周吉學(xué)

(1. 武漢理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430070；2. 中鐵二十局集團(tuán)有限公司，西安 710016)

在國家“一帶一路”戰(zhàn)略的引領(lǐng)下，我國公共交通建設(shè)持續(xù)發(fā)力，打通絲綢之路建立高速鐵路網(wǎng)向西延伸將成為必然，沿線必將經(jīng)過青藏高原和新疆地區(qū)，將面臨海拔高、地勢(shì)起伏大、地質(zhì)條件復(fù)雜的挑戰(zhàn)與考驗(yàn).在此區(qū)域修建高鐵，所面對(duì)越嶺隧道的占比大，且多為大埋深、穿越不良地質(zhì)帶的長大隧道，施工過程中將對(duì)圍巖的穩(wěn)定性控制提出重大挑戰(zhàn).

以往施工中，此類復(fù)雜地質(zhì)條件下的大埋深長大隧道常遇到斷層破碎帶，對(duì)施工影響巨大.如世界著名的Tauem隧道和Arlberg隧道(奧地利)，以及Enasan隧道(日本)等，在開挖過程中都遇到過類似問題.我國近年來隧道開挖中也常遇到斷層破碎帶問題[1-2].宋瑞剛等[3]認(rèn)為破碎帶圍巖的突發(fā)失穩(wěn)與幾何-力學(xué)參數(shù)和綜合剛度比相關(guān).

在隧道開挖變形計(jì)算方面，房倩等[4]通過收集整理大量山嶺隧道變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析了圍巖變形量、圍巖變形穩(wěn)定時(shí)間與圍巖級(jí)別、隧道開挖面積等因素之間的關(guān)系，提出了不同圍巖級(jí)別下，隧道變形的建議控制值以及變形穩(wěn)定時(shí)間參考值.Lisjak等[5]基于對(duì)Mont Terri地下巖體實(shí)驗(yàn)室的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析認(rèn)為，巖體層狀特性對(duì)其近區(qū)變形特性有極大影響.Moffat等[6]則基于光纖光柵設(shè)備對(duì)巷道軸向應(yīng)變變化與分布規(guī)律進(jìn)行了研究.

縱剖面變形分布計(jì)算方法方面，張常光等[7]研究認(rèn)為，相比支護(hù)力系數(shù)法，位移釋放系數(shù)式法適用范圍更廣，可以考慮多種因素對(duì)隧道開挖面空間效應(yīng)的影響.Alejano等[8]基于理想彈塑性假定，對(duì)一定GSI(geological strength index)范圍內(nèi)的巖體進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算，并提出一種簡(jiǎn)化的圍巖塑性區(qū)半徑計(jì)算公式，用以優(yōu)化應(yīng)變軟化巖體縱斷面變形分布計(jì)算方法.Vlachopoulos等[9]則基于對(duì)最終徑向塑性位移計(jì)算方法的進(jìn)一步研究，對(duì)圍巖縱剖面變形能分析計(jì)算進(jìn)行了優(yōu)化.

蘇道振等[10]對(duì)小盤嶺隧道進(jìn)出口段多個(gè)監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，結(jié)果表明隧道持續(xù)變形一般到48 d才能穩(wěn)定，并且累計(jì)變形量很大，且利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，能夠比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)隧道圍巖在施工過程中的拱頂沉降及圍巖收斂.王開禾等[11]應(yīng)用改進(jìn)的遺傳模擬退火算法提高了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)精度.

數(shù)值分析方面，孫闖等[12]與Zhao等[13]均基于數(shù)值計(jì)算方法分析了軟巖隧道掘進(jìn)過程中圍巖變形隨隧道軸線變化過程.Basarir等[14]則考慮了巖體特性、隧道大小和掌子面后方圍巖的受力狀態(tài)等因素的影響，利用三維有限元分析對(duì)隧道縱剖面變形分布進(jìn)行了計(jì)算，并提出擬合公式.

以往的研究表明，在確定的圍巖條件下，選擇相宜的開挖與支護(hù)方法，增大成本與工期，往往能有效的控制圍巖變形.而在圍巖條件較好的情況下，開挖進(jìn)尺更大，支護(hù)更簡(jiǎn)單，對(duì)于突發(fā)性不良地質(zhì)帶的抵御能力則更弱.因此，當(dāng)掌子面前方突現(xiàn)破碎帶的情況下，極有可能誘發(fā)變形突變，甚至塌方.

由于以往的研究多采用二維平面模型進(jìn)行計(jì)算分析，因此所針對(duì)的問題大多也是考慮斷層破碎帶走向與隧道軸線平行的情況.本文主要針對(duì)厚度較小且走向與洞軸線垂直的斷層破碎帶，通過分析圍巖變形的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合理論分析與數(shù)值計(jì)算，探索隧道開挖鄰近穿越破碎帶時(shí)誘發(fā)的圍巖位移演化特征規(guī)律.

1 大梁隧道開挖變形特性

1.1 工程背景

蘭新高鐵(蘭州至烏魯木齊)被稱為“鋼鐵絲綢之路”，全長1 776 km，是世界上一次性建成通車?yán)锍套铋L的高速鐵路.其中，大梁隧道起止里程DK328+820～DK335+370,全長6 550 m，為雙線隧道，開挖高度13 m，跨度15 m，屬特大斷面隧道.洞內(nèi)線路坡度為6‰，-9‰的人字坡，除進(jìn)口端位于曲線上外，其余均位于直線上.隧道穿越了海拔超過4 000 m的祁連山，最大埋深超過600 m.隧道內(nèi)巖性變化較大，且存在多條斷層和破碎帶，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中重點(diǎn)防范的是鄰近出口處的F5斷層，寬度約100 m(如圖1所示，如表1所列[15]).由于開挖該洞段時(shí)采取了合理的開挖方法，利用超前支護(hù)預(yù)處理安全防護(hù)措施，因此并未產(chǎn)生明顯的大變形或圍巖破壞.然而，在原設(shè)計(jì)中風(fēng)險(xiǎn)較小的洞段卻產(chǎn)生了較大的變形突變和圍巖破壞.

表1 大梁隧道圍巖分級(jí)與設(shè)計(jì)開挖方法[15]Tab.1 Classification of surrounding rock and excavation method of Daliang tunnel[15]

1.2 施工期間面臨的問題

在進(jìn)行輔助正洞施工時(shí)，隧道埋深465 m的洞段，遇到了嚴(yán)重的突發(fā)大變形，最大下沉速率達(dá)41 mm/d，導(dǎo)致初期支護(hù)混凝土開裂和剝落，變形不收斂.設(shè)計(jì)報(bào)告表明，該洞段本應(yīng)為IV級(jí)圍巖，而實(shí)際揭示圍巖則為節(jié)理發(fā)育的黑色板巖，并且呈薄層壓碎狀，圍巖構(gòu)造擠壓特征突出，穩(wěn)定性差，導(dǎo)致采用原來設(shè)計(jì)的施工方法作業(yè)后產(chǎn)生了較大的圍巖變形.

DK331+885單日最大沉降量為56 mm，單日最大收斂值為30.8 mm；DK331+766測(cè)點(diǎn)4 d累計(jì)最大沉降量和收斂值分別高達(dá)197.5 mm、151.3 mm，其中單日最大沉降量和收斂值則分別為45.8 mm、29.9 mm.

2012年10月11日下午2時(shí)，當(dāng)開挖至DK334+241樁號(hào)時(shí)，距掌子面17～24 m處出現(xiàn)坍塌，初支鋼架受擠壓脫落，約185 m3破碎松散體失穩(wěn)涌入坑道(如圖2所示)，塌腔深3.5 m，高6 m，縱向長7 m.塌方區(qū)圍巖內(nèi)存在明顯呈碎塊狀壓碎結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)板巖夾層，受構(gòu)造作用強(qiáng)烈，不斷塌滑，圍巖處失穩(wěn)狀態(tài).塌方區(qū)周邊約10 m內(nèi)圍巖初支噴層多處開裂，拱頂噴層掉快嚴(yán)重，邊墻部分最大收斂值為1 m，初支侵限.圍巖監(jiān)控量測(cè)顯示，圍巖塌方使得該部位及周邊圍巖產(chǎn)生了較大變形，距塌方區(qū)5 m部位，當(dāng)天沉降值和收斂值分別高達(dá)36.4 mm和57.6 mm.

對(duì)該洞段及周邊圍巖的長期累積沉降與收斂變形值進(jìn)行觀察(如圖3所示)，可見該部位累積變形遠(yuǎn)大于周邊圍巖，原設(shè)計(jì)為III級(jí)圍巖，實(shí)際趨于穩(wěn)定時(shí)間更長.可見，準(zhǔn)確判斷前方圍巖級(jí)別，識(shí)別潛在的破碎帶，對(duì)于選擇合理的開挖方法，施加超前支護(hù)，主動(dòng)控制圍巖變形及穩(wěn)定，有著較重要的現(xiàn)實(shí)意義.

2 臨近破碎帶的圍巖位移特征分析

2.1 巖體物理力學(xué)參數(shù)與地應(yīng)力場(chǎng)

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)獲取的破碎帶巖體樣本進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)分析，結(jié)果表明，破碎帶巖體多為原生巖體在地質(zhì)作用下形成，其重度介于18.2～19.6 kN/m3，級(jí)配較均勻，顆粒較粗，同時(shí)又得到足量細(xì)顆粒填充，因此內(nèi)摩擦角與粘聚力均較高，其原生穩(wěn)定狀態(tài)下可視作等效彈塑性體，故采用了Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算，巖體物理力學(xué)參數(shù)如表2所列.

表2 圍巖與破碎帶物理力學(xué)參數(shù)Tab.2 Physical and mechanical parameters of surrounding rock and fracture zone

基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，在斜井輔助正洞孔深15.0 m、18.5 m、19.0 m和27.0 m得到有效地應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)，如表3所列.表明，在所測(cè)深度內(nèi)最大水平主應(yīng)力最大值為25.14 MPa，方向近似垂直于洞軸線；最小水平主應(yīng)力13.77 MPa；垂直應(yīng)力最大值為12.30 MPa；側(cè)壓力系數(shù)介于1.89～2.08之間，且與掌子面開挖斷面上觀測(cè)到的巖層彎曲現(xiàn)象一致.故基于測(cè)試結(jié)果將地應(yīng)力施加到計(jì)算模型中.

表3 鉛直鉆孔水壓致裂成果表[16]Tab.3 Result table of vertical drilling hydraulic fracturing[16]

2.2 破碎帶周邊位移有限元分析與對(duì)比

參考實(shí)際工程建立三維有限元計(jì)算模型，模型長寬均為100 m，深200 m.采用8節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分為117 872個(gè)單元和120 098個(gè)節(jié)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)面采用加密網(wǎng)格劃分，如圖4所示.利用單元生死技術(shù)模擬開挖過程，每次進(jìn)尺為1 m，計(jì)算朝向破碎帶掘進(jìn)過程中各測(cè)點(diǎn)圍巖變形演化過程.

對(duì)大梁隧道塌方區(qū)周邊開挖過程進(jìn)行分析，按照塌方區(qū)寬度及巖層傾角判斷破碎帶寬度約為7 m，傾角約為66°，走向與開挖方向垂直，傾向于開挖方向一致.參考實(shí)際開挖過程進(jìn)行計(jì)算，開挖速率為1 m/d，計(jì)算朝向破碎帶掘進(jìn)過程中各測(cè)點(diǎn)圍巖變形演化過程，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示.

通過對(duì)比距離破碎帶38 m的測(cè)點(diǎn)頂拱沉降變形計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值存在一定差別.一方面，計(jì)算所得變形曲線中，在測(cè)點(diǎn)開挖出露后1 d左右可見明顯的變形速率增大，即可見明顯的變形拐點(diǎn)，但在實(shí)測(cè)曲線中卻并未體現(xiàn)；另一方面，兩條曲線在第31 d的累積位移值大小存在高達(dá)10 mm的差別.然而，考慮到實(shí)際工程中，測(cè)點(diǎn)剛剛揭露時(shí)，緊貼掌子面附近作業(yè)往往存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)，因此，實(shí)際監(jiān)測(cè)過程通常在開挖出露后1 d甚至數(shù)天后才開始.故此，將監(jiān)測(cè)滯后的因素考慮進(jìn)來，將計(jì)算所得開挖曲線進(jìn)行左向平移，得到新的曲線.對(duì)比發(fā)現(xiàn)，考慮監(jiān)測(cè)滯后的變形曲線與實(shí)測(cè)曲線，無論是在變形趨勢(shì)上還是具體數(shù)值上均較為契合.

對(duì)向破碎帶掘進(jìn)過程中，周邊洞段各測(cè)點(diǎn)的頂拱沉降變化規(guī)律，進(jìn)行進(jìn)一步分析，并繪制三維曲面圖如圖6所示.

掌子面推進(jìn)到不同位置時(shí)，各測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降分布如圖6所示，其中測(cè)點(diǎn)與破碎帶距離為負(fù)值則表示測(cè)點(diǎn)位于破碎帶后方，掌子面與破碎帶距離從開挖后相距48 m一直到開挖后剛好揭露破碎帶(相距0 m)變化.可見當(dāng)掌子面不斷向破碎帶推進(jìn)時(shí)，各部位圍巖沉降變形差異較大.在遠(yuǎn)離破碎帶的洞段，圍巖變形隨開挖過程的變化速率先增大，后逐漸減??；破碎帶后方的測(cè)點(diǎn)由于距離開挖面較遠(yuǎn)，故變形相對(duì)較??；而當(dāng)掌子面靠近距離破碎帶不足20 m時(shí)，破碎帶附近區(qū)域的巖體內(nèi)部變形則已經(jīng)非.

考慮到實(shí)際監(jiān)測(cè)中的理想情況，即開挖揭露測(cè)點(diǎn)位置的同時(shí)開始變形監(jiān)測(cè)，其中距離破碎帶不同距離的測(cè)點(diǎn)沉降變化作為單獨(dú)的曲線進(jìn)行繪制，各測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降變形如圖6所示.可見，從測(cè)點(diǎn)暴露后開始計(jì)算，反而距離破碎帶51 m處的測(cè)點(diǎn)，其15 d內(nèi)所產(chǎn)生的累計(jì)變形值最大，距離破碎帶21 m的卻最小.如圖7所示進(jìn)行分析可知，距離破碎帶較近的測(cè)點(diǎn)，其總體累計(jì)變形能更大(含測(cè)點(diǎn)出露前產(chǎn)生的變形).因此，在一定范圍內(nèi)，距離破碎帶越近的測(cè)點(diǎn)在出露前(即位于掌子面之后時(shí))會(huì)產(chǎn)生更大的變形.從圍巖受力分析，則是由于破碎帶自身剛度較小，距離破碎帶越近的圍巖受到的約束約弱，故前期變形越大.

另一方面，測(cè)點(diǎn)的完整變形時(shí)間曲線應(yīng)有一個(gè)拐點(diǎn)，即從開始變形時(shí)的加速變形區(qū)，變形速率不斷增大，而在經(jīng)過拐點(diǎn)后，變形速率不斷減小.若將距破碎帶不同距離的測(cè)點(diǎn)變形曲線寫作時(shí)間的函數(shù)，如公式1所示.

δ(x)=f(x,t).

(1)

則，當(dāng)x確定時(shí)，函數(shù)應(yīng)在t>0處有1個(gè)拐點(diǎn)，而在前方一定距離存在破碎帶時(shí)，則拐點(diǎn)消失.考慮到常規(guī)條件下隧道圍巖變形監(jiān)測(cè)時(shí)測(cè)點(diǎn)布設(shè)的滯后性房倩等[4]，監(jiān)測(cè)到的隧道圍巖變形量并不是隧道圍巖總變形，也不是測(cè)點(diǎn)出露后的變形，而是測(cè)點(diǎn)出露后一段時(shí)間開始的累計(jì)變形，因此往往難以觀察到變形曲線中的拐點(diǎn).

對(duì)圍巖質(zhì)量變化較小其周邊無破碎帶的洞段(DK330+029～DK330+115)2013年2月18日的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，將不同部位測(cè)點(diǎn)按照其監(jiān)測(cè)天數(shù)和累計(jì)沉降變形的相互關(guān)系如圖8所示，可見頂拱累計(jì)沉降值與監(jiān)測(cè)天數(shù)的擬合曲線存在明顯拐點(diǎn).

為進(jìn)一步研究變形曲線拐點(diǎn)的位置，利用三次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，如公式2所示.

y=-0.001 2x3+0.111 7x2+0.186 6x.

(2)

相關(guān)系數(shù)R=98.6%

令y(x)的二階導(dǎo)數(shù)為0，可求得拐點(diǎn)位置為：x拐≈31.0 d，即在曲線中第31 d左右可見變形速率由不斷增大變化為不斷減小.然而對(duì)比圖6發(fā)現(xiàn)，在破碎帶周圍的測(cè)點(diǎn)在被揭露后觀測(cè)到的變形時(shí)間曲線中并未觀測(cè)到拐點(diǎn)，說明該點(diǎn)在開挖揭露前已經(jīng)受到開挖區(qū)的影響，原本應(yīng)較大的開挖卸荷變形，在揭露前已經(jīng)逐步發(fā)生，而在實(shí)際揭露后則變形速率逐漸減小.從圖6中也可觀察到，破碎帶周邊更近的部位，其變形時(shí)間曲線中的拐點(diǎn)出現(xiàn)在開挖暴露之前，即x拐<0.

2.3 破碎帶傾角對(duì)圍巖變形曲線的影響

對(duì)隧道掘進(jìn)穿越不同傾角破碎帶所誘發(fā)的圍巖變形進(jìn)行了分析.用如圖8所示的方法進(jìn)行分析，可得距破碎帶不同距離處測(cè)點(diǎn)的沉降變化曲線拐點(diǎn)位置分別如表4所列.在特定傾角的破碎帶影響下，距離破碎帶越近的部位，其變形時(shí)間曲線拐點(diǎn)出現(xiàn)的越早，而破碎帶傾角的變化對(duì)拐點(diǎn)位置也有較大影響.在傾角較小時(shí)，傾角變化對(duì)拐點(diǎn)位置變化影響更大，而在傾角90°左右時(shí)，其變化對(duì)拐點(diǎn)位置影響較小.比如在傾角為100°時(shí)，若測(cè)點(diǎn)在開挖揭露的同時(shí)開始變形監(jiān)測(cè)，則尚能在監(jiān)測(cè)幾天或十幾天后觀測(cè)到拐點(diǎn)，從而判斷前方幾十米處是否存在破碎帶，可以考慮適時(shí)調(diào)整開挖和支護(hù)參數(shù)，避免之后出現(xiàn)大規(guī)模施工災(zāi)害.

表4 圍巖傾角變化導(dǎo)致的不同測(cè)點(diǎn)拐點(diǎn)位置變化Tab.4 Change of inflection point of different measuring points caused by variation of surrounding rock inclination angle

3 結(jié)論

通過分析蘭新高鐵大梁隧道開挖過程中破碎帶塌方災(zāi)害，基于對(duì)隧洞不同部位圍巖變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的理論與數(shù)值分析，得到以下結(jié)論：

1) 在周邊無破碎帶且圍巖條件較好的洞段，隧道縱斷面的圍巖變形速率先增大后減小，圍巖變形曲線存在1個(gè)拐點(diǎn)，通過觀察其他洞段變形曲線拐點(diǎn)的出現(xiàn)時(shí)間，可以估計(jì)前方是否有破碎帶，從而選擇合適的開挖參數(shù)避免施工災(zāi)害.

2) 圍巖變形過程受到周邊破碎帶的顯著影響，使得圍巖變形時(shí)間曲線中拐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間提前，距離破碎帶更近的圍巖在開挖揭露前就可能產(chǎn)生大量變形，并且在開挖揭露后變形速率始終減小，無法觀測(cè)到拐點(diǎn).

3) 破碎帶傾角較小時(shí)，傾角變化對(duì)拐點(diǎn)位置變化影響更大，在傾角90°左右時(shí)，其變化對(duì)拐點(diǎn)位置影響較小.

在具體工程中，一方面需通過及時(shí)開展監(jiān)控量測(cè)工作更為準(zhǔn)確的獲取巖體在未受到破碎帶影響下變形時(shí)間曲線中拐點(diǎn)的出現(xiàn)時(shí)間；另一方面則有賴于更為先進(jìn)的技術(shù)手段更早的對(duì)圍巖測(cè)點(diǎn)開展變形觀測(cè).