趙 軍，王金鑫，曾志全，邱士利

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院華東建設(shè)工程有限公司，浙江 杭州 310014; 3.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，湖北 武漢 430071；4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，北京 100049)

圍巖穩(wěn)定性問題是淺埋隧洞工程中最為突出的工程地質(zhì)問題，比如拱頂塌落、邊墻擠入、突發(fā)巖爆、支護(hù)斷裂、底板隆起和圍巖開裂等[1]。巖體歷經(jīng)無(wú)數(shù)次地質(zhì)構(gòu)造作用，巖體中生成了錯(cuò)綜復(fù)雜的結(jié)構(gòu)面[2]。這些地質(zhì)問題直接導(dǎo)致巖體成為劣質(zhì)巖，劣質(zhì)巖的最顯著特征是在工程環(huán)境中具有顯著的“劣化”特性，是與工程災(zāi)害和事故密切關(guān)聯(lián)的“問題巖體”[3]。劣質(zhì)巖既涉及到巖石自身的材料性質(zhì)、結(jié)構(gòu)組成又涉及到外界環(huán)境改變的控制作用，因而劣質(zhì)巖的工程問題具有極其的復(fù)雜性[4]。目前，國(guó)內(nèi)外專家及學(xué)者針對(duì)隧道劣質(zhì)圍巖的變形機(jī)理[5-9]及圍巖支護(hù)技術(shù)和作用效果[10-11]等做了大量研究。

盡管大量學(xué)者們針對(duì)不同類型的劣質(zhì)巖已開展了特性總結(jié)工作，但目前對(duì)劣質(zhì)巖的認(rèn)知上還停留在工程行為的定性總結(jié)階段，對(duì)劣質(zhì)圍巖條件下隧洞巖體力學(xué)參數(shù)估計(jì)、圍巖力學(xué)行為與支護(hù)結(jié)構(gòu)間相互作用機(jī)制和數(shù)值模擬[12-14]等方面研究仍十分欠缺。鑒于此，本文通過(guò)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)合的方法探究劣質(zhì)巖在淺埋隧洞中的圍巖穩(wěn)定性問題。

1 工程背景與工程問題

鄂北地區(qū)水資源配置工程是湖北省委省政府規(guī)劃實(shí)施的從根本上解決鄂北地區(qū)干旱缺水問題的重大戰(zhàn)略民生工程。唐縣-尚市隧洞全長(zhǎng)16.55km，埋深淺(約20～65m)，斷面大(最大開挖直徑7.8m)，穿越地層復(fù)雜，圍巖條件差(其中Ⅴ類圍巖14.7km，占89%)，圍巖穩(wěn)定性差且大都是劣質(zhì)巖，施工難度大。隧洞沿線穿越復(fù)雜的軟弱破碎巖層，圍巖完整性差，無(wú)自穩(wěn)能力。隧洞施工與地表耦聯(lián)性強(qiáng)大，斷面隧洞開挖存在頂拱沉降過(guò)大、施工爆破振動(dòng)控制不當(dāng)?shù)葐栴}，均對(duì)上部建筑物安全和人民生活帶來(lái)極大負(fù)面影響。

2 劣質(zhì)巖體力學(xué)參數(shù)估計(jì)方法

在巖土工程穩(wěn)定性研究中，工程巖體力學(xué)參數(shù)的研究及確定是關(guān)鍵問題之一[15]，參數(shù)選擇的正確與否對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性起著至關(guān)重要的作用[16]。在目前的圍巖分級(jí)系統(tǒng)中，只有GSI圍巖分級(jí)系統(tǒng)是直接與巖體參數(shù)相聯(lián)系的。而通過(guò)定量的圍巖分級(jí)系統(tǒng)，可以減少對(duì)工程經(jīng)驗(yàn)的依賴，且方便易行[17]。

2.1 GSI分類與Hoek-Brown準(zhǔn)則

GSI圍巖分級(jí)系統(tǒng)是在多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，目的是為了修正 Hoek-Brown巖體破壞準(zhǔn)則，估算巖體的Hoek-Brown準(zhǔn)則參數(shù)s、α和mb，修正不同地質(zhì)條件下巖體的強(qiáng)度。Hoek和Brown基于Griffith的脆性斷裂理論，通過(guò)對(duì)大量巖石三軸試驗(yàn)資料和巖體現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果的統(tǒng)計(jì)分析，得出了巖塊和巖體破壞時(shí)極限主應(yīng)力之間的關(guān)系式，即為Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則[18]。Hoek-Brown巖體破壞準(zhǔn)則的表達(dá)式如式(1)所示

(1)

σci/|σt|=0.81mi+7

(2)

mb=miexp[(GSI-100)/(28-14F)]

(3)

s=exp[(GSI-100)/(9-3F)]

(4)

a=1/2+1/6(e-GSI/15-e-20/3)

(5)

2.2 巖石抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)

由于鉆取的巖芯較少，在加工巖樣時(shí)，加工為直徑37.5mm，高度為75mm的圓柱體試樣和少量直徑50mm，高度為100mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，開展力學(xué)試驗(yàn)研究。因此，在評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)試樣的抗壓強(qiáng)度時(shí)，需考慮巖石強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)，將非標(biāo)準(zhǔn)試樣獲得的抗壓強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)試樣的抗壓強(qiáng)度。在此，采用了文獻(xiàn)[19]提出的巖石尺寸效應(yīng)對(duì)抗壓強(qiáng)度影響的方法，如公式(6)所示

(6)

式中：σc50為50mm×100mm的圓柱體試樣單軸抗壓強(qiáng)度；D為實(shí)際圓柱體試樣的直徑；σc為巖石實(shí)際尺寸的單軸抗壓強(qiáng)度。

2.3 巖體的彈性模量估計(jì)

巖體的彈性模量采用Hoek和Diederichs提出的巖體模量經(jīng)驗(yàn)估計(jì)法[20]，如式(7)所示

(7)

式中：F為爆破擾動(dòng)系數(shù)，Ei為試驗(yàn)測(cè)得的楊氏模量，Erm為變形模量。

3 綠泥石片巖力學(xué)參數(shù)估計(jì)

3.1 巖石力學(xué)試驗(yàn)分析

為了獲得巖石的各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)，開展了單軸、三軸抗壓和巴西劈裂試驗(yàn)。本次試驗(yàn)的單軸和三軸均在MTS815.04巖石三軸試驗(yàn)機(jī)下進(jìn)行，巴西劈裂試驗(yàn)在RMT-150C多功能巖石試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。單軸、三軸加載試驗(yàn)采用位移控制，軸壓加載位移速率為2×10-4mm/s。

為了獲得巖樣的抗拉強(qiáng)度，在RMT-150C多功能巖石試驗(yàn)機(jī)上做了巴西劈裂實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)采用位移控制，軸壓加載位移速率為2×10-3mm/s。

常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)設(shè)定了4個(gè)圍壓水平：0、1、2.5、5MPa。得到單軸、三軸抗壓強(qiáng)度與Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則線性擬合確定巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度約為15MPa左右。圖1為綠泥石片巖在不同圍壓下單軸、三軸壓縮全過(guò)程曲線(曲線上的數(shù)字為圍壓)。

圖1 綠泥石片巖不同圍壓下單軸、三軸壓縮全過(guò)程曲線

巴西劈裂抗拉強(qiáng)度轉(zhuǎn)換公式如式(8)所示

(8)

記錄下巴西劈裂試驗(yàn)得到綠泥石片巖的最大垂直力為1.7、1.9、2.1、2.2、2.5kN運(yùn)用式(8)可以得到它們的抗拉強(qiáng)度為0.86、0.97、1.07、1.12、1.27MPa，平均抗拉強(qiáng)度為1.06MPa。約為其單軸抗壓強(qiáng)度的1/15。根據(jù)單軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得綠泥石片巖力學(xué)參數(shù)匯總?cè)绫?1所示。

表1 綠泥石片巖力學(xué)參數(shù)匯總

3.2 GSI指標(biāo)估計(jì)

根據(jù)實(shí)際揭露圍巖條件可初步推斷，包括圍巖片理在內(nèi)，存在3組以上結(jié)構(gòu)面切割巖體，且結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育，強(qiáng)風(fēng)化到全風(fēng)化，結(jié)構(gòu)面表層物質(zhì)改變較大，巖體結(jié)構(gòu)較為破碎。因此，可初步估計(jì)圍巖GSI指標(biāo)介于10～40之間，為了簡(jiǎn)化分析，這里取中間值GSI為25。

3.3 強(qiáng)風(fēng)化綠泥石片巖力學(xué)參數(shù)估計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)所得的三軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用Hoek-Brown方法估計(jì)巖體力學(xué)參數(shù)時(shí)，在不考慮爆破損傷的前提下，即取D為0，根據(jù)公式(2)、(3)、(4)、(5)求出Ⅴ類圍巖類別下Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則參數(shù)，mb為0.678，s為0.000 2，a為0.531。巖體強(qiáng)度通常用線性Mohr-Coulomb準(zhǔn)則表示[21]。這里采用RocData軟件獲得等效Mohr-Coulomb參數(shù)，Ⅴ類圍巖的粘聚力為0.175MPa，內(nèi)摩擦角為35.39°。變形模量用公式(6)計(jì)算為0.918 4GPa。

從力學(xué)性能上來(lái)看，對(duì)于真實(shí)揭露的V類圍巖而言，其彈性模量較小，彈性變形大；粘聚力、內(nèi)摩擦角小，實(shí)際工程中可能會(huì)遇到很大的圍巖收斂變形和破壞程度。

4 圍巖穩(wěn)定性分析與支護(hù)設(shè)計(jì)

4.1 隧洞模型建立

本次分析采用表3中Ⅴ類圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)方案。目的是獲得實(shí)際揭露的最差圍巖條件下，研究該支護(hù)方案對(duì)隧洞圍巖穩(wěn)定性的控制作用，并評(píng)估支護(hù)參數(shù)能否滿足圍巖穩(wěn)定性控制需求以及揭示不同支護(hù)單元在強(qiáng)風(fēng)化綠泥石片巖條件下的受力狀態(tài)與圍巖相互作用行為。

表2 V類圍巖設(shè)計(jì)方案

采用有限元差分軟件FLAC3D進(jìn)行分析計(jì)算，錨桿采用Cable單元模擬，初期噴砼+掛網(wǎng)采用Shell單元模擬型鋼拱架，采用Beam單元模擬，鋼筋混凝土襯砌采用實(shí)體單元模擬。

模型兩側(cè)的邊界條件(X=0m，X=120m)為限定水平移動(dòng)的滑動(dòng)支撐、前方邊界(Y=30m)為位移約束邊界，約束水平方向的位移；模型底面(Z=0m)也為位移約束邊界，僅約束垂直方向的位移；模型上部為自由邊界。

4.2 圍巖穩(wěn)定性分析結(jié)果

1)圍巖垂直位移分布情況。在V類圍巖支護(hù)條件下，隧洞開挖支護(hù)后圍巖垂直位移的分布規(guī)律如圖2所示。

圖2 V類圍巖支護(hù)方案下開挖后垂直位移分布規(guī)律

圖2可見V類圍巖的掌子面效應(yīng)顯著，在掌子面后1.5～2倍洞徑洞段圍巖變形場(chǎng)趨于穩(wěn)定。變形的總體特征是，隧洞頂拱產(chǎn)生下沉位移，而底板由于未進(jìn)行支護(hù)，底板倒拱出現(xiàn)向上抬升的位移，即表現(xiàn)為“頂拱下沉，底拱隆起”。

2)圍巖損傷區(qū)分布情況。圍巖損傷區(qū)是評(píng)價(jià)圍巖開挖后穩(wěn)定性的重要參數(shù)。在V類圍巖設(shè)計(jì)方案下，且開挖緊跟及時(shí)支護(hù)的條件下，開挖損傷區(qū)的分布規(guī)律如圖3所示。

圖3 V類圍巖支護(hù)方案下洞周開挖損傷區(qū)分布規(guī)律(最大深度1.5m，圖中黃色線段位置)

從圖3可見，在V類圍巖支護(hù)方案條件下開挖損傷區(qū)分布在拱肩兩側(cè)及底部，最大深度出現(xiàn)在斷面的拱腰以下部位，損傷區(qū)深度可達(dá)1.5m左右。頂拱未出現(xiàn)顯著的損傷區(qū)，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)增加了荷載作用是較為有利。

4.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

1)鋼拱架的受力分布規(guī)律。在V類圍巖設(shè)計(jì)方案下，I18型鋼拱架的受力分布規(guī)律如圖4所示。

(a)剪力分布

(b)彎矩分布圖4 V類圍巖支護(hù)方案下型鋼拱架剪力和彎矩分布

由圖4可知，最大剪力部分發(fā)生在腰線和拱腳部位，這是荷載由鋼拱架傳遞的結(jié)果，同時(shí)彎矩較大的部位與剪力的分布有類似之處。鋼拱架有效承擔(dān)了來(lái)自上部巖體的荷載。

2)噴砼層的受力分布規(guī)律。在V類圍巖設(shè)計(jì)方案下，噴砼層的受力分布規(guī)律如圖5所示。

圖5 V類圍巖支護(hù)方案下噴砼內(nèi)最大主應(yīng)力分布規(guī)律

由圖5可知，在V類圍巖設(shè)計(jì)方案下，噴砼層的整體受力較小，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳附近，這對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性是十分有利的，平均壓應(yīng)力為27MPa左右，但拱腳最底部外側(cè)噴層受力過(guò)大，形成壓力集中。整體來(lái)說(shuō)，受力較均勻，支護(hù)效果良好。

3)錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)中桿體軸向受力分布規(guī)律。在V類圍巖設(shè)計(jì)方案下，錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)中桿體軸向受力分布規(guī)律如圖6所示。

(a)軸向應(yīng)力分布

(b)軸力分布圖6 V類圍巖支護(hù)方案下錨桿軸向受力狀態(tài)

由圖6可知給出了錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)中桿體軸向受力狀態(tài)，最大軸向拉應(yīng)力為28MPa，最大軸向拉力為44.05kN，且大部分錨桿軸力集中在錨桿靠近隧洞開挖面近區(qū)，端部則表現(xiàn)出受壓狀態(tài)。特別的，在拱腳局部位置縱向沿線上的錨桿承受最大拉力。受掌子面效應(yīng)的影響，遠(yuǎn)離掌子面錨桿軸力越顯著。

5 結(jié)論與討論

(1)對(duì)于工程區(qū)劣質(zhì)綠泥石片巖采用鋼拱架與噴錨支護(hù)聯(lián)合控制支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠有效抑制頂拱沉降和底拱上鼓等變形行為。

(2)圍巖力學(xué)參數(shù)控制著開挖損傷區(qū)的分析規(guī)律，同時(shí)也控制了支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。

(3)足夠剛性的鋼拱架支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠有效將上覆荷載傳遞至拱架立柱，進(jìn)而傳遞至隧洞底板巖體中。

(4)錨桿受力狀態(tài)受圍巖力學(xué)參數(shù)的影響成非均勻分布狀態(tài)，拉應(yīng)力集中在開挖面附近，充分發(fā)揮了錨桿的作用。

本工程采用的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的分析方法，旨在分析在該圍巖設(shè)計(jì)方案下的支護(hù)效果，但圍巖巖體結(jié)構(gòu)局部較為破碎，這與正確揭示開挖過(guò)程與支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖力學(xué)響應(yīng)和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的控制作用還是有一定的出入。對(duì)于工程區(qū)綠泥石片巖，探究在Ⅴ類圍巖設(shè)計(jì)方案下的支護(hù)力學(xué)行為，對(duì)有類似軟弱圍巖隧洞開挖支護(hù)工程具有一定的參考價(jià)值。