王永恒

（山西長興路橋工程有限公司，山西 長治 046000）

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，高速公路建設(shè)規(guī)模越來越大，并逐步向地形地貌、水文地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)邁進。因此，高速公路隧道穿越軟弱破碎帶、斷裂帶、富水地層等軟巖情況越來越多。由于軟巖隧道在施工過程中對圍巖產(chǎn)生擾動，使得圍巖呈現(xiàn)破碎狀態(tài)，進而產(chǎn)生支護結(jié)構(gòu)開裂、滲漏水、掉塊、塌方、冒頂、底板隆起等施工地質(zhì)災(zāi)害，且其通常呈現(xiàn)持續(xù)時間長、發(fā)展速度較快、累計變形較大的狀態(tài)，嚴重威脅施工人員及機械的安全，并導(dǎo)致工期滯后，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟損失。

目前，軟巖隧道的病害機理及工程防治措施是隧道工程界的一大研究熱點問題，國內(nèi)外學(xué)者們針對該問題開展了大量深入的研究工作，取得了一系列的研究成果。魏星[1]等人針對軟巖隧道突泥涌水病害，利用室內(nèi)模型試驗深入研究了隧道病害的影響因素及破壞規(guī)律，為軟巖隧道的施工提供了技術(shù)支撐；鄒[2]等人依托高地應(yīng)力軟巖隧道的工程案例，通過現(xiàn)場試驗手段對比分析了超前導(dǎo)洞法和三臺階法施工條件下的圍巖變形規(guī)律；任建喜[3]依托馬鞍子梁軟巖隧道，利用數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測手段對臺階法施工條件下圍巖變形情況進行研究，并提出了相應(yīng)的支護措施；周藝[4]等人依托某破碎軟巖隧道的工程案例，通過深入研究隧道的工程特點及圍巖位移規(guī)律，提出了軟巖隧道圍巖位移控制基準。然而，隧道工程具有獨特性，尤其是各軟巖隧道面臨不同的地質(zhì)條件，其變形機理及力學(xué)特性并不相同。鑒于此，本文依托某高速公路軟巖隧道，總結(jié)分析其工程地質(zhì)災(zāi)害，利用室內(nèi)試驗研究其圍巖物理性質(zhì)，并利用數(shù)值模擬手段分析其力學(xué)特性，從而全面揭示其地質(zhì)災(zāi)害形成機理，為類似工程提供理論指導(dǎo)。

1 工程概況

某隧道為一座分離式雙向四車道高速公路特長隧道，其走向為東西向，隧道起訖樁號左線ZK9+390—ZK12+880，長 3490 m；右線 K9+360—K12+830，長3470 m。隧道最大埋深為150 m。隧址區(qū)位于深切溝谷斜坡地貌區(qū)，隧道與山脈走向基本呈正交狀態(tài)，隧址區(qū)內(nèi)山勢陡峭，山坡的坡度一般為38°～43°，地形條件復(fù)雜。在地質(zhì)構(gòu)造方面，隧址區(qū)內(nèi)分布有褶皺及斷裂帶，其褶皺主要為背斜構(gòu)造，其出露地層主要為第四系殘坡積碎石土。隧址區(qū)內(nèi)褶皺及斷裂帶導(dǎo)致隧道圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體極為破碎。隧址區(qū)內(nèi)圍巖主要為強風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，其中強風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖呈紫紅色，中厚層狀構(gòu)造，呈半巖半土狀態(tài)，巖層結(jié)構(gòu)極為疏松；而弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖局部夾有泥灰?guī)r，呈灰綠色，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，局部有溶蝕現(xiàn)象。隧址區(qū)內(nèi)地下水主要類型有松散層類孔隙水和節(jié)理裂隙水，主要受大氣降水入滲補給，由于隧道圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水入滲條件較好，隧道圍巖受地下水影響后強度較差?？梢娫撍淼绹鷰r為典型的富水軟弱圍巖。

該隧道設(shè)計施工均采用新奧法原理，為復(fù)合式襯砌，初期支護采用“鋼拱架+錨桿+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土”的結(jié)構(gòu)型式，在局部地質(zhì)條件較差的隧道段，輔以超前小導(dǎo)管注漿加固措施。二次襯砌為C25模筑鋼筋混凝土。

2 隧道施工地質(zhì)災(zāi)害情況

由于隧址區(qū)內(nèi)松散層類孔隙水、節(jié)理裂隙水較為發(fā)育，且隧道圍巖節(jié)理裂隙較為發(fā)育；因此，該隧道地下水下滲量較大。地下水的下滲嚴重影響圍巖的工程性質(zhì)，導(dǎo)致其在施工過程中出現(xiàn)初期支護結(jié)構(gòu)滲水、掉塊、開裂、大變形、底板隆起等災(zāi)害，嚴重影響施工進度，增加施工成本。初期支護滲水掉塊病害主要發(fā)生在拱肩部位，呈滴漏狀態(tài)，并伴隨有混凝土剝落現(xiàn)象；初期支護結(jié)構(gòu)裂縫主要分布在拱腰部位，其裂縫走向基本平行于隧道軸向，裂縫寬度為1.5～2.5 mm；隧道底板隆起導(dǎo)致其隧道仰拱部位開裂、錯臺，其最大錯臺高度達到20 cm，錯臺長度橫貫整個仰拱部位。該隧道的施工地質(zhì)災(zāi)害具體情況如圖1～圖3所示。

圖1 初期支護拱頂部位滲水掉塊

圖2 初期支護拱肩開裂、大變形

圖3 隧道底板隆起

3 隧道圍巖抗壓性能試驗研究

為全面揭示軟巖隧道地質(zhì)災(zāi)害的形成機理，結(jié)合本項目的實際情況，利用室內(nèi)試驗研究軟巖隧道圍巖在受地下水影響條件下的抗壓性能[5]。單軸抗壓性能是隧道圍巖最主要的力學(xué)特性，其能夠全面反映軟巖隧道圍巖破壞時的基本特性。本文采用電液伺服萬能試驗機、電阻應(yīng)變片、靜態(tài)電阻應(yīng)變儀等儀器設(shè)備進行試驗，其具體情況如圖4、圖5所示。

圖4 電液伺服萬能試驗機

圖5 靜態(tài)電阻應(yīng)變儀

為對比分析不同含水量情況下的軟巖應(yīng)力應(yīng)變情況，本文結(jié)合依托項目，有針對性地進行取樣，經(jīng)測試后其含水量分別為1.0%、2.5%、3.4%；并選取5×30 mm的電阻應(yīng)變片，分別粘貼在試樣中相互垂直的表面，即軸向、橫向應(yīng)變片，其具體情況如圖6所示，所得試驗結(jié)果如圖7所示。

圖6 圍巖單軸抗壓性能試驗

圖7 不同含水量軟巖單軸抗壓強度-應(yīng)變關(guān)系曲線

從圖7中可以看出，不同含水量情況下軟巖應(yīng)力應(yīng)變曲線基本呈現(xiàn)相同的規(guī)律，即在受力的初始階段，隨著應(yīng)力的不斷增加，應(yīng)變緩慢增加，且其斜率逐漸增大，此原因在于軟巖內(nèi)部存在節(jié)理裂隙，在受力后其節(jié)理裂隙逐漸閉合，進而呈現(xiàn)出非線性的變化曲線。隨著軟巖所受應(yīng)力的不斷增加，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線逐步進入直線階段，表明軟巖變形進入彈性變形階段，圍巖抗壓強度隨變形的增加而不斷增加。隨后，圍巖進入裂隙的非穩(wěn)定發(fā)展階段，由于其體積壓縮逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閿U容，抗壓強度增加值與應(yīng)變增加值之比增大，試樣的承載力達到最大值，即圍巖的單軸抗壓強度，其值分別為25.7 MPa、21.8 MPa、20.7 MPa。圍巖所受荷載超過單軸抗壓強度后，其內(nèi)部節(jié)理裂隙逐步發(fā)展為宏觀斷裂，其承載力快速下降，但仍保持一定的承載力，并未完全喪失。

通過上述試驗可知，不同含水量的軟巖隧道圍巖抗壓強度差異較大，含水量1.0%的圍巖抗壓強度為 25.7 MPa，含水量 3.4%的圍巖抗壓強度為20.7 MPa，其降幅為19.5%。可見，該軟巖隧道圍巖在地下水浸泡作用下產(chǎn)生了較為明顯的軟化作用，嚴重影響圍巖的抗壓強度。

4 隧道施工力學(xué)特性研究

4.1 建立數(shù)值模型

為深入分析軟巖隧道在施工過程中的力學(xué)特性，同時揭示軟巖隧道圍巖受地下水影響作用下的變形特性，本文采用大型數(shù)值分析軟件建立模型，并結(jié)合依托項目的實際情況，針對軟巖隧道在初始狀態(tài)及浸水狀態(tài)分別進行模擬。

為準確掌握依托工程圍巖及支護結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)，提高數(shù)值模擬的準確性，本文通過現(xiàn)場取樣，利用動三軸試驗、重度試驗等一系列室內(nèi)試驗手段測取其基本物理力學(xué)參數(shù)，所得結(jié)果見表1。

表1 軟巖隧道圍巖及支護結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

利用上述數(shù)值分析模型，對軟巖隧道初始狀態(tài)及浸水狀態(tài)下的隧道初期支護結(jié)構(gòu)變形、圍巖塑性區(qū)等情況進行模擬，所得結(jié)果如圖8～圖11所示。

圖8 初始狀態(tài)初期支護結(jié)構(gòu)豎向位移（單位：mm）

圖9 浸水狀態(tài)初期支護結(jié)構(gòu)豎向位移（單位：mm）

圖10 初始狀態(tài)圍巖塑性區(qū)

圖11 浸水狀態(tài)圍巖塑性區(qū)

從圖8、圖9中可以看出，軟巖隧道在初始狀態(tài)和浸水狀態(tài)下的初期支護變形規(guī)律基本相同，均表現(xiàn)出拱頂、仰拱部位豎向沉降相對較大。初始狀態(tài)下支護結(jié)構(gòu)豎向位移最大值產(chǎn)生在仰拱處，最大值達到79.5 mm；而在浸水狀態(tài)下，支護結(jié)構(gòu)豎向位移最大值達到了215.0 mm，增加幅度達170%?？梢?，在地下水作用下，軟巖隧道圍巖承載力明顯下降，導(dǎo)致隧道基底承載力不足，仰拱部位產(chǎn)生大變形。

從圖10、圖11中可以看出，軟巖隧道圍巖在初始狀態(tài)和浸水狀態(tài)下的塑性區(qū)分布情況基本相同，隧道仰拱及邊墻部位圍巖塑性區(qū)分布明顯大于其他部位；但浸水狀態(tài)下的圍巖塑性區(qū)范圍分布較初始狀態(tài)的明顯較廣，尤其在仰拱部位，其分布范圍為初始狀態(tài)的2～3倍。此原因在于，地下水下滲后，迅速匯集到軟巖隧道兩側(cè)邊墻及仰拱處，引起該部位的圍巖承載力迅速下降，進而增加了圍巖塑性區(qū)的分布范圍，對隧道的整體穩(wěn)定性極為不利。

5 結(jié)論

本文依托某軟巖隧道為工程實例，總結(jié)分析了其地質(zhì)災(zāi)害的基本特性，并利用室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬手段分析了軟巖隧道圍巖的抗壓強度變化情況及施工力學(xué)特性，從而全面揭示了軟巖隧道地質(zhì)災(zāi)害的形成機理，得出以下幾點結(jié)論：

a）通過圍巖單軸抗壓性能試驗可知，含水量3.4%的圍巖抗壓強度較含水量為1.0%的圍巖抗壓強度降幅為19.5%，地下水對軟巖隧道圍巖產(chǎn)生了明顯的軟化作用，嚴重影響其抗壓強度。

b）浸水狀態(tài)下軟巖隧道初期支護結(jié)構(gòu)豎向位移較初始狀態(tài)下增幅達到170%，可見地下水使得軟巖隧道承載力下降，導(dǎo)致基底承載力不足。

c）浸水狀態(tài)下軟巖隧道圍巖塑性區(qū)明顯大于初始狀態(tài)，尤其在仰拱部位圍巖塑性區(qū)分布范圍為初始狀態(tài)的2～3倍。地下水的下滲導(dǎo)致邊墻及仰拱處圍巖承載力降低，對隧道整體穩(wěn)定性極為不利。