勞家榮

(廣西桂龍高速公路有限公司， 南寧 530000)

借經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的紅利，中國的基建事業(yè)不斷發(fā)展，技術(shù)也取得了長足的進(jìn)步，得益于隧道工程的大力發(fā)展，“穿山越嶺”離人們越來越近[1-2]，但隧道工程施工期間因滑坡、坍塌、不良地質(zhì)災(zāi)害等造成的生命財(cái)產(chǎn)損失難以估量[3-4]。因隧道賦存地質(zhì)條件顯著差異性、巖土工程介質(zhì)高度非線性和實(shí)踐的局限性，諸多隧道相關(guān)問題尚處于探索和經(jīng)驗(yàn)階段[5-6]，特別是地形偏壓條件下的隧道建設(shè)，時(shí)至今日，國內(nèi)外專家學(xué)者從理論層面、數(shù)值模擬角度、相似試驗(yàn)及現(xiàn)場測試對(duì)其進(jìn)行全方位的研究，但尚無權(quán)威文獻(xiàn)對(duì)此進(jìn)行詳盡、準(zhǔn)確的描述，因此，一直以來都是國內(nèi)外隧道工作者關(guān)注的熱點(diǎn)[7-11]。

關(guān)于地形偏壓隧道理論計(jì)算主要采用極限分析法進(jìn)行，Atkinson[12]首次將該法應(yīng)用到淺埋隧道穩(wěn)定性研究中，基于應(yīng)力狀態(tài)基礎(chǔ)上，采用極限上、下限法將計(jì)算結(jié)果與已有離心機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。此后，Davis等[13]、Takemura等[14]、Osman等[15]據(jù)極限上、下限法針對(duì)特定隧道結(jié)構(gòu)及影響因素推導(dǎo)了隧道發(fā)生破壞時(shí)圍巖破壞模式，分析隧道的穩(wěn)定性。近年來數(shù)值模擬對(duì)淺埋偏壓隧道力學(xué)計(jì)算等問題均進(jìn)行了較深入和全面的研究，徐燕等[16]運(yùn)用ANSYS軟件分析了偏壓隧道在交叉中隔墻交叉中隔壁法(CRD法)不同施工順序下巖體與支護(hù)的應(yīng)力應(yīng)變情況，了解圍巖應(yīng)力、應(yīng)變的變化規(guī)律以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大內(nèi)力值及其位置。王輝等[17]基于Python語言對(duì)ABAQUS的二次開發(fā)，研究了一種參數(shù)化計(jì)算程序，模擬了不同偏壓角和埋深對(duì)淺埋偏壓隧道穩(wěn)定性的影響。LIU等[18]、LEI等[19]采用模型試驗(yàn)對(duì)淺埋偏壓隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性開展了研究，認(rèn)為偏壓導(dǎo)致地應(yīng)力場分布不對(duì)稱、作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載不對(duì)稱，造成局部應(yīng)力集中，進(jìn)而使支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞。

而今，電子信息技術(shù)的發(fā)展，眾多可靠性好、分辨率高、抗干擾性強(qiáng)的元件及設(shè)備，為隧道現(xiàn)場監(jiān)控測量提供了定性、定量監(jiān)控手段。但在針對(duì)地形偏壓下淺埋隧道現(xiàn)場監(jiān)控測量應(yīng)用研究，仍未能很好應(yīng)用，專門的分析研究鮮有人為，且現(xiàn)場監(jiān)控測量應(yīng)用需迫進(jìn)一步發(fā)展。以地形偏壓條件下的六漢隧道為工程依托，采用FLAC3D數(shù)值模擬二襯混凝土結(jié)構(gòu)變形動(dòng)態(tài)監(jiān)控測量，以期指導(dǎo)生產(chǎn)，為信息化施工、動(dòng)態(tài)施工提供保障，為偏壓順層巖體科研提供重要的數(shù)據(jù)支撐，對(duì)類似隧道開挖支護(hù)有重要工程效益和參考價(jià)值。

T1為強(qiáng)風(fēng)化頁巖夾薄層泥沙巖；T2為中風(fēng)化頁巖夾薄層泥沙巖；Tb1為強(qiáng)風(fēng)化長石石英巖夾薄層泥巖、頁巖；Tb2為中風(fēng)化長石石英巖夾薄層泥巖、頁巖；T3為中風(fēng)化頁巖夾薄層狀泥沙巖、粉砂巖圖1 六漢隧道地形結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Diagram of terrain structure Liuhan Tunnel

1 工程概況

六漢隧道位于東蘭縣武篆鎮(zhèn)境內(nèi)的河池至百色高速公路第六合同段，屬分離式長隧道，該隧道起止點(diǎn)里程K82+680～K83+280，長600 m，隧道的最大埋深約50 m，如圖1所示。隧道屬于中低山構(gòu)造侵性-剝蝕地貌，線路斜穿向斜核部碎屑巖區(qū)，巖體裂隙較發(fā)育，隧洞圍巖主要由中風(fēng)化頁巖夾薄層泥巖，中風(fēng)化長石石英砂巖夾泥頁巖組成，圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)，穩(wěn)定性較差，受向斜影響局部較破碎。強(qiáng)風(fēng)化長石石英砂巖夾泥頁巖-頁巖夾薄層泥巖分布于隧道進(jìn)、出口，隧道進(jìn)口為順層邊坡，巖層產(chǎn)狀為275°∠30°發(fā)育兩組裂隙：①130°∠55°，4～5條/m，裂面閉合；②40°∠85°，3～4 條/m，閉合。出口區(qū)域巖層產(chǎn)狀60°∠35°，發(fā)育兩組裂隙：①245°∠40°，2～3條/m，裂面閉合；②165°∠85°，3～5條/m，閉合，圍巖級(jí)別為V級(jí)，巖體較破碎，為及時(shí)了解施工時(shí)期隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，對(duì)左線隧道淺埋區(qū)進(jìn)行全面的施工監(jiān)控測量。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

研究結(jié)合依托工程的地質(zhì)構(gòu)造，借助FLAC3D數(shù)值模擬軟件針對(duì)六漢隧道段順層巖體結(jié)構(gòu)，采用節(jié)理巖體模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析。本工程視作平面應(yīng)變問題，考慮了巖體分層，自下而上為石英巖、節(jié)理面及頁巖；模型所采用是位移邊界條件，水平方向邊界至隧道右邊墻為60 m，右側(cè)邊界和底部邊界均受固定約束，左側(cè)面與上表面為自由邊界。隧道圍巖結(jié)構(gòu)按照地層巖性設(shè)置，上層為石英巖，下層為頁巖。計(jì)算模型采用巖土工程中應(yīng)用最為廣泛的 Mohr-Coulomb 彈塑性模型，該模型包含剪切和拉伸兩個(gè)準(zhǔn)則。全場自重應(yīng)力通過重力加速度g=9.81 m/s2施加，先對(duì)模型進(jìn)行初始應(yīng)力場平衡計(jì)算，計(jì)算完成，將位移恢復(fù)為零，然后進(jìn)行隧道開挖模擬計(jì)算。計(jì)算模型巖體參數(shù)見表1。

表1 巖體物理學(xué)參數(shù)Table 1 Physical parameters of rocks

2.2 結(jié)果分析

數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示，可知開挖隧道在順層巖體節(jié)理面處出現(xiàn)不均衡的應(yīng)力，節(jié)理面處主應(yīng)力高于其他位置的應(yīng)力且達(dá)到最大值，在該點(diǎn)附近出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，拱頂處應(yīng)力相對(duì)拱腰處較??；而在巖層節(jié)理面處兩側(cè)剪切應(yīng)力相差也達(dá)到最大值。主要表現(xiàn)為應(yīng)力重分布與局部的應(yīng)力集中，主應(yīng)力在隧道臨空面附近發(fā)生明顯變化，且在隧道圍巖節(jié)理面上下面處，存在較大偏壓力及剪切應(yīng)力。由此可見，淺埋順層地形條件下隧道的開挖擾動(dòng)導(dǎo)致巖層節(jié)理面兩側(cè)巖層局部應(yīng)力不均勻變化，形成新的滑動(dòng)面，出現(xiàn)較大偏壓應(yīng)力，可能會(huì)出現(xiàn)以隧道巖層節(jié)理面處發(fā)生變形破壞。

圖2 應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果Fig.2 Numerical simulation results of stress

3 隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)原位監(jiān)測

3.1 監(jiān)控測量措施

本項(xiàng)目在淺埋地形下充分考慮地形偏壓、地形偏壓及隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性整體要求下，對(duì)隧道采取動(dòng)態(tài)監(jiān)控測量提出三條原則。

(1)選擇一項(xiàng)多用、數(shù)據(jù)可靠和經(jīng)濟(jì)合理的監(jiān)測項(xiàng)目。

(2)監(jiān)測信息能反饋為下一步施工，能及時(shí)調(diào)整施工措施，準(zhǔn)確優(yōu)化施工方案，并能為后期提供科學(xué)合理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(3)針對(duì)特殊地質(zhì)條件，測點(diǎn)的布置科學(xué)合理，且符合實(shí)際工程情況。

基于六漢隧道簡化模型數(shù)值分析和工程實(shí)踐理論分析基礎(chǔ)上，由于隧道順層巖體隧道結(jié)構(gòu)受不均衡地形偏壓荷載，對(duì)圍巖的穩(wěn)定性與隧道結(jié)構(gòu)安全性有較大的影響，隧道結(jié)構(gòu)施作后，為及時(shí)掌握隧道開挖過程隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變的變化規(guī)律，選取六漢隧道進(jìn)口段K82+710、K82+730、K82+750、K82+770、K82+790及K82+810與出口段K83+260、K83+240、K83+220、K83+200及K83+180里程點(diǎn)的隧道拱腰巖層節(jié)理面處布置監(jiān)測，如圖3所示。

圖3 測點(diǎn)布置示意圖Fig.3 Cross-sectional view of measuring point

3.2 初支與圍巖間接觸應(yīng)力監(jiān)測

2017年3月初對(duì)淺埋六漢隧道開始施工，隧道開挖采用兩端同時(shí)掘進(jìn)的施工措施。針對(duì)六漢隧道左線的淺埋段地形偏壓的情況，考慮到隧道開后存在偏壓應(yīng)力，為了掌握初期支護(hù)后結(jié)構(gòu)承受荷載的狀況。項(xiàng)目采用TXR-2030型應(yīng)變式微型土壓力計(jì)，通過配套的智能檢測儀直接讀取數(shù)值，在隧道洞口縱向巖層節(jié)理面處與初支的接觸面間布設(shè)長期監(jiān)測點(diǎn)，進(jìn)行隧道長期初支與圍巖接觸面應(yīng)力監(jiān)控測量。初支與圍巖接觸面地應(yīng)力隨掘進(jìn)量變化如圖4所示 。

圖4 初支與圍巖觸面應(yīng)力隨掘進(jìn)量的變化曲線Fig.4 Curve of stress of interface between initial supporting and surrounding rock with tunnel excavation length

由圖4可見，在隧道開挖后圍巖變形作用下，圍巖與初支緊密接觸，初支承擔(dān)了圍巖變形所釋放的荷載。而后隨著隧道繼續(xù)向前掘進(jìn)，隧道掘進(jìn)量達(dá)到80～90 m后，隧道初支與圍巖接觸應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，而在隧道掘進(jìn)20～30 m后隧道初支與圍巖接觸應(yīng)力的變化速率達(dá)到最大值。由圖4(a)可知，在隧道的進(jìn)口段K82+770出現(xiàn)最大壓應(yīng)力約9 MPa，并在掘進(jìn)50 m左右出現(xiàn)拉應(yīng)力，且K82+730、K82+750點(diǎn)的隧道圍巖釋放的荷載作用隧掘進(jìn)量呈現(xiàn)逐步遞增，最終沒有達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。由圖4(b)可知，K83+200處出現(xiàn)了最大壓應(yīng)力，且其余各點(diǎn)圍巖變形作用在初支的荷載最終都達(dá)到平衡穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 二襯混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測

基于簡化模型的理論分析與數(shù)值模擬結(jié)果，在順層巖體偏壓隧道在節(jié)理面處出現(xiàn)較大不均衡的應(yīng)力，為了進(jìn)一步掌握圍巖偏壓應(yīng)力作用在初支后，初支有效荷載對(duì)二襯混凝土結(jié)構(gòu)作用的荷載變化規(guī)律。把應(yīng)變片安裝在二襯混凝土結(jié)構(gòu)中，通過智能數(shù)字應(yīng)變儀HZ-1讀取應(yīng)變數(shù)據(jù)。對(duì)隧道進(jìn)口段與出口段的前面地區(qū)的二次混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場的長期的監(jiān)控，直到二襯混凝土結(jié)構(gòu)的變形基本達(dá)到穩(wěn)定后結(jié)束監(jiān)控測量，六漢隧道二襯混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨時(shí)間的變化如圖5所示 。

圖5 初二襯應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線Fig.5 Curve of strain of secondary lining with time

由圖5可以看出，在新噴射二襯混凝土在前30 d左右凝固期其測點(diǎn)應(yīng)變隨時(shí)間的變化較小，由于水化熱的影響二襯混凝土初期凝固有時(shí)測點(diǎn)監(jiān)測的數(shù)據(jù)出現(xiàn)負(fù)值；在第30 d后二襯混凝土結(jié)構(gòu)的變形隨時(shí)間的逐漸增大，在第80～90 d后，其結(jié)構(gòu)變化達(dá)到基本平衡；但在第30～50 d其變化速率達(dá)到最大，而后其變化速率逐漸遞減，最后趨于平緩，達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。由圖5(a)可知，進(jìn)口段K82+770處二襯混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)變在第30 d左右后，迅速增大，在第70 d的時(shí)候其變化值為零，該處的二次結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重的破壞，應(yīng)變片已損壞；K82+710、K82+730、K82+750樁號(hào)里程點(diǎn)處的二襯結(jié)構(gòu)的變形達(dá)到峰值后其變形隨時(shí)間逐漸減小，且經(jīng)過近9個(gè)月的監(jiān)測時(shí)間，其變形都無法達(dá)到平衡。由圖5(b)可知，經(jīng)過長期對(duì)隧道出口段幾處二襯混凝土結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測，K83+200處結(jié)構(gòu)的應(yīng)變最大，K83+260處結(jié)構(gòu)的變形最小，但最終結(jié)構(gòu)的變形基本都達(dá)到平衡穩(wěn)定狀態(tài)。

3.4 綜合分析

通過對(duì)淺埋偏壓順層六漢隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變的長期動(dòng)態(tài)監(jiān)控測量，得到了初期支護(hù)與圍巖接觸應(yīng)力值和二次襯砌混凝土應(yīng)變值，而由公式δ=Eε計(jì)算得到二襯結(jié)構(gòu)承受荷載值，進(jìn)口段應(yīng)力平均為1.73～3.45 MPa，出口段應(yīng)力平均為0.43～1.01 MPa。并對(duì)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)比圖4(a)與圖5(a)、圖4(b)與圖5(b)可以看出，初支結(jié)構(gòu)承受了隧道圍巖的大部分作用有效荷載，而二襯結(jié)構(gòu)承擔(dān)的有效荷載遠(yuǎn)小于初支結(jié)構(gòu)，進(jìn)口段隧道圍巖傳遞的有效作用荷載較大，同時(shí)二襯結(jié)構(gòu)的變形也較大。

圖6 K82+710～K82+770段二襯裂紋圖Fig.6 Secondary lining crack in K82+730～K82+770 segment

根據(jù)六漢隧道現(xiàn)場觀察，在2017年11月左右，進(jìn)口段二襯結(jié)構(gòu)在拱腰處順層巖體偏壓造成不均衡的作用荷載，出現(xiàn)縱向微裂紋，且隨著時(shí)間變化，二襯結(jié)構(gòu)的微裂紋不斷沿縱向擴(kuò)展，如圖6所示。而混凝土抗折強(qiáng)度約為其立方體抗壓強(qiáng)度的1/10～1/5，在進(jìn)口段處作用在二襯結(jié)構(gòu)的有效荷載大于結(jié)構(gòu)的抗折強(qiáng)度設(shè)計(jì)值因此進(jìn)口段襯砌混凝土不能滿足抗折強(qiáng)度要求，結(jié)構(gòu)無法承受圍巖變形。

4 結(jié)論

(1)基于FLAC3D模擬結(jié)果，節(jié)理面層處存在局部最大不均衡應(yīng)力，故選取順層巖體隧道節(jié)理面層處布設(shè)原位監(jiān)測點(diǎn)，側(cè)向偏壓下二襯結(jié)構(gòu)破壞點(diǎn)與節(jié)理面層處最大不均衡應(yīng)力作用點(diǎn)基本一致，理論分析結(jié)果與現(xiàn)場開裂情況相符。

(2)通過六漢隧道初支與圍巖接觸面應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，掘進(jìn)量20～30 m后初支與圍巖接觸應(yīng)力的變化速率達(dá)到最大值，掘進(jìn)量達(dá)到80～90 m后隧道初支與圍巖接觸應(yīng)力基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。因此，可以根據(jù)掘進(jìn)量及時(shí)掌握圍巖應(yīng)力釋放程度，為下一步施工及支護(hù)時(shí)間提供科學(xué)合理依據(jù)。

(3)初支與圍巖接觸應(yīng)力和二襯結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測結(jié)果對(duì)比分析表明，初支結(jié)構(gòu)承受了隧道圍巖變形大部分有效荷載，二襯分擔(dān)了部分圍巖傳遞的有效偏壓力。現(xiàn)場監(jiān)測和δ=Eε理論計(jì)算可知，C25二襯鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承擔(dān)的有效應(yīng)力大于1.73 MPa，二襯結(jié)構(gòu)可能會(huì)產(chǎn)生一定損傷和破壞。