朱永全 孫明磊 李文江

(石家莊鐵道大學(xué), 石家莊 050043)

1 隧道結(jié)構(gòu)體系及其穩(wěn)定性定義

(1) 隧道體系

一般隧道由支護(hù)結(jié)構(gòu)與襯砌圍巖兩部分體系構(gòu)成，在隧道體系中承受荷載的主要是圍巖部分。圍巖，特別是軟弱圍巖開(kāi)挖后，在隧道施工擾動(dòng)和周邊應(yīng)力集中作用下，隧道周邊一定區(qū)間內(nèi)的圍巖會(huì)產(chǎn)生局部松動(dòng)甚至損傷，這部分圍巖需要進(jìn)行加固或支護(hù)。因此，隧道穩(wěn)定性的主要控制對(duì)象是圍巖，既應(yīng)充分發(fā)揮圍巖的自承能力，又不能使圍巖出現(xiàn)松動(dòng)，保持圍巖的穩(wěn)定性。換言之，即可使圍巖產(chǎn)生適量的塑性變形，但不允許圍巖產(chǎn)生過(guò)度塑性變形。

隧道支護(hù)系統(tǒng)一般由噴射混凝土、錨桿、鋼架、鋼筋網(wǎng)等部分組成，支護(hù)系統(tǒng)對(duì)圍巖穩(wěn)定起到“支”和“護(hù)”的作用。其中“支”是指向圍巖施加支護(hù)作用力，使洞壁周圍巖徑向應(yīng)力增大，打破周邊巖體的原始應(yīng)力狀態(tài)，受力狀態(tài)由雙向轉(zhuǎn)變?yōu)槿?；“護(hù)”是指封閉、改善被擾動(dòng)圍巖的完整性，從而提高圍巖的穩(wěn)定性，也就增加了支護(hù)體系的穩(wěn)定性。

(2)隧道穩(wěn)定性

軟弱圍巖是指強(qiáng)度低的地質(zhì)軟巖和破碎巖，具有強(qiáng)度低、圍巖自穩(wěn)能力差的特點(diǎn)，隧道施工中，易出現(xiàn)大變形、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、變形速率大等特征[1]。

隧道多采用復(fù)合式襯砌形式，體系中主要以支護(hù)保證圍巖的穩(wěn)固[2]。因此，隧道穩(wěn)定性主要是指圍巖穩(wěn)定和支護(hù)后隧道的穩(wěn)定情況。因此，一般軟弱圍巖隧道的穩(wěn)定性定義為隧道不發(fā)生圍巖坍塌，襯砌周邊位移適量、可控，支護(hù)結(jié)構(gòu)不侵限、不產(chǎn)生較嚴(yán)重的破損和裂縫。

(3)圍巖穩(wěn)定極限狀態(tài)

一般開(kāi)挖后，隧道周邊圍巖都有一定范圍的塑性區(qū)或屈服區(qū)出現(xiàn)，但并不一定會(huì)出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)。當(dāng)塑性過(guò)程開(kāi)始出現(xiàn)突變塑性應(yīng)變或加速變形時(shí)，圍巖材料將變成塑性流動(dòng)狀態(tài)，該部分圍巖因過(guò)大變形而松動(dòng)，擾動(dòng)后極易失穩(wěn)、坍塌，因此施工中應(yīng)及時(shí)支護(hù)，及時(shí)約束圍巖塑性應(yīng)變突變，保持圍巖穩(wěn)定。

因此，可定義圍巖在隧道開(kāi)挖后發(fā)生位移加速變形或圍巖塑性應(yīng)變發(fā)生突變時(shí)的狀態(tài)，為圍巖的穩(wěn)定極限狀態(tài)，同時(shí)定義極限狀態(tài)下的襯砌位移為圍巖極限位移。

2 軟弱圍巖穩(wěn)定性判別應(yīng)用實(shí)例

2.1 突變狀態(tài)下塑性應(yīng)變理論的原理[3-4]

連續(xù)介質(zhì)彈塑性力學(xué)有關(guān)塑性屈服理論在典型條件下有經(jīng)典理論解，在非線性理論中的突變理論也有相關(guān)問(wèn)題的論述。Zeeman首先提出尖點(diǎn)突變模型[5-7]，模型的勢(shì)函數(shù)是二參函數(shù)(兩個(gè)控制變量u和v)，其狀態(tài)變量為x，即：

V=x4+ux2+vx

(1)

平衡位置需要相應(yīng)滿足：

(2)

勢(shì)函數(shù)中葉的極大值點(diǎn)為平衡位置的臨界狀態(tài)，而勢(shì)函數(shù)上下葉的其它位置點(diǎn)為穩(wěn)定狀態(tài)。在曲面作豎向切線需符合：

(3)

式(3)點(diǎn)附近，實(shí)際為曲線上的拐點(diǎn)。勢(shì)函數(shù)兩階導(dǎo)數(shù)為零的拋物線如圖1所示。

圖1 勢(shì)函數(shù)兩階導(dǎo)數(shù)為零的拋物線圖

根據(jù)尖點(diǎn)分叉集理論得到方程:

Δ=8u3+27v2

(4)

式(4)可作為圍巖發(fā)生位移失穩(wěn)的充要判斷依據(jù)。當(dāng)Δ>0時(shí)，圍巖狀態(tài)穩(wěn)定；Δ=0時(shí)，圍巖狀態(tài)為非穩(wěn)定與穩(wěn)定的臨界點(diǎn)；Δ<0時(shí)，圍巖狀態(tài)不穩(wěn)定。

2.2 關(guān)角隧道二郎洞斷層穩(wěn)定性分析

(1)工程概況

采用鉆爆法施工的關(guān)角隧道，雙洞單線全長(zhǎng)32.6 km。隧道地區(qū)大地構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，隧道通過(guò)14條次級(jí)斷裂和3條區(qū)域性斷裂，其中斷裂發(fā)育最強(qiáng)烈部分為二郎洞段。二郎洞斷層物質(zhì)組成含石炭系板巖、下元古界混合片麻巖，斷層泥礫和碎裂發(fā)育，區(qū)段隧道最大埋深為300 m。二郎洞斷層區(qū)域隧道設(shè)計(jì)的支護(hù)采用厚28 cm 的C25混凝土，φ25系統(tǒng)自進(jìn)式錨桿，縱向×環(huán)向間距0.5 m×1.5 m，1榀/0.5 m I20a型鋼鋼架，設(shè)計(jì)斷面如圖2所示。

圖2 隧道橫斷面示意圖(cm)

(2)計(jì)算模型

根據(jù)區(qū)段隧道埋深約為300 m的實(shí)際情況，建立二維有限元模型，模型底部采用位移約束，頂部及左右側(cè)采用應(yīng)力邊界約束，計(jì)算模型如圖3所示。根據(jù)斷層破碎巖體相關(guān)試驗(yàn)及位移的分析成果，取圍巖計(jì)算參數(shù)如表1所示。按照實(shí)際施工中的臺(tái)階法進(jìn)行模擬，分別考慮上、下臺(tái)階開(kāi)挖過(guò)程中的變形發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)開(kāi)挖過(guò)程中的隧道失穩(wěn)狀態(tài)進(jìn)行分析。

圖3 計(jì)算模型示意圖

表1 圍巖計(jì)算參數(shù)表

(3)計(jì)算結(jié)果

上、下臺(tái)階開(kāi)挖中，圍巖出現(xiàn)應(yīng)變突變時(shí)的位移如表2所示。

表2 出現(xiàn)圍巖應(yīng)變突變時(shí)的圍巖位移表

由表2可知，圍巖位移變形伴隨地應(yīng)力釋放系數(shù)在開(kāi)挖過(guò)程中產(chǎn)生了突變，突變點(diǎn)一般晚于塑性應(yīng)變。

這種極限位移是在整個(gè)應(yīng)力釋放過(guò)程中得出的全部位移，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段獲得的位移相比，監(jiān)測(cè)結(jié)果并未記錄測(cè)前已發(fā)生位移。監(jiān)測(cè)前期丟失的位移可在一定假設(shè)下計(jì)算補(bǔ)充。假設(shè)全部位移表示為：

U全部=u前期+u監(jiān)測(cè)

(5)

式中：U全部——量測(cè)的全部位移；

u監(jiān)測(cè)——監(jiān)測(cè)的位移；

u前期——測(cè)點(diǎn)前期發(fā)生的位移。

u前期可通過(guò)模擬結(jié)果得到的總位移中前期位移所占的比例進(jìn)行估算，即：

u前期=β×u監(jiān)測(cè)

(6)

式中：β——前期變形釋放率。

對(duì)該區(qū)段數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 開(kāi)挖前測(cè)點(diǎn)處洞周變形計(jì)算結(jié)果表

若開(kāi)挖至第1次監(jiān)測(cè)讀數(shù)的時(shí)間不超過(guò)1 d，假設(shè)監(jiān)測(cè)后位移變化規(guī)律與監(jiān)測(cè)前一天一致，則可通過(guò)回歸位移曲線前推，估算監(jiān)測(cè)前的位移變化。

借用該區(qū)段隧道施工變形監(jiān)測(cè)結(jié)果，施測(cè)前 第1天位移量計(jì)算如表4所示。

表4 各試驗(yàn)斷面施測(cè)前第1天位移值表(mm)

考慮到實(shí)際工程中，由于圍巖性質(zhì)、隧道斷面大小、開(kāi)挖技術(shù)等的不同，前期位移會(huì)存在一定的離散性。因此，在上述數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，應(yīng)通過(guò)大量計(jì)算、統(tǒng)計(jì)，找出不同條件下的u前期位移供實(shí)際應(yīng)用。

(4)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在隧道施工過(guò)程中，DyK 304+495、DyK 304+490兩斷面前期變形相對(duì)穩(wěn)定，當(dāng)隧道施工到DyK 304+471位置時(shí)，前述兩試驗(yàn)斷面監(jiān)測(cè)位移發(fā)生加速，當(dāng)邊墻水平位移累計(jì)為255 mm、拱頂沉降121 mm時(shí)，位移速率增至 39 mm/d，隧道開(kāi)始產(chǎn)生支護(hù)混凝土開(kāi)裂、鋼架扭曲等現(xiàn)象。

該斷面實(shí)測(cè)和前期拱頂沉降分別為121 mm和110.7 mm，兩者之和為231.7 mm，接近247 mm的計(jì)算極限值；該斷面實(shí)測(cè)和前期墻腰水平收斂分別為 255 mm和221.3 mm，兩者之和為276.3 mm，超過(guò)356 mm的計(jì)算極限值?，F(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)破損較嚴(yán)重，采用長(zhǎng)錨桿進(jìn)行圍巖加固補(bǔ)強(qiáng)后，才實(shí)現(xiàn)了區(qū)段隧道穩(wěn)定。

3 大變形控制技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)

目前，國(guó)內(nèi)外類似工程可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)，包括長(zhǎng)錨桿、多重支護(hù)和可縮性支護(hù)等支護(hù)形式，以及超前導(dǎo)坑應(yīng)力釋放、增大邊墻曲率等輔助計(jì)算措施，但缺少分部開(kāi)挖工法、及時(shí)支護(hù)封閉施工方法等方面的內(nèi)容[8-10]。

蘭新鐵路烏鞘嶺隧道的成功修建是在高地應(yīng)力隧道軟巖大變形有效控制方面取得的巨大進(jìn)步，采取的超前導(dǎo)坑、多重支護(hù)施工方法、邊讓邊抗等措施，有效控制了圍巖變形，所取得的成果為類似工程奠定了較好的研究基礎(chǔ)，但同時(shí)也存在支護(hù)拆換、襯砌開(kāi)裂、錨桿作用不突出、支護(hù)封閉不及時(shí)等問(wèn)題。其它鐵路典型隧道軟巖變形控制水平與烏鞘嶺隧道基本相同，但也有各自的特點(diǎn)。如蘭渝鐵路軟巖隧道更加強(qiáng)調(diào)多重支護(hù)，成蘭鐵路軟巖隧道則更注重錨桿的作用，麗香鐵路軟巖隧道采用加強(qiáng)洞室邊墻曲率等。

在軟巖變形控制措施方面，若支護(hù)措施不當(dāng)，會(huì)發(fā)生侵限，目前采取的補(bǔ)救措施是拆撐和換撐。對(duì)于支護(hù)對(duì)象本來(lái)就是很破碎的巖體，在這些“二次支護(hù)”理論指導(dǎo)下，巖體在多重支承壓力作用下得到了更加充足的時(shí)間，使其應(yīng)力釋放而加速變形，對(duì)圍巖多次擾動(dòng)，導(dǎo)致圍巖松動(dòng)范圍逐漸增大，隧道周邊的塑性區(qū)擴(kuò)大。特別是支護(hù)不及時(shí)或結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度不足時(shí)，圍巖破壞范圍更大，對(duì)后期拆換的支護(hù)強(qiáng)度要求更高，從而不得不采用被動(dòng)的“剝皮”支護(hù)，造成多次拆撐或換撐，形成惡性循環(huán)。

4 相關(guān)問(wèn)題的思考

4.1 理想彈塑性連續(xù)介質(zhì)理論與實(shí)際的矛盾

本文在假設(shè)理想彈塑性介質(zhì)連續(xù)的條件下，對(duì)圍巖極限狀態(tài)通過(guò)塑性應(yīng)變突變的原理進(jìn)行判別。隧道開(kāi)挖后，圍巖應(yīng)力的調(diào)整過(guò)程如圖4所示。

圖4 隧道開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力調(diào)整過(guò)程示意圖

4種圍巖應(yīng)力調(diào)整結(jié)果如下：

(1)無(wú)支護(hù)彈性穩(wěn)定狀態(tài)

洞周變形以彈性變形為主，圍巖無(wú)需支護(hù)，自身能夠達(dá)到平衡狀態(tài)。

(2)無(wú)支護(hù)塑性穩(wěn)定狀態(tài)

隧道周邊將出現(xiàn)塑性區(qū)，圍巖以塑性變形為主，在無(wú)支護(hù)條件下，圍巖能通過(guò)調(diào)整塑性區(qū)的分布范圍來(lái)達(dá)到新的平衡狀態(tài)。

(3)支護(hù)作用下的穩(wěn)定狀態(tài)

二次應(yīng)力超過(guò)圍巖的屈服極限，采取支護(hù)措施后，圍巖應(yīng)力達(dá)到新的平衡狀態(tài)。

(4)失穩(wěn)狀態(tài)

當(dāng)支護(hù)不及時(shí)或者支護(hù)力不足時(shí)，隧道圍巖將失穩(wěn)破壞。

假設(shè)理想彈塑性介質(zhì)連續(xù)，則與已有工程經(jīng)驗(yàn)的早、強(qiáng)、多層支護(hù)做法相矛盾。理想連續(xù)介質(zhì)可通過(guò)釋放變形減小圍巖壓力。實(shí)際破碎圍巖變形越大、松動(dòng)區(qū)越大，需要支護(hù)的圍巖壓力越大，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)、材料支護(hù)能力有限，支護(hù)失效后，拆換導(dǎo)致松動(dòng)區(qū)越來(lái)越大，需要的支護(hù)能力越來(lái)越強(qiáng)。

4.2 近區(qū)圍巖塑性流動(dòng)、松動(dòng)后應(yīng)力釋放與穩(wěn)定性分析方法

當(dāng)塑性過(guò)程發(fā)展到塑性應(yīng)變突變或變形加速狀態(tài)時(shí)，圍巖塑性狀態(tài)為流動(dòng)狀態(tài)，該部分的圍巖變形過(guò)大且已松動(dòng)，圍巖介質(zhì)是松動(dòng)區(qū)和連續(xù)區(qū)的不同介質(zhì)型式，圍巖壓力拱范圍如圖5所示。

圖5 圍巖壓力拱的范圍圖

在軟巖隧道施工變形控制實(shí)踐中，總結(jié)出了以下的有效經(jīng)驗(yàn)：

(1)大變形隧道的圍巖介質(zhì)多為層狀軟巖、破碎巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，隧道開(kāi)挖后立即發(fā)生松動(dòng)變形，正常支護(hù)的施工條件下，統(tǒng)計(jì)其松動(dòng)圈深度為2.0～10.0 m，形成的支護(hù)壓力較大，需要較大剛度的支護(hù)。

(2)為減小松動(dòng)壓力，需要更及時(shí)地支護(hù)。

(3)在圍巖松動(dòng)的同時(shí)，存在較大的塑性變形，簡(jiǎn)單的大剛度支護(hù)不適合，需采用多層支護(hù)、可縮式支護(hù)。每次的支護(hù)拆換會(huì)增大松動(dòng)圈，需要更大剛度的支護(hù)。

(4)近區(qū)圍巖塑性流動(dòng)松動(dòng)、深部為連續(xù)介質(zhì)條件下，高地應(yīng)力軟巖大變形隧道穩(wěn)定性理論分析與判據(jù)方法有待深入研究。

5 結(jié)論

(1)軟弱圍巖隧道開(kāi)挖后，在隧道施工擾動(dòng)和周邊應(yīng)力集中作用下，隧道圍巖在一定區(qū)間內(nèi)發(fā)生局部損傷和松動(dòng)，這部分圍巖需要進(jìn)行加固支護(hù)。因此，開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)發(fā)揮隧道周邊巖體的自承能力，圍巖可以產(chǎn)生適量的塑性變形，但不能出現(xiàn)因過(guò)大變形引起松動(dòng)而破壞圍巖的穩(wěn)定性。

(2)一般情況下，隧道開(kāi)挖后周邊圍巖都有一定范圍的塑性區(qū)或屈服區(qū)出現(xiàn)，當(dāng)塑性過(guò)程發(fā)展到塑性應(yīng)變突變或變形加速時(shí)，圍巖材料將變成塑性流動(dòng)狀態(tài)，該部分圍巖因過(guò)大變形而松動(dòng)，擾動(dòng)后極易失穩(wěn)、坍塌。

(3)在近區(qū)圍巖塑性流動(dòng)松動(dòng)、深部為連續(xù)介質(zhì)條件下，高地應(yīng)力軟巖大變形隧道穩(wěn)定性理論分析與判據(jù)方法有待深入研究。