付廷波

(鐵正檢測科技有限公司 山東濟南 250014)

1 引言

隨著交通運輸業(yè)的大力發(fā)展，隧道工程作為道路交通的重要組成部分[1]，正向著長、深、大方向邁進，尤其在地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)修建過程中，常常面臨巨大的挑戰(zhàn)。塌方作為隧道修建過程中常見的隧道工程災(zāi)害，一經(jīng)發(fā)生，往往造成嚴重的工程事故[2]，不但會損毀現(xiàn)場施工設(shè)備，給企業(yè)造成極大損失，還會嚴重威脅作業(yè)人員的生命安全。除此之外，整治塌方嚴重影響施工進度，二次返修更是難以避免帶險作業(yè)[3－4]。能否較為準確地預(yù)判塌方的幾率和塌方的空間位置成為隧道工程界的一大難題。長期以來，專家學(xué)者對此做了大量的研究工作，張清[5]采用關(guān)鍵塊體理論，確定可能滑動塊體在隧道斷面上的具體位置；高謙[6]將塊體理論的可靠度分析理論和系統(tǒng)突變理論相結(jié)合，對圍巖的構(gòu)造控制型失穩(wěn)形式進行有效預(yù)測；劉貴應(yīng)[7]建立了隧道塌方失穩(wěn)的尖點突變模型，并給出塌方與否的判據(jù)；許建聰[8]采用系統(tǒng)工程科學(xué)理論和非線性科學(xué)的灰色尖點突變理論，建立圍巖－初支系統(tǒng)的灰色尖點突變失穩(wěn)預(yù)測模型，對圍巖－初支系統(tǒng)的失穩(wěn)時間進行預(yù)測。

本文依托九綿高速梅家溝隧道，采用FLAC3D數(shù)值模擬的方法對隧道臺階法施工進行數(shù)值計算，分析了不同開挖進尺下，破碎巖層的塑性區(qū)深度和主應(yīng)力場分布，揭示了開挖面的塌方機制；建立隧道開挖過程中的概化模型，考慮了上覆巖體作用和爆破擾動效應(yīng)，基于薄層單元體受力理論，采用理論分析方法建立了隧道塌方判別體系，在此基礎(chǔ)上對塌方的空間位置進行預(yù)測。

2 工程地質(zhì)概況

梅家溝隧道位于四川省綿陽市平武縣境內(nèi)，隧道區(qū)為中山地形。隧道起訖樁號:左線ZK94＋707～ZK98＋680、右線 K94＋650～K98＋703；隧道長度:左線3 973 m、右線4 053 m，設(shè)計為分離式特長隧道。隧道設(shè)計凈空尺寸為10.25×5.00 m，設(shè)計時速80 km，隧道進出口設(shè)計為端墻式。

隧址區(qū)為構(gòu)造剝蝕高中山地貌，山體渾厚，地形起伏較大，海拔高程1 710～2 288.7 m，相對高差約578.7 m，局部成陡崖狀，隧道最大埋深700 m，為穿山隧道。印支期花崗巖:該層分布于整個隧道，由花崗巖組成；花崗巖:灰白色，主要礦物成分為正長石、石英等，粗粒變晶結(jié)構(gòu)，大塊狀構(gòu)造，巖質(zhì)堅硬，裂隙發(fā)育，錘擊聲脆，不易擊碎，RQD＝90%，部分陡坡處可見強卸荷帶。

隧址區(qū)位于北部的文縣弧形構(gòu)造帶、西部的岷江－雪山－虎牙關(guān)斷裂帶和東南部的龍門山斷裂帶所圍限的楔形地塊上。地塊內(nèi)構(gòu)造形跡主要受控于上述三大構(gòu)造帶，但后期受文縣弧形構(gòu)造影響均呈現(xiàn)向南突出的弧形彎曲。印支期受SN向構(gòu)造運動的強烈擠壓，形成的一系列近EW向褶皺和斷層構(gòu)成了該區(qū)構(gòu)造的基本格架。

3 塌方機制分析

3.1 模擬方案

本文模擬建立三維數(shù)值模型，模型尺寸為(100×80×30)m，如圖1所示。邊界條件為固定前后左右和下部界面，上部邊界為自由面，采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，大應(yīng)變變形模式，先行開挖10 m一般巖性中的隧道，以破碎巖層里程段向前分別模擬不同開挖進尺(0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m)下的位移場、應(yīng)力場和塑性區(qū)分布。所選取的圍巖力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 數(shù)值計算模型及模型邊界條件

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

3.2 數(shù)值計算分析

(1)位移場分布

圖2～圖4為不同開挖進尺下的位移場、主應(yīng)力場和塑性區(qū)分布云圖，統(tǒng)計結(jié)果見表2。分析可知，當自軟弱巖層界面向前方開挖時，隨著開挖進尺的增大，圍巖拱頂下沉和周邊收斂累計值逐漸增大，其中進尺0.5 m時，拱頂下沉和周邊收斂分別為241.78 mm和409.24 mm，此時圍巖預(yù)留量可為300 mm；當進尺為1.5 m時，拱頂下沉和周邊收斂分別為309.73 mm，周邊收斂為501.38 mm，此時增大圍巖預(yù)留量會增大巖體滑塌的風(fēng)險，應(yīng)提高支護強度，抑制圍巖變形繼續(xù)發(fā)展。

圖2 位移場分布云圖

圖3 主應(yīng)力場分布云圖

圖4 掌子面塑性區(qū)分布

表2 數(shù)值計算結(jié)果

(2)主應(yīng)力場分布主應(yīng)力差決定了巖體是否破壞，主應(yīng)力差越大，圍巖破碎程度越高。當進尺為0.5 m時，主應(yīng)力差極值為12.93 MPa，出現(xiàn)在拱頂位置；當進尺為2 m時，主應(yīng)力差極值為15.86 MPa，出現(xiàn)在拱腰位置。表明隨著開挖進尺的增大，巖體主應(yīng)力差極值分布從拱頂向下發(fā)展，相應(yīng)的破碎區(qū)范圍更大。

(3)塑性區(qū)深度分布

掌子面塑性區(qū)深度分布與開挖進尺關(guān)聯(lián)性不大，均在2.5 m左右，但塑性破壞模式各異。當開挖進尺比較小時，軟弱巖體暴露面積較小，可簡化為小跨度簡支結(jié)構(gòu)，受后方支護體的承載作用，開挖面主要為受拉破壞，拱頂為剪切破壞。隨著開挖進尺的增大，簡支跨度隨之增大，破壞區(qū)范圍增大，自承載能力急劇減小，后方支護體對其承載作用增大，開挖面巖體呈現(xiàn)受拉破壞，拱頂由剪切破壞向拉剪破壞轉(zhuǎn)化。對后方巖性較好的巖體塑性區(qū)深度影響較大，長度影響較小。

4 開挖面塌方判據(jù)及空間位置預(yù)測

4.1 力學(xué)模型及其假定條件

隧道穿越傾斜巖層時，假定巖層符合下列條件，建立如圖5所示的簡化力學(xué)模型[9－12]。

圖5 簡化力學(xué)模型

(1)軟弱巖層為均質(zhì)巖層，其高度大于隧道凈高，上下分界面為平面。

(2)軟弱巖層傾向和隧道水平走向夾角為銳角，拱頂位置最先進入軟弱巖層。

(3)軟弱巖層上覆巖體為均布荷載，等效為豎向重力作用。

(4)掌子面采用爆破開挖，爆破擾動作用力簡化為豎向地震力，大小為巖層重力的m倍。

(5)巖層力學(xué)本構(gòu)關(guān)系符合摩爾－庫倫準則。

(6)假定軟弱夾層的豎向滑動面貫穿整個巖層，且不考慮地下水的影響。

4.2 判據(jù)推導(dǎo)及建立

隧道在向前開挖時，通過長短距離結(jié)合的超前地質(zhì)預(yù)報手段可基本準確掌握前方不良地質(zhì)體的位置和性狀。當開挖面推進至拱頂進入傾斜軟弱巖層時，可建立簡化力學(xué)模型，采用薄層單元受力分析法對該模型進行受力分析，再通過對其分布高度進行積分，基于受力平衡原理，求得塌方的空間位置。

隧道拱頂先后出現(xiàn)兩個豎向滑動面AD和BC，在ABCD形成的直角梯形的軟弱地質(zhì)體中，取厚度為dz的薄層單元體，其受力分析見圖6。該單元左右兩邊作用力為水平地應(yīng)力作用下的豎向摩擦力dF。當隧道開挖面進入軟弱巖層的深度不大時，直角梯形體受力保持平衡，隨著開挖面的不斷推進，受力體系也隨之動態(tài)調(diào)整；當開挖到一定深度時，受力體系達到臨界平衡狀態(tài)，如果軟弱巖層厚度足夠大，使得達到該臨界狀態(tài)開挖深度時，隧道開挖面尚處于其中，繼續(xù)開挖則會導(dǎo)致塌方。

圖6 薄層單元體受力分析簡圖

經(jīng)上述分析可知，開挖面塌方與軟弱巖層的傾角、力學(xué)性質(zhì)、開挖面進入軟弱巖層深度、支護作用力、上覆巖層作用、隧道埋深以及爆破擾動作用力有關(guān)，據(jù)此定義塌方判定抗力函數(shù)R:

式中，s為隧道進入軟弱松散層的深度；H、γ、c、φ分別為軟弱巖層的厚度、重度、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角；α為邊坡的坡腳；T為初期支護力。

根據(jù)摩爾－庫倫準則，可求得單元體兩側(cè)的摩擦力為:

式中，σH為水平主應(yīng)力。

假設(shè)隧址區(qū)側(cè)壓力系數(shù)為ξ，則可得:

式中，σV為豎向主應(yīng)力；z為計算點的深度。將式(3)代入式(2)可得到:

根據(jù)圖5中的幾何關(guān)系可得:

式中，z1、z2分別為豎向潛在的滑動面BC和AD的長度，與軟弱巖層的厚度有關(guān)；h為開挖面進入軟弱巖層的高度，與軟弱巖層的傾角和隧道進入其深度有關(guān)。根據(jù)圖6中單元體的受力條件，可對其兩側(cè)面的摩擦力和其重力進行積分，積分后即可得到塌方的判據(jù)表達式為:

計算可知，R為s的一元二次函數(shù)表達式，化簡為:

令R＝0，可化簡為一元二次函數(shù)等式，得到下列方程:

式中:

由于p＞0，可知一元二次方程(8)的函數(shù)圖形為開口向上，其根的判別式為:

根據(jù)判別式值的正負可對開挖面的塌方與否做出判定，見表3。

表3 塌方判據(jù)

當△＞0時，方程的兩個不相等的解為:

開挖面發(fā)生塌方的條件是R＜0，因此隧道進入軟弱巖層的深度s滿足:

根據(jù)實際情況:

經(jīng)上述推導(dǎo)，綜合考慮軟弱巖層的力學(xué)性質(zhì)及埋深、隧道支護作用力、開挖爆破作用力，根據(jù)表3可對隧道開挖面洞口塌方與否進行判定，再根據(jù)式(13)～式(15)可較為準確地確定塌方發(fā)生的空間位置。

5 工程應(yīng)用

通過上節(jié)建立的開挖面塌方判據(jù)對梅家溝隧道開挖面塌方的空間位置進行預(yù)測分析，根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)勘測，得到各項計算參數(shù)見表4。其中支護作用力在初期支護施作初期尚未完全發(fā)揮其作用，可近似抵消爆破擾動作用力。

表4 現(xiàn)場地層及施工參數(shù)

將表4中的參數(shù)分別代入式(9)、式(10)、式(11)、式(8)、式(13)，求得一元二次方程的常數(shù)項和判別式以及方程解，見表5。

表5 塌方判據(jù)應(yīng)用計算結(jié)果

計算可知，當隧道掌子面進入軟弱破碎巖層的深度大于1.40 m時可能會發(fā)生塌方。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，對應(yīng)塌方里程為ZK68＋229.8，而開挖面實際發(fā)生塌方的里程為ZK68＋231.4，基本吻合。

6 結(jié)束語

(1)隧道開挖遇到圍巖巖性突變時，應(yīng)采用多種預(yù)報手段盡可能探明前方地質(zhì)情況，控制開挖進尺，盡量減小爆破擾動，可有效地降低開挖面塌方幾率。

(2)在軟弱巖層中開挖隧道，合理的圍巖預(yù)留變形量可充分讓圍巖變形，避免支護結(jié)構(gòu)受力過大。過度追求圍巖預(yù)留變形量則會導(dǎo)致圍巖破壞區(qū)向深處擴展，對開挖面施工極為不利，建議不超過300 mm。

(3)針對掌子面的松散巖體，應(yīng)先對其進行加固，改善松散體的物力力學(xué)指標，嚴格控制初支的施工質(zhì)量，確保初支及時受力。

(4)基于薄層單元體受力平衡建立的開挖面塌方判據(jù)，對于無地下水分布的軟弱巖層開挖隧道可較為準確地預(yù)測塌方的空間位置。