李 昕，李春光，范世鴻，王宗學(xué)

(西南交通大學(xué)，四川成都 610000)

近年來，隨著國(guó)家發(fā)展的需要，隧道工程逐漸增多，面對(duì)的地形、地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，技術(shù)挑戰(zhàn)越來越多，這給隧道建設(shè)提出了更嚴(yán)格的要求。當(dāng)隧道穿越不同風(fēng)化帶或風(fēng)化類型區(qū)域時(shí)，常出現(xiàn)土石交界、軟硬不均地質(zhì)條件，因隧道開挖引起掌子面或前方軟硬不均圍巖變形、受力不均勻，如果施工不慎或支護(hù)不當(dāng)可引起圍巖塌方或支護(hù)開裂等災(zāi)害，造成工期延誤、經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡[1]。

為了解決這種地質(zhì)條件的隧道施工問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其做了大量的研究。朱望瑜[2]針對(duì)土石分界地層分析了不同開挖參數(shù)對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響，并根據(jù)洞周位移、圍巖塑性區(qū)分布以及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況,并結(jié)合了隧道具體的地質(zhì)條件確定和優(yōu)化隧道的施工工藝參數(shù)。左旭[3]通過數(shù)值分析研究了土石分界地層分界面傾角、土石面積比、剛度比以及隧道埋深四種因素對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和圍巖變形的影響。冉銘哲[4]對(duì)土石偏壓隧道結(jié)構(gòu)安全性和圍巖破壞模式展開了研究,并對(duì)其主要影響因素進(jìn)行了分析。韓道錄[5]分析了軟弱圍巖隧道變形的特性和影響軟弱圍巖變形的幾個(gè)基本因素。王志杰[6]分析了隧道土石分界處地層大變形機(jī)理，并提出了針對(duì)性措施。張頂立[7]以隧道掌子面圍巖變形加劇點(diǎn)、初期支護(hù)施作和圍巖變形穩(wěn)定作為3個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)對(duì)"支護(hù)-圍巖"力學(xué)演化過程的作用特點(diǎn)進(jìn)行了分析。孫亞朋[8]分析了小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)的加固機(jī)理,探討了隧道小導(dǎo)管與注漿加固區(qū)、圍巖與注漿加固區(qū)之間的相互作用機(jī)理。

之前的研究成果大多集中在土石分界地層，而在黃土地層，且存在長(zhǎng)距離不同巖性接觸帶的復(fù)雜地質(zhì)條件下，修建大斷面隧道的案例極少。此類地層中掌子面前方圍巖自穩(wěn)性能差，一旦開挖極易發(fā)生塌方等安全事故，因此在對(duì)掌子面前方圍巖進(jìn)行超前支護(hù)顯得尤為重要。本文針對(duì)不同巖性接觸帶(紅黏土與砂巖夾泥巖接觸帶、黏質(zhì)黃土與砂巖夾泥巖接觸帶)，在不同超前支護(hù)厚度下分析研究圍巖穩(wěn)定性，為類似工況下的隧道建設(shè)提供依據(jù)。

1 工程概況

賈塬隧道位于甘肅省慶陽(yáng)市慶城縣，為雙線單洞隧道，是銀西鐵路控制性工程。隧道最大埋深約260 m，最小埋深14 m；總長(zhǎng)11 860 m，主要經(jīng)過董志塬邊緣黃土梁峁溝壑區(qū)，地形破碎，沖溝發(fā)育，災(zāi)害頻發(fā)。賈塬隧道穿過不同巖性接觸帶，地質(zhì)情況復(fù)雜。根據(jù)勘察資料，隧道圍巖的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 隧道圍巖的力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型的建立

根據(jù)賈塬隧道的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和施工設(shè)計(jì)資料，利用有限元軟件MIDAS-GTS建立賈塬隧道的數(shù)值計(jì)算模型。建模時(shí)橫向以隧道中線位置向兩側(cè)各取60 m，豎向取仰拱底部以下50 m，沿隧道軸向取40 m，拱頂以上取50 m，剩余埋深以豎向均布荷載的形式施加。

在模型的底部邊界采用豎向約束，前后左右邊界均采用水平約束。隧道圍巖特性按彈塑性材料考慮，采用摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則，初期支護(hù)采用shell單元，錨桿采用cable單元，鋼拱架通過提高初期支護(hù)彈性模量來等效。根據(jù)開挖對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響大小的施工經(jīng)驗(yàn)、計(jì)算經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際開挖步長(zhǎng)，監(jiān)測(cè)模型沿隧道軸向24 m處的斷面。部分計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型

2.2 數(shù)值計(jì)算工況

研究不同巖性接觸帶大斷面隧道合理支護(hù)體系，以依托工程賈塬隧道設(shè)計(jì)工法與支護(hù)參數(shù)為基礎(chǔ)，建立不同巖性接觸帶隧道區(qū)間三維分析模型，模擬不同性質(zhì)接觸帶(紅黏土與砂巖夾泥巖接觸帶、黏質(zhì)黃土與砂巖夾泥巖接觸帶)在不同超前支護(hù)厚度的條件下，隧道開挖后支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況和圍巖變形規(guī)律。選取的5種超前支護(hù)厚度分別為0 m、1 m、2 m、3 m、4 m。

為了突出所研究支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)支護(hù)體系的影響，在對(duì)某一支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析時(shí)，將其他支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)置為在JTG D70-2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》允許范圍內(nèi)的較低標(biāo)準(zhǔn)，參數(shù)具體設(shè)置值見表2。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)基礎(chǔ)設(shè)置值

3 計(jì)算結(jié)果及分析

在紅黏土與砂巖夾泥巖接觸帶和黏質(zhì)黃土與紅黏土接觸帶中，為研究超前支護(hù)對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，分別提取了5種工況下開挖斷面的拱頂沉降、拱腰位移及仰拱隆起數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1 拱頂沉降

圖2給出了紅黏土與砂巖夾泥巖接觸帶中5種超前支護(hù)厚度下拱頂沉降時(shí)程曲線。

圖2 不同超前加固厚度下拱頂沉降時(shí)程曲線

由圖2可知，隨著掌子面的推進(jìn)，拱頂沉降逐漸增加，且初期沉降速率很大，而后速度逐漸減緩，在掌子面開挖45 m后，拱頂沉降有收斂的趨勢(shì)。觀察最后的拱頂沉降值可知，無(wú)超前加固時(shí)拱頂沉降值最大，最大值為6.73 cm；超前支護(hù)厚度為4 m時(shí)，拱頂沉降值最小，最小為5.87 cm。隨著超前支護(hù)厚度的逐漸增加，拱頂沉降值依次為：6.73 cm、6.37 cm、6.23 cm、6.04 cm、5.87 cm。黏質(zhì)黃土與紅黏土接觸帶中五種超前支護(hù)厚度下拱頂沉降時(shí)程曲線和上述曲線一致，只是在量值上有所差異，為了方便研究，提取不同工況下的拱頂沉降最大值如表3所示。由此可知，隨著超前支護(hù)厚度的增加拱頂沉降值越來越小。

表3 不同超前加固厚度下拱頂沉降最大值 cm

3.2 拱腰水平位移

繪制紅黏土與砂巖夾泥巖接觸帶中在五種超前支護(hù)厚度工況下拱腰水平位移時(shí)程曲線如圖3所示。

圖3 不同超前支護(hù)厚度工況下拱腰水平位移時(shí)程曲線

由圖3可知，隨著掌子面的推進(jìn)，該工況下拱腰水平位移逐漸增加。在開挖掌子面通過監(jiān)測(cè)斷面后，拱腰水平位移值有收斂的趨勢(shì)。觀察最后的拱腰水平值可知，無(wú)超前加固時(shí)拱腰水平位移最大，最大值為0.98 cm；上超前支護(hù)厚度為4 m時(shí)，拱腰水平位移值最小，最小為0.91 cm。隨著超前支護(hù)厚度的逐漸增加，拱腰水平位移值依次為：0.98 cm、0.96 cm、0.94 cm、0.93 cm、0.91 cm。黏質(zhì)黃土與紅黏土接觸帶中五種超前支護(hù)厚度下拱腰水平位移時(shí)程曲線和上述曲線一致，只是在量值上有所差異，為了方便研究，提取不同工況下的拱腰水平位移最大值如表4所示。由此可知，各超前支護(hù)厚度工況下拱腰的水平位移值相差較小，超前支護(hù)的厚度對(duì)拱腰的水平位移影響較小。

表4 不同超前加固厚度下拱腰水平位移最大值 cm

3.3 仰拱隆起

繪制紅黏土與砂巖夾泥巖接觸帶中在五種超前支護(hù)厚度工況下拱隆起時(shí)程曲線如圖4所示。

圖4 不同超前加固厚度工況下仰拱隆起時(shí)程曲線

由圖4可知，隨著掌子面的推進(jìn)，該工況下仰拱隆起逐漸增加，在開挖掌子面通過監(jiān)測(cè)斷面后，仰拱隆起值有收斂的趨勢(shì)。觀察發(fā)現(xiàn)5條時(shí)程曲線基本重合，隨著超前支護(hù)厚度的逐漸增加，仰拱隆起值依次為：2.64 cm、2.63 cm、2.64 cm、2.65 cm、2.65 cm，黏質(zhì)黃土與紅黏土接觸帶中5種超前支護(hù)厚度下仰拱隆起時(shí)程曲線和上述曲線一致，只是在量值上有所差異，為了方便研究，提取不同工況下的拱腰水平位移最大值如表5所示。由此可知，超前支護(hù)的厚度對(duì)仰拱隆起高度基本沒有影響。

表5 不同超前加固厚度下仰拱隆起最大值 cm

3.4 初期支護(hù)應(yīng)力

紅黏土與砂巖夾泥巖接觸帶中不同超前支護(hù)厚度的工況下初期支護(hù)的應(yīng)力云圖見圖5。

圖5 不同超前加固厚度工況下初期支護(hù)應(yīng)力云

由圖5可知，不同超前支護(hù)厚度工況下，初期支護(hù)均在拱肩處出現(xiàn)應(yīng)力集中。無(wú)超前支護(hù)時(shí)初期支護(hù)最大壓應(yīng)力值為11.6 MPa，有超前加固時(shí)，四種超前加固厚度的工況下初期支護(hù)的最大壓應(yīng)力值均在11 MPa左右。黏質(zhì)黃土與紅黏土接觸帶中五種超前支護(hù)厚度下初期支護(hù)應(yīng)力分布和上述應(yīng)力云圖類似，不再贅述。由分析可知，施作超前支護(hù)能降低初期支護(hù)的應(yīng)力，但超前支護(hù)的厚度對(duì)初期支護(hù)最大壓應(yīng)力和應(yīng)力分布影響較小。

4 結(jié)論

針對(duì)不同巖性接觸帶圍巖軟硬不均、自穩(wěn)能力差的特點(diǎn)，采用FLAC3D數(shù)值軟件分析了不同超前支護(hù)厚度對(duì)圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特征及變形規(guī)律。主要得出以下結(jié)論：

(1)在紅黏土與砂巖夾泥巖接觸帶地層和黏質(zhì)黃土與紅黏土接觸帶地層中，隨著隧道超前預(yù)加固厚度的增加，拱頂沉降值越來越小，說明超前支護(hù)厚度對(duì)拱頂沉降影響較大。

(2)在紅黏土與砂巖夾泥巖接觸帶地層和黏質(zhì)黃土與紅黏土接觸帶地層中，增加超前預(yù)加固厚度，拱腰水平變形值和仰拱隆起值變化較小，說明超前支護(hù)的厚度對(duì)隧道拱腰收斂和仰拱隆起影響較小。

(3)在紅黏土與砂巖夾泥巖接觸帶地層和黏質(zhì)黃土與紅黏土接觸帶地層中，施作超前支護(hù)能降低初期支護(hù)的應(yīng)力，但超前支護(hù)的厚度對(duì)初期支護(hù)最大應(yīng)力和應(yīng)力分布影響較小。