大變形情況

六盤山隧道穿越圍巖分別為Ⅴ、Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)，圍巖膠結(jié)程度差，主要為粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，多軟弱泥質(zhì)夾層帶，少量白色云母夾層，強(qiáng)度極低。部分泥巖呈薄層狀，產(chǎn)狀扭曲，擠壓現(xiàn)象明顯，巖體破碎，強(qiáng)度較低，遇水膨脹、軟化；順層發(fā)育，有光滑順層面，部分段落巖層間多夾軟泥質(zhì)夾層，節(jié)理、層理發(fā)育，圍巖整體性較差，爆破后滑坍、掉塊嚴(yán)重。洞內(nèi)初期支護(hù)局部開(kāi)裂，順層坍塌，節(jié)理發(fā)育，軟巖變形等地質(zhì)特征均在六盤山隧道施工中出現(xiàn)。

其中六盤山隧道出口k14+165～k15+710段圍巖等級(jí)為V級(jí)，圍巖主要為中～強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、砂礫巖；洞口15 m為明洞開(kāi)挖，圍巖主要是黃土，下伏強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖。洞口施工中發(fā)生了大變形、塌方災(zāi)害，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度(見(jiàn)圖1)。

圖1 六盤山隧道洞口變形情況

六盤山隧道左線ZK15+477.4～ZK15+422.4段初期支護(hù)拱架發(fā)生嚴(yán)重變形，隧道凈空收斂變形值累計(jì)達(dá)250 mm，最后通過(guò)對(duì)該段上臺(tái)階施作臨時(shí)仰拱封閉，補(bǔ)強(qiáng)鎖腳及臨時(shí)橫撐后變形得到控制，該段前后二襯襯砌完成且強(qiáng)度達(dá)到100%后，進(jìn)行了換拱處理，共耗時(shí)20 d，影響了工程進(jìn)度。

為了研究六盤山隧道弱膠結(jié)軟巖大變形演化特征，課題組開(kāi)展了弱膠結(jié)軟巖大尺度三維模型試驗(yàn)和數(shù)值仿真研究，為軟巖隧道大變形支護(hù)對(duì)策提供了理論基礎(chǔ)。

1.1 弱膠結(jié)軟巖隧道大變形破壞的主要特點(diǎn)

① 隧道呈現(xiàn)蠕變?nèi)A段變形規(guī)律，具有明顯的時(shí)間效應(yīng)，初期變形來(lái)壓塊，變形量大，穩(wěn)定性差，易發(fā)生巖塊兒冒落導(dǎo)致隧道破壞。

② 隧道環(huán)向受壓破壞，隧道開(kāi)挖后頂板變形，且底板產(chǎn)生強(qiáng)烈底鼓現(xiàn)象，如不對(duì)底板進(jìn)行控制，往往導(dǎo)致底鼓現(xiàn)象并導(dǎo)致兩幫破壞，頂部塌落。

③ 深度增加導(dǎo)致隧道變形增加，不同地質(zhì)隧道都會(huì)存在臨界軟化深度，超過(guò)臨界軟化深度，支護(hù)難度明顯增大，且隧道在不同應(yīng)力作用下存在明顯方向性。

④ 軟巖膨脹收縮變形破壞，由軟巖的吸水與失水導(dǎo)致。

1.2 影響隧道軟弱圍巖與支護(hù)變形的主要因素

① 巖性因素： 不同地質(zhì)條件下巖石本身強(qiáng)度、膠結(jié)度等是影響隧道變形的內(nèi)在因素。

② 工程應(yīng)力： 工程應(yīng)力是造成圍巖變形外部因素，施工擾動(dòng)應(yīng)力、構(gòu)造殘余應(yīng)力、以及鄰近隧道施工應(yīng)力，都會(huì)導(dǎo)致圍巖隧道產(chǎn)生變形。

③ 水的影響： 隧道水、工程水造成黏土質(zhì)巖膨脹，同時(shí)也降低了巖石強(qiáng)度，水對(duì)隧道變形的影響是巨大且至關(guān)重要的。

④ 時(shí)間因素： 隧道變形隨時(shí)間變化而變化，流變是軟巖特性之一。

2 弱膠結(jié)軟巖隧道施工三維數(shù)值仿真

2.1 計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)

以六盤水隧道為背景，對(duì)弱膠結(jié)軟巖大變形段進(jìn)行施工力學(xué)計(jì)算模型行為分析，通過(guò)設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)對(duì)隧道進(jìn)行三維數(shù)值模擬，以研究大變形規(guī)律與施工力學(xué)性能。

取隧道5倍洞徑范圍作為有限元力學(xué)分析對(duì)象，考慮對(duì)稱性，再取隧道一半進(jìn)行三維數(shù)值模擬，針對(duì)研究范圍，共劃分了65700個(gè)八節(jié)點(diǎn)六面體網(wǎng)格單元(見(jiàn)圖2)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，取側(cè)壓系數(shù)為0.75，四個(gè)側(cè)面與低面為加法向位移約束，頂面為自由面，網(wǎng)格剖分情況如圖3所示。

圖2 模型網(wǎng)格剖分

Figure 2 Model mesh generation

圖3 初期支護(hù)模型

Figure 3 Initial support model

考慮模型的蠕變特性，采用FLAC中的Cvisc模型進(jìn)行了蠕變計(jì)算，不考慮馬克斯韋爾黏滯系數(shù)，將Cvisc模型退化為廣義開(kāi)爾文體黏彈塑性模型，巖體及支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)表見(jiàn)表1～表3。

上、下臺(tái)階加落底施工，上、下臺(tái)階長(zhǎng)度均為5 m，仿真未考慮二次襯砌的施作，目的是為通過(guò)常規(guī)支護(hù)手段來(lái)尋找施工力學(xué)規(guī)律，為修正支護(hù)參數(shù)提供依據(jù)(見(jiàn)圖4)。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)表Table1 Physicalandmechanicalparametersofrockmass巖性彈性模量/GPa密度/(kg·m-3)泊松比黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)抗拉強(qiáng)度/MPa工程巖石202300037113910層理面083001

表2 蠕變參數(shù)表Table2 Creepparameters類型G1/GPaG2/GPaη/(GPa-h)工程巖石024207821057

表3 支護(hù)材料物理力學(xué)參數(shù)Table3 Physicalandmechanicalparametersofsupportmaterials材料彈性模量/GPa泊松比密度/(kg·m-3)錨桿210030混凝土250252500鋼拱架2100307830

圖4 開(kāi)挖工序示意圖Figure 4 Schematic diagram of excavation process

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

隧道開(kāi)挖過(guò)程中，將開(kāi)挖部分圍巖承擔(dān)荷載轉(zhuǎn)移到洞口周圍未開(kāi)挖部分，若隧道開(kāi)挖面應(yīng)力超過(guò)圍巖強(qiáng)度，隧道處于不穩(wěn)定狀態(tài)，易坍塌。模型采取從兩端開(kāi)挖，首先進(jìn)行上、下臺(tái)階加落底開(kāi)挖方式開(kāi)挖0～25 m，進(jìn)行錨桿支護(hù)，然后繼續(xù)進(jìn)行25～50 m開(kāi)挖，只噴不錨，其次進(jìn)行100～75 m段開(kāi)挖，進(jìn)行錨桿支護(hù)，最后進(jìn)行75～50 m段開(kāi)挖。根據(jù)模擬隧道變形規(guī)律，分析弱膠結(jié)軟巖隧道施工力學(xué)狀態(tài)。

弱膠結(jié)軟巖隧道施工過(guò)程中，掌子面前方一定范圍內(nèi)產(chǎn)生拱頂沉降，被稱為“先行位移”，對(duì)先行位移變化規(guī)律進(jìn)行研究，圖5分別為掌子面先行位移變化曲線。

由圖5(a)、圖5(b)可知: 受施工擾動(dòng)以及開(kāi)挖荷載等諸多因素影響，掌子面前方拱頂發(fā)生沉降，前方1倍洞徑范圍內(nèi)沉降明顯，1—3倍洞徑范圍沉降較小，3倍洞徑范圍外沉降值趨于穩(wěn)定，掌子面處拱頂沉降約為最終沉降值的35%。圖5(c)、圖5(d)為隧道從另一端開(kāi)挖掌子面的先行位移變化曲線，(c)圖由于0～50 m段開(kāi)挖已經(jīng)產(chǎn)生了拱頂沉降，因此出現(xiàn)圖5(c)想象，圖6為開(kāi)挖過(guò)程豎向位移變化云圖所表示的位移變化情況。

圖7為隧道表面位移隨時(shí)間變化曲線。

由圖7可知: 開(kāi)挖后50 d內(nèi)，隧道拱頂沉降變化速率較大，50 d后，拱頂沉降趨于穩(wěn)定，基本不再變化，沉降值為355.09 mm；水平收斂值在50 d內(nèi)達(dá)到267.73 mm，在60 d后基本趨于穩(wěn)定，由流變引起的圍巖變形占隧道開(kāi)挖初期變形的25%左右，在實(shí)際工程中，這個(gè)變形是不容忽視的。

圖5 掌子面前方先行位移變化規(guī)律Figure 5 Displacement of tunnel

(a) 上臺(tái)階掌子面開(kāi)挖到Z=20 m

(b)上臺(tái)階掌子面開(kāi)挖到Z=40 m

(c)上臺(tái)階掌子面開(kāi)挖到

(d)上臺(tái)階掌子面開(kāi)挖到圖6 開(kāi)挖過(guò)程豎向位移變化云圖

Figure 6 Variation of vertical displacement of excavation process

圖7 隧道表面位移 — 時(shí)間曲線Figure 7 Displacement time curve of tunnel surface

3 “鋼格柵+鋼拱架”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

當(dāng)前技術(shù)條件下，應(yīng)用于隧道施工的主流方法為新奧法，噴錨支護(hù)是主要初期支護(hù)形式。如若遇到工程地質(zhì)條件較差，一般通過(guò)鋼架增強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度，常用鋼架結(jié)構(gòu)主要有型鋼與鋼格柵兩種，二者在支護(hù)效果上存在顯著差別。

型鋼拱架是由工字鋼彎曲而成，剛度大切具備一定的變形能力。適用于大山巖變形，在較大的壓力下依然具備支撐能力，進(jìn)而避免塌方。型鋼拱架支撐剛度大，適用于變形較大、圍巖較破碎的隧道洞口。然而由于熱膨脹系數(shù)不同，易再型鋼拱架周圍產(chǎn)生裂縫，并且型鋼拱架很難與噴射混凝土粘接在一起，影響了支護(hù)后期強(qiáng)度。

與型鋼拱架相反，鋼格柵剛度較小雖不能提供早期支護(hù)強(qiáng)度，然而鋼格柵可與噴射混凝土形成整體結(jié)構(gòu)，且不易產(chǎn)生收縮裂縫，可保障結(jié)構(gòu)充實(shí)性與支護(hù)后期強(qiáng)度。

3.1 聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的提出

軟巖隧道開(kāi)挖后圍巖變形較大，需要安裝型鋼拱架作為初期支護(hù)；當(dāng)變形過(guò)大，往往導(dǎo)致初期支護(hù)開(kāi)裂、圍巖荷載超過(guò)型鋼的承載能力，從而出現(xiàn)塌方等地質(zhì)災(zāi)害。因此，綜合考慮后，在六盤山隧道施工過(guò)程中采用了條帶式“鋼格柵+鋼拱架”的新型聯(lián)合方式(見(jiàn)圖8)。當(dāng)存在變形時(shí)，既發(fā)揮了格柵拱架的柔性支護(hù)特性也發(fā)揮了型鋼拱架的剛性特性。

圖8 “鋼拱架+鋼格柵”聯(lián)合支護(hù)圖

3.2 收斂-約束法分析六盤山隧道聯(lián)合支護(hù)

利用基于軟巖的收斂-約束法繪制圍巖與支護(hù)特征曲線，分析六盤山隧道聯(lián)合支護(hù)機(jī)理，分析拱架分別為型鋼、格柵及型鋼與格柵聯(lián)合3種工況下的支護(hù)性能，選取隧道開(kāi)挖當(dāng)量半徑R0=6 m。六盤山隧道初期支護(hù)參數(shù)如表4所示。

① 隧道初始位移確定。

表4 六盤山隧道參數(shù)Table4 Sixpanshantunnelparameters圍巖噴射混凝土型鋼拱架P0/MPaE/MPac1/MPaφ1/(°)c2/MPaφ2/(°)μEc/MPaμct/mmEs/MPaAs/mm2d/mmhs/mm格柵As/mm21612000152202902528×10402525021e5395060020015205

六盤山隧道的初始位移通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和Hoek 經(jīng)驗(yàn)方法計(jì)算得到， 即

(1)

② 噴射混凝土支護(hù)特征。

將表4中的噴混參數(shù)代入得噴射混凝土支護(hù)特征曲線方程：

pi=0.211(ui-100)pi<1.02

(2)

噴混支護(hù)特征曲線見(jiàn)圖9。

③ 復(fù)合式支護(hù)特征。

考慮到噴射混凝土硬化，因此認(rèn)為前期支護(hù)由鋼架起作用，噴射混凝土硬化后其發(fā)揮主要支護(hù)作用。綜合分析上述因素以及公式(1)、公式(2)得3種工況下的復(fù)合式支護(hù)特征曲線方程。

圖9 六盤山隧道噴射混凝土支護(hù)特征曲線Figure 9 Characteristic curve of shotcrete support in tunnel

工況一：

(3)

工況二：

(4)

工況三：

(5)

3種工況下，復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)特征曲線見(jiàn)圖10。

圖10 復(fù)合式支護(hù)特征曲線Figure 10 Composite support characteristic curve

3.3 支護(hù)適應(yīng)性分析

根據(jù)上述理論，選取六盤山隧道一個(gè)斷面，繪制了其圍巖特征曲線與3種工況下的支護(hù)特征曲線，如圖11所示。由圖可知： 3種工況下的支護(hù)結(jié)構(gòu)所能提供的最大支護(hù)反力都大于圍巖與支護(hù)特征曲線的平衡點(diǎn)應(yīng)力值(約為300 kPa)。分析三個(gè)支護(hù)特征曲線與圍巖的平衡點(diǎn)可知：型鋼拱架提供的支護(hù)反力最大，格柵拱架提供的支護(hù)反力最小，“兩榀型鋼+一榀格柵”提供的支護(hù)反力與型鋼拱架提供的支護(hù)反力相差不大；達(dá)到平衡時(shí)，型鋼拱架支護(hù)產(chǎn)生的位移最小，格柵拱架支護(hù)產(chǎn)生的位移最大，與實(shí)際監(jiān)測(cè)相符；另外，型鋼拱架支護(hù)和“兩榀型鋼+一榀格柵”提供的初期支護(hù)強(qiáng)度較大，而格柵拱架提供的初期支護(hù)強(qiáng)度較小，格柵拱架的支護(hù)特征曲線小于平衡點(diǎn)，這與前人研究相符。

綜上，“兩榀型鋼+一榀格柵”聯(lián)合支護(hù)方式在最終支護(hù)強(qiáng)度和最終約束圍巖位移方面滿足適應(yīng)性要求。同時(shí)考慮到圍巖的大變形，因此在初期支護(hù)中發(fā)揮格柵拱架的柔性作用完全可行。

圖11 六盤山隧道圍巖與支護(hù)特征曲線Figure 11 Characteristic curve of surrounding rock and support of tunnel

4 結(jié)論

本文首先分析了六盤山弱膠結(jié)軟巖隧道大變形破壞的主要特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)地巖體參數(shù)建立了弱膠結(jié)軟巖隧道施工三維數(shù)值仿真模型，通過(guò)模型計(jì)得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

① 通過(guò)模型得到了開(kāi)挖過(guò)程中洞口位移變化規(guī)律，受施工擾動(dòng)以及開(kāi)挖荷載等諸多因素影響，掌子面前方拱頂發(fā)生沉降，前方1倍洞徑范圍內(nèi)沉降明顯，1～3倍洞徑范圍沉降較小，3倍洞徑范圍外沉降值趨于穩(wěn)定，掌子面處拱頂沉降約為最終沉降值的35%。

② 隧道開(kāi)挖后50 d內(nèi)，隧道拱頂沉降變化速率較大，50 d后，拱頂沉降趨于穩(wěn)定，基本不再變化，沉降值為355.09 mm；水平收斂值在50 d內(nèi)達(dá)到267.73 mm，在60 d后基本趨于穩(wěn)定，由流變引起的圍巖變形占隧道開(kāi)挖初期變形的25%左右，在實(shí)際工程中，這個(gè)變形是不容忽視的。

③ 提出了“兩榀型鋼+一榀格柵”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，“兩榀型鋼+一榀格柵”提供的支護(hù)反力與型鋼拱架提供的支護(hù)反力相差不大；同時(shí)考慮到圍巖的大變形，“兩榀型鋼+一榀格柵”可在支護(hù)初期發(fā)揮格柵拱架的柔性作用。

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Study on Treatment and Support Measures for Large Deformation of Soft Rock Tunnel with Weak Cementation

GAO Fazheng

(The Fifth Project Co,Ltd of China Railway Bureau 14 Group Jining， Shandong 272117， China)

study on the six panshan tunnel k14+165～k15+710 section of large deformation, large deformation of weak cementation soft rock analysis; analysis of mechanical behaviors of the construction process and the three-dimensional numerical simulation of the weakly cemented soft rock tunnel construction, the changes of displacement in the excavation process of tunnel excavation, 50 days later, vault settlement tends to be stable. The settlement value is 355.09 mm, stable; put forward the “two pin type steel + a grille” combined support technology, in the final support strength and the ultimate constraint of surrounding rock displacement meets the six panshan tunnel support adaptability.

weakly cemented soft rock； tunnel construction ； “two pieces of steel+a grid” combined support technology

2016 — 10 — 10

高海拔寒冷地區(qū)軟巖長(zhǎng)大隧道安全環(huán)保施工關(guān)鍵技術(shù)(14-C10)

高發(fā)征(1968-),男,山東沂水人,高級(jí)工程師,從事隧道工程建設(shè)與管理工作。

U 457+.5

A

1674 — 0610(2016)06 — 0135 — 06