李 鴻

(中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039)

隧道工程受地質(zhì)環(huán)境影響較大，特別是當(dāng)隧道穿越破碎地層時(shí)，常會(huì)導(dǎo)致大變形等相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害，已成為理論界和工程界極其關(guān)注的問題[1-3]。由于對(duì)大變形形成機(jī)理，控制方法認(rèn)識(shí)的不足，國內(nèi)外隧道發(fā)生大變形地質(zhì)災(zāi)害的工程事例屢見不鮮，它一直是困擾地下工程界的一大難題。國外如日本Enasan隧道、奧地利Tauern隧道等[4]，國內(nèi)如家竹菁隧道、關(guān)角隧道、大寨嶺隧道、堡子梁隧道、二郎山隧道、烏鞘嶺隧道、籃家?guī)r隧道等都出現(xiàn)過影響較大的大變形情況[5-8]，給工程建設(shè)造成了很多困難[9-12]。

由破碎泥質(zhì)巖隧道的施工研究表明，泥質(zhì)巖隧道的變形很多情況下是由于地下水作用下泥質(zhì)巖體產(chǎn)生較為明顯的強(qiáng)度損失導(dǎo)致的，體積擴(kuò)容現(xiàn)象并沒有膨脹巖那么明顯，本文通過分析某臺(tái)階工法隧道泥質(zhì)巖遇水軟化產(chǎn)生時(shí)機(jī)對(duì)隧道力學(xué)性能的影響，以期揭示泥質(zhì)巖遇水軟化產(chǎn)生時(shí)機(jī)與隧道結(jié)構(gòu)安全的關(guān)聯(lián)性，供泥質(zhì)巖隧道工程建設(shè)參考。

1 隧道工程概況及計(jì)算模型

本文以某隧道工程為依托進(jìn)行研究，該隧道全長6.5 km，洞身最大埋深263 m，洞高12.2 m，寬14.6 m，斷面形式如圖1所示，初支厚0.25 m(C25)，二襯0.45 m(C30)，軟巖區(qū)段設(shè)置錨桿和鋼拱架，錨桿長度3.5 m(0.8 m梅花型)，型鋼鋼拱架型號(hào)為I25B(縱距0.8 m)。隧址區(qū)地形起伏較大，橫向沖溝發(fā)育，控制區(qū)段圍巖以薄層狀泥質(zhì)巖地層為主，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，節(jié)理裂隙極其發(fā)育，巖體較破碎，施工采用上下臺(tái)階法。

圖1 依托隧道工程橫斷面

計(jì)算分析采用平面應(yīng)變模型，縱向取Z=0～-1 m，橫向X=-60～60 m，豎向Y=0～160 m，仰拱底部到底邊界74 m。底邊界、前后邊界(Z向)、左右邊界(X向)均施加法向約束，上邊界為自由邊界，并施加按等效自重應(yīng)力計(jì)算的邊界應(yīng)力值。圍巖、二襯、初支均采用實(shí)體單元模擬，錨桿加固區(qū)、初支鋼拱架采用等效提高單元參數(shù)進(jìn)行模擬。計(jì)算工具采用FLAC3D，相關(guān)參數(shù)見表1，根據(jù)現(xiàn)場工程經(jīng)驗(yàn)錨桿加固區(qū)參數(shù)按照圍巖參數(shù)提高20 %選取(圖2)。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

2 施工步驟及工況

根據(jù)施工工序，將圍巖弱化時(shí)機(jī)設(shè)置為如下5種工況：上臺(tái)階開挖錨桿后(工況1)、上臺(tái)階初支施做后(工況2)、下臺(tái)階開挖錨桿后(工況3)、下臺(tái)階初支施做后(工況4)、二襯施做完成后(工況5)。即分別在這5個(gè)階段開始對(duì)圍巖強(qiáng)度進(jìn)行折減，工況見表2，進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，在設(shè)定的工況時(shí)刻后，每計(jì)算10個(gè)時(shí)間步進(jìn)行一次塑性區(qū)搜索，應(yīng)力釋放通過控制施做支護(hù)前的計(jì)算時(shí)間步來近似控制，根據(jù)工程試驗(yàn)資料，泥質(zhì)圍巖遇水軟化后的強(qiáng)度按照最初強(qiáng)度的30 %折減。

表1 數(shù)值模擬模型參數(shù)

表2 施工工序及工況

3 圍巖遇水軟化時(shí)機(jī)對(duì)隧道的影響分析

3.1 位移影響分析

選取各工況拱頂沉降、底板隆起、上臺(tái)階收斂、下臺(tái)階收斂進(jìn)行位移分析，各工況位移見圖3。可以看出：各工況中隧道上臺(tái)階開挖后洞周位移便開始產(chǎn)生，且均無收斂趨勢，從發(fā)展變形速率來看，上、下臺(tái)階的水平變形速率較拱頂和底板隆起要快；從各工況A段1、3和C段2、4可以看出，錨桿支護(hù)后變形速率仍然較大，圍巖應(yīng)力釋放較快；初期支護(hù)閉合后，變形速率明顯降低，但變形仍按照較低的速率發(fā)展；二襯施做后，變形逐漸得到控制，且有明顯收斂趨勢，各工況變形趨勢大致相同，最終收斂量值有差異。

可以推斷如果支護(hù)施作過晚，會(huì)導(dǎo)致更大的收斂值或不收斂，所以及時(shí)支護(hù)在施工中是很有必要的。下臺(tái)階開挖后，圍巖再一次發(fā)生應(yīng)力重分布，洞周位移繼續(xù)發(fā)展，從變形速率來看，下臺(tái)階的開挖對(duì)下臺(tái)階收斂影響更大，底板隆起值受其影響更?。蝗鐖D4所示，上、下臺(tái)階初支交接位置洞周剪應(yīng)力較大，應(yīng)力較集中，容易產(chǎn)生變形和破壞；在支護(hù)剛度和強(qiáng)度足夠時(shí)，圍巖軟化時(shí)機(jī)對(duì)變形趨勢影響不大，但對(duì)變形值大小有影響，圍巖軟化越早，變形值越大，如圖5所示；在V級(jí)圍巖條件下，由于圍巖強(qiáng)度低，初支對(duì)變形控制有明顯效果，但位移曲線無收斂趨勢，不能保證長時(shí)間的隧道安全，二襯需作承載結(jié)構(gòu)考慮，施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)密進(jìn)行監(jiān)控量測，及時(shí)施作支護(hù)。

(a)工況1位移監(jiān)測點(diǎn)時(shí)程曲線

(b)工況2位移監(jiān)測點(diǎn)時(shí)程曲線

(c)工況3位移監(jiān)測點(diǎn)時(shí)程曲線

(d)工況4位移監(jiān)測點(diǎn)時(shí)程曲線

(e)工況5位移監(jiān)測點(diǎn)時(shí)程曲線

(f)工況6位移監(jiān)測點(diǎn)時(shí)程曲線圖3 各工況位移曲線(單位：m)

圖4 工況6臺(tái)階開挖錨桿支護(hù)后洞周剪應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖5 各工況下拱頂沉降、底板隆起對(duì)比

3.2 圍巖塑性區(qū)影響分析

選取各工況圍巖塑性區(qū)圖進(jìn)行分析，各工況塑性區(qū)圖見圖6，各工況塑性區(qū)面積見圖7。最終塑性區(qū)圖像均呈蝴蝶狀，表現(xiàn)為塑性區(qū)分布于隧道橫向兩側(cè)，自拱腰和墻腳向圍巖中延伸較遠(yuǎn)，拱墻延伸較近，拱頂和底板最近；絕大多數(shù)發(fā)生塑性屈服的單元均為剪切破壞，只有在洞周拱頂、拱腰區(qū)域有少部分單元發(fā)生受拉破壞；塑性區(qū)圍巖弱化時(shí)刻越早，塑性區(qū)范圍也越大，不發(fā)生弱化最小，塑性區(qū)面積值極差在300 m2左右，向拱頂兩側(cè)延伸最明顯。

圖6 各工況塑性區(qū)

圖7 各工況塑性區(qū)面積(單位：m2)

塑性區(qū)呈蝴蝶狀，是由于兩側(cè)拱腰和墻腳存在較大的剪應(yīng)力，如圖4所示，可以推斷這些區(qū)域的支護(hù)結(jié)構(gòu)也處于較大的應(yīng)力狀態(tài)；拱頂附近存在受拉塑性區(qū)，在未進(jìn)行支護(hù)時(shí)洞周發(fā)生掉塊的可能性很大。

3.3 襯砌安全性評(píng)價(jià)

3.3.1 主應(yīng)力影響分析

提取各工況二襯最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力圖對(duì)襯砌安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，如圖8所示，圖中僅展示了工況1、工況3、工況5中二襯最大和最小主應(yīng)力圖?？梢钥闯觯撼r2外，各工況均無受拉區(qū)域，相對(duì)于其他區(qū)域，兩側(cè)拱腰和墻腳屬于高應(yīng)力區(qū)域；弱化起始時(shí)刻發(fā)生在二襯施做之前(工況1～工況4)，最大壓應(yīng)力逐漸減小，但發(fā)生在二襯施做之后則增大，如圖9所示。

圖8 各工況二襯最大、最小主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖9 二襯最小主應(yīng)力最值

各工況中墻腳均主要是受壓，且相對(duì)于其他區(qū)域?qū)儆诟邞?yīng)力區(qū)域，在支護(hù)截面設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加以重視和加強(qiáng)，如使用大墻腳復(fù)合式襯砌設(shè)計(jì)；二襯主應(yīng)力圖兩側(cè)拱腰和拱腳應(yīng)力較高與圍巖塑性區(qū)的蝴蝶型分布是一致。

工況1～工況4二襯最大壓主應(yīng)力逐漸降低而工況5又升高可以理解為：當(dāng)圍巖弱化起始時(shí)刻發(fā)生在二襯施做之前時(shí)，弱化時(shí)刻越早二襯施做時(shí)洞周變形量越大，塑性區(qū)擴(kuò)展也越大，則應(yīng)力釋放更多而圍巖的自承能力更小，所以二襯承擔(dān)的就更多，壓應(yīng)力也更大；圍巖弱化起始時(shí)刻發(fā)生在二襯施做之后，前期變形較1至工況4工況少，圍巖應(yīng)力釋放少，且由于二襯剛度相對(duì)圍巖大得多，圍巖弱化后二襯直接參與到應(yīng)力的重分布中，二襯也將承擔(dān)更多，這兩項(xiàng)因素導(dǎo)致了二襯較大的壓應(yīng)力。

3.3.2 內(nèi)力影響分析

設(shè)置如圖10所示7個(gè)測點(diǎn)，提取每處測點(diǎn)過兩單元體中心點(diǎn)(二襯采用兩層實(shí)體單元模擬)連線且法向沿二襯橫截面軸線切線的彎矩、剪力和軸力，并采用破損階段法計(jì)算安全系數(shù)，結(jié)果見表3。

圖10 二襯內(nèi)力提取測點(diǎn)

由表3可以得出：圍巖軟化時(shí)機(jī)對(duì)二襯內(nèi)力分布特征影響不大，各工況內(nèi)力和安全系數(shù)分布規(guī)律大致相同；拱頂彎曲應(yīng)力表現(xiàn)為內(nèi)側(cè)受拉，仰拱彎曲應(yīng)力表現(xiàn)為外側(cè)受拉；軸力均表現(xiàn)為壓應(yīng)力；安全系數(shù)均為靠近側(cè)墻下側(cè)(或墻腳)處較小，向拱頂和仰拱逐漸增大，仰拱比拱頂大。

表3 二襯各測點(diǎn)內(nèi)力及安全系數(shù)

圖11 各工況最小安全系數(shù)

圖11為各工況最小安全系數(shù)，表4為最小安全系數(shù)發(fā)生的位置，可以發(fā)現(xiàn)除工況1外各工況最小安全系數(shù)均發(fā)生在墻腳位置，且均大于按破損階段法驗(yàn)算截面強(qiáng)度的安全系數(shù)限值3.6；在二襯施做之前，圍巖軟化時(shí)機(jī)越晚，安全系數(shù)越大，但圍巖軟化發(fā)生在二襯之后，安全系數(shù)又會(huì)減小。

4 結(jié)論

本文針對(duì)破碎泥質(zhì)圍巖在地下水作用下易產(chǎn)生較為明顯的強(qiáng)度損失導(dǎo)致隧道較大變形的問題，通過數(shù)值模擬，對(duì)圍巖軟化時(shí)機(jī)與隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了研究，主要對(duì)比了不同軟化時(shí)機(jī)條件下隧道結(jié)構(gòu)體系位移場、塑性區(qū)

表4 各工況最小安全系數(shù)

形態(tài)及面積、二襯應(yīng)力及內(nèi)力分布，有如下幾點(diǎn)啟示:

(1)在支護(hù)剛度和強(qiáng)度足夠時(shí)，圍巖遇水軟化時(shí)機(jī)對(duì)洞周變形趨勢影響不大，但對(duì)其量值有影響，圍巖遇水軟化越早，變形值越大。

(2)圍巖遇水軟化時(shí)機(jī)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布特征影響不大，墻腳往往是控制截面，對(duì)二襯安全系數(shù)有影響。

(3)在支護(hù)剛度和強(qiáng)度足夠時(shí)，圍巖遇水軟化時(shí)機(jī)對(duì)塑性區(qū)分布特征影響不大，但對(duì)進(jìn)入塑性區(qū)的圍巖面積有影響，圍巖遇水軟化時(shí)機(jī)越早塑性區(qū)面積越大，且向拱頂兩側(cè)延伸最明顯。

(4)V級(jí)圍巖條件強(qiáng)度低，初支雖對(duì)洞周變形有明顯控制效果，但有明顯不收斂趨勢，不能保證長時(shí)間的隧道安全，二襯需作承載結(jié)構(gòu)考慮。