韓會軍 喬棟磊 何 聰 梁 斌

(1.中鐵十五局集團(tuán)第五工程有限公司,天津 300133;2.河南科技大學(xué)土木工程學(xué)院,河南 洛陽 471000)

軟巖大體上可以從三個方面定義,即巖性指標(biāo)范疇、工程范疇以及地質(zhì)學(xué)描述范疇[1]。巖石工程學(xué)界從巖石力學(xué)特性出發(fā)將其單軸抗壓強(qiáng)度處于0.5～30 MPa、彈性模量小且變形較大的巖層定義為軟巖[2]。隨著鐵路、公路、水利工程建設(shè)的不斷發(fā)展,我國中西部地區(qū)隧道建設(shè)呈現(xiàn)出特長、深埋等特點。目前長隧道施工雖然不再是工程建設(shè)的難題,但是在圍巖軟弱、高地應(yīng)力的地質(zhì)條件下,圍巖大變形仍是開挖過程中面臨的最主要的地質(zhì)災(zāi)害之一。如川藏鐵路的折多山隧道、寶中線上的木寨嶺隧道、麗香鐵路的中義隧道等,給工程建設(shè)順利實施造成極大困難[3-5]。因此,在隧道開挖前對其進(jìn)行大變形預(yù)測,并根據(jù)預(yù)測結(jié)果制定相應(yīng)的控制措施可以促進(jìn)隧道施工安全順利進(jìn)行。

關(guān)于隧道圍巖大變形的定義,目前還尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識和標(biāo)準(zhǔn)[6]?，F(xiàn)階段學(xué)術(shù)界從其發(fā)生機(jī)制和破壞特征出發(fā),定性地認(rèn)為圍巖大變形是一種因剪應(yīng)力達(dá)到極限失穩(wěn)蠕變而導(dǎo)致的具有時效性的圍巖變形行為,這種具有明顯時間效應(yīng)的塑性破壞活動與圍巖坍塌、巖爆等圍巖破壞活動存在顯著差異[7]。針對圍巖大變形分類和預(yù)測等問題,國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究工作。王成虎等[8]根據(jù)大變形發(fā)生原因?qū)⑵浞譃閼?yīng)力型、材料型和結(jié)構(gòu)型3 類,并改進(jìn)了應(yīng)力型大變形的預(yù)測公式。周航等[9]分析了典型大變形隧道的發(fā)生規(guī)律,全面選取了圍巖最大主應(yīng)力等13 項評價指標(biāo),通過理想點法理論建立了組合賦權(quán)—理想點大變形預(yù)測模型。何樂平等[10]基于15 個評價指標(biāo)將圍巖大變形分為4 級,通過主客觀權(quán)重建立博弈論—云模型,得到了一種新的大變形風(fēng)險評估方法。劉振銳等[11]在改進(jìn)的云模型理論的基礎(chǔ)上,將大變形指標(biāo)進(jìn)行融合,提出了一種可以充分考慮到不確定因素的圍巖大變形評價方法即改進(jìn)云模型評價方法。雖然大變形預(yù)測方法較多,但由于大變形理論研究尚不成熟,加之現(xiàn)場地質(zhì)條件復(fù)雜[12],因此,目前緊密結(jié)合工程地質(zhì)分析及開挖后圍巖二次應(yīng)力場的準(zhǔn)確且實用的大變形分析預(yù)測方法卻較少。

基于現(xiàn)有研究成果,結(jié)合圍巖大變形發(fā)生機(jī)制對大變形類型做進(jìn)一步劃分:圍巖應(yīng)力控制型大變形、巖體成分控制型大變形、巖體結(jié)構(gòu)控制型大變形和采空區(qū)擾動控制型大變形,基于此建立隧道圍巖大變形預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)。以筆架山深埋公路隧道為例,在地應(yīng)力測試基礎(chǔ)上結(jié)合已有地質(zhì)調(diào)查結(jié)果,建立3D 地質(zhì)計算模型,將反演所得隧道工程區(qū)地應(yīng)力場作為開挖模型邊界條件,計算分析開挖后圍巖變形特征及二次應(yīng)力場環(huán)境。綜合工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)特征應(yīng)用所建大變形預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)對大變形類型、機(jī)制及破壞模式進(jìn)行綜合分析預(yù)測,基于開挖后圍巖二次應(yīng)力場環(huán)境及巖體性質(zhì)結(jié)合大變形分級標(biāo)準(zhǔn)對大變形程度進(jìn)行預(yù)測。根據(jù)預(yù)測結(jié)果結(jié)合工程地質(zhì)特征為各區(qū)段制定科學(xué)合理的隧道開挖支護(hù)方案以控制圍巖變形。

1 隧道工程區(qū)地質(zhì)環(huán)境概況

1.1 工程概況

筆架山公路隧道位于巫溪縣白鹿鎮(zhèn)境內(nèi),為雙向分離式隧道,隧道全長約5 000 m,為特長公路隧道。左線起訖歷程為ZK23+248.0～ZK28+245.0,右線起訖里程為YK23+266.0～YK28+265.0。隧道工程區(qū)位于秦嶺山脈南麓,山脊走向呈東西向,隧道軸線走向N13°W,隧道橫穿山脊。工程區(qū)內(nèi)以高中山區(qū)為主,沿線山頂高程多在1 000 m 以上,山脊最高海拔高程為1 972 m,進(jìn)口設(shè)計隧道路面高程為539 m,出口設(shè)計隧道路面高程為637 m,隧道線路縱坡坡度1.95%,筆架山隧道最大埋深為1 382 m。

1.2 工程地質(zhì)條件

隧道沿線地處四川盆地邊緣山區(qū),區(qū)內(nèi)巖溶地貌為主,地形地貌形態(tài)復(fù)雜。區(qū)域內(nèi)地下水分布不均,以基巖裂隙水和碳酸鹽巖類裂隙溶洞水為主,K24+484～K24+701 與K25+792～K26+565 區(qū)段為巖溶水子系統(tǒng)區(qū)段,地下水發(fā)育,水量受季節(jié)影響較大。工程區(qū)所處的秦嶺山脈褶皺構(gòu)造聚集,區(qū)域內(nèi)斷層不發(fā)育,隧道穿越2 個向斜、2 個背斜,由北向南依次為貓兒籠背斜、貝母淌向斜、橙子巖背斜以及秀登城向斜,區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造作用復(fù)雜。隧道主要穿越地層巖性由老到新為:志留系下統(tǒng)雙河場組(S1sh)、志留系中統(tǒng)徐家壩群(S2xj)、二疊系中統(tǒng)棲霞組(P2q)、二疊系上統(tǒng)吳家坪組(P3w)、二疊系中統(tǒng)茅口組(P2m)以及三疊系下統(tǒng)大冶組(T1d1),筆架山隧道地質(zhì)構(gòu)造縱斷面見圖1。

圖1 地質(zhì)構(gòu)造縱斷面Fig.1 Longitudinal section of geological structure

2 地應(yīng)力場反演

圍巖應(yīng)力場環(huán)境是大變形發(fā)生與否的重要影響因素,為準(zhǔn)確地進(jìn)行圍巖大變形預(yù)測,基于工程區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場環(huán)境,結(jié)合地應(yīng)力實測資料通過Midas GTS NX 反演區(qū)域內(nèi)完整的地應(yīng)力場,分析隧道沿線應(yīng)力場的分布規(guī)律,為圍巖大變形預(yù)測奠定基礎(chǔ)。

2.1 工程區(qū)地應(yīng)力場分布

2.1.1 地應(yīng)力測試結(jié)果

在區(qū)域內(nèi)貝母淌向斜核部采用水壓致裂法進(jìn)行地應(yīng)力測試,這種方法是在同一測點3 個不同方向的鉆孔中獨立進(jìn)行的,以此測量各方向應(yīng)力分量,進(jìn)而得到三維初始應(yīng)力狀態(tài)[13],為研究地應(yīng)力場特征,現(xiàn)場測試結(jié)果見表1。

表1 測孔初始應(yīng)力實測結(jié)果Table 1 Measured results of initial stress in measuring hole

根據(jù)地應(yīng)力測量結(jié)果:最大水平主應(yīng)力σH方向在N22°～35°W 范圍內(nèi),與隧道軸線方向N13°W 呈小角度相交,隧道布置方向有利于圍巖穩(wěn)定。在埋深601.7～846.9 m,σH值為15.7～24.4 MPa,豎向應(yīng)力σv值為13.2～23.3 MPa,最小水平主應(yīng)力σh值為8.8～14.9 MPa,故σH>σv>σh,區(qū)域內(nèi)該埋深范圍內(nèi)構(gòu)造作用較強(qiáng),最大水平主應(yīng)力方向側(cè)壓力系數(shù)λH為1.06～1.34,故豎向應(yīng)力與最大水平主應(yīng)力相近,鉆孔附近地應(yīng)力場由構(gòu)造應(yīng)力場及自重應(yīng)力場聯(lián)合作用形成。

2.1.2 地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場

巖體自重和地質(zhì)構(gòu)造作用共同構(gòu)成區(qū)域內(nèi)地應(yīng)力場,對構(gòu)造作用下形成的構(gòu)造應(yīng)力場進(jìn)行研究可以整體把握地應(yīng)力場的大致規(guī)律,其可為地質(zhì)計算模型應(yīng)力邊界的確定提供依據(jù)?；谠摰貐^(qū)震源機(jī)制解提取工程區(qū)最大水平主應(yīng)力走向,如圖2 所示,由圖2 可知,區(qū)域內(nèi)構(gòu)造作用引起的σH方向總體表現(xiàn)為NNW 向[14]。

圖2 區(qū)域最大主應(yīng)力方向分布Fig.2 Regional maximum principal stress direction distribution

2.2 有限元地質(zhì)模型建立

對區(qū)域內(nèi)不同地層單元共選取62 組巖樣進(jìn)行試驗,巖樣見圖3。根據(jù)巖樣試驗值確定有限元模型巖體物理力學(xué)參數(shù),如表2 所示。

表2 筆架山地層巖體力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of rock mass in Bijiashan strata

圖3 鉆孔巖芯Fig.3 Drill hole rock core

適當(dāng)擴(kuò)大地質(zhì)模型邊界范圍以減少邊界效應(yīng)對計算結(jié)果準(zhǔn)確性的影響,最終在區(qū)域內(nèi)沿隧道走向選擇一塊5 000 m×1 000 m 的矩形區(qū)域作為數(shù)值計算區(qū)域。以隧道軸線走向N13°W 為x軸,模型底部高程為150 m,上部取至地層表面,隧道位于地質(zhì)模型中央,地層采用摩爾庫倫本構(gòu)模型進(jìn)行模擬。根據(jù)筆架山隧道地質(zhì)構(gòu)造縱斷面圖,考慮褶皺構(gòu)造及地層巖性影響,基于區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場環(huán)境,采用直接調(diào)整邊界條件的方法結(jié)合實測地應(yīng)力結(jié)果,確定邊界條件,建立隧道工程區(qū)地質(zhì)模型,3D 數(shù)值計算模型見圖4。

圖4 有限元地質(zhì)模型Fig.4 Finite element geological model

2.3 地應(yīng)力場結(jié)果分析

提取地質(zhì)模型在向斜地應(yīng)力測試處埋深601.7～846.9 m 范圍內(nèi)x向應(yīng)力σx、y向應(yīng)力σy以及xy平面內(nèi)剪應(yīng)力τxy值,豎向應(yīng)力為14.1～24.5 MPa,由式(1)、式(2)計算得σH為14.4～23.9 MPa,最大水平主應(yīng)力方向α0為N18°～33°W,并與初始應(yīng)力實測結(jié)果作對比,最大水平主應(yīng)力量值范圍誤差在3.2%～8.3%,豎向應(yīng)力量值范圍誤差在4.9%～7.8%。對比可知,初始應(yīng)力場反演結(jié)果與初始應(yīng)力場實測結(jié)果方向近似,且在量值上相近,驗證了地質(zhì)模型反演所得初始應(yīng)力場的準(zhǔn)確性。

根據(jù)地質(zhì)模型提取隧道沿線最大主應(yīng)力σmax、z向應(yīng)力σz和σx,如圖5 所示。由圖5 可知:隧道沿線σx量值范圍為4.17～8.03 MPa,處于較穩(wěn)定狀態(tài);豎向應(yīng)力在里程K25+907 區(qū)段附近最大為29.00 MPa,與隧道最大埋深段相對應(yīng)。在隧道埋深較小處,σz值較小,其與水平向應(yīng)力相近,此時地應(yīng)力場由構(gòu)造應(yīng)力場以及自重應(yīng)力場聯(lián)合作用產(chǎn)生;埋深超過720 m 時,σz值超過水平向應(yīng)力,隨著隧道埋深的增加,地應(yīng)力場逐漸由自重應(yīng)力場主導(dǎo)。計算所得σH方向為N20°～36°W,其與隧道走向夾角較小,對隧道圍巖穩(wěn)定有利。

依據(jù)《GB/T 50218—2014 工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》[15],采用Rc/σmax初始應(yīng)力狀態(tài)評估標(biāo)準(zhǔn)對隧道沿線應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行劃分,劃分標(biāo)準(zhǔn)如下:當(dāng)Rc/σmax<4 時,處于極高應(yīng)力狀態(tài);當(dāng)4≤Rc/σmax≤7 時,處于高應(yīng)力狀態(tài);當(dāng)Rc/σmax>7 時,處于正常應(yīng)力狀態(tài)?；趫D5 隧道各區(qū)段最大主應(yīng)力結(jié)合巖體Rc值計算Rc/σmax,計算結(jié)果如圖6 所示,Rc/σmax在0.35～4.83范圍內(nèi),故隧道沿線處于高到極高應(yīng)力狀態(tài)。

圖5 隧道沿線應(yīng)力分布圖Fig.5 Stress distribution diagram along the tunnel

圖6 隧道沿線各里程Rc/σmax 值Fig.6 Rc/σmax value of each mileage along the tunnel

3 圍巖大變形綜合分析預(yù)測

為更精準(zhǔn)進(jìn)行大變形預(yù)測,基于現(xiàn)有研究成果,從其發(fā)生機(jī)制出發(fā)對圍巖大變形類型做進(jìn)一步劃分:受圍巖二次應(yīng)力場控制的大變形、受圍巖材料成分控制的大變形、受巖體結(jié)構(gòu)控制的大變形和受采空區(qū)擾動控制的大變形,在此基礎(chǔ)上建立圍巖大變形地質(zhì)預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)。本文研究基于所建大變形預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)采用數(shù)值模擬與地質(zhì)分析預(yù)測預(yù)報2 種方法對筆架山隧道圍巖大變形類型、機(jī)制、破壞模式以及變形程度進(jìn)行綜合分析預(yù)測。

3.1 大變形預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)建立

基于上述圍巖大變形分類及大變形典型隧道實例分析,選擇圍巖應(yīng)力、巖體性質(zhì)以及工程地質(zhì)條件作為地質(zhì)綜合分析預(yù)測的預(yù)測參數(shù),建立圍巖大變形預(yù)測預(yù)報的判別標(biāo)準(zhǔn),見表3,依此進(jìn)行圍巖大變形超前預(yù)測。

表3 圍巖大變形地質(zhì)預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Geological prediction standard for large deformation of surrounding rock

3.2 地質(zhì)綜合分析預(yù)測

3.2.1 巖體性質(zhì)分析

筆架山隧道巖體性質(zhì)如下:

(1)隧道穿越地層中,T1d1灰?guī)r、S2xj 頁巖、S2xj泥巖以及S1sh 頁巖為軟弱圍巖。

(2)根據(jù)試驗所得巖樣軟化系數(shù)判斷:S2xj 頁巖軟化系數(shù)為0.73,S1sh 頁巖軟化系數(shù)為0.70,S2xj 泥巖軟化系數(shù)為0.76,3 類巖體為遇水易軟化軟巖,在地下水發(fā)育區(qū)段,地下水軟化作用明顯,圍巖強(qiáng)度大大降低。

(3)區(qū)域內(nèi)無斷層破碎帶,在勘察期間對隧址區(qū)巖體節(jié)理裂隙進(jìn)行了統(tǒng)計并對各控制性鉆孔進(jìn)行了聲波測井,綜合2 項結(jié)果資料,對巖體完整程度進(jìn)行判定,區(qū)域內(nèi)普遍發(fā)育層面裂隙,但大部分區(qū)段結(jié)構(gòu)面組數(shù)不超過3 組,巖體較完整,局部區(qū)段圍巖巖體較破碎。該類巖性具備圍巖大變形發(fā)生的基本條件。

3.2.2 地應(yīng)力環(huán)境分析

工程區(qū)內(nèi)地應(yīng)力的高低是大變形發(fā)生與否的關(guān)鍵性因素,其為大變形的發(fā)生提供能量。筆架山隧道最大埋深為1 382 m,根據(jù)地應(yīng)力場反演結(jié)果,隧道沿線圍巖應(yīng)力處于高到極高應(yīng)力狀態(tài),最大主應(yīng)力值為7.68～34.41 MPa,滿足圍巖大變形發(fā)生所需的能量條件。

3.2.3 采空區(qū)影響性分析

隧道沿線與一“U”煤礦采空區(qū)在平面上兩次相交,但采空區(qū)位于隧道設(shè)計標(biāo)高之上約500 m,見圖7。兩者相距較遠(yuǎn),根據(jù)圣維南原理,區(qū)域內(nèi)采空區(qū)對隧道開挖變形影響較小可忽略。天然地質(zhì)運動產(chǎn)生的空洞在施工開挖過程中通過超前地質(zhì)預(yù)報確定位置及大小,防止擾動控制型大變形的發(fā)生。

圖7 采空區(qū)與隧道標(biāo)高位置關(guān)系Fig.7 Location relation diagram of goaf and tunnel

3.2.4 大變形類型、機(jī)制及破壞模式分析預(yù)測

根據(jù)上述地質(zhì)特征分析,由A1 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行大變形類型、機(jī)制以及破壞模式預(yù)測,區(qū)域內(nèi)大變形為二次應(yīng)力控制型大變形。軟弱巖層的單軸抗壓強(qiáng)度較低,其自身承載能力較弱,隧道沿線軟弱圍巖區(qū)段圍巖應(yīng)力處于高—極高應(yīng)力狀態(tài)。隧道開挖卸荷后,圍巖從三向應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槎驊?yīng)力狀態(tài),圍巖峰值強(qiáng)度隨圍壓減小而下降,且地應(yīng)力重分布產(chǎn)生高水平二次應(yīng)力,超過軟巖的抗載能力,部分圍巖發(fā)生塑性流動變形。塑性變形的發(fā)展使得巖體閉合的結(jié)構(gòu)面張開滑移,圍巖強(qiáng)度參數(shù)不斷減少,同時區(qū)域內(nèi)地下水沿張開裂隙滲流入巖體內(nèi)部,地下水對S2xj 頁巖及S1sh 頁巖軟化作用加強(qiáng),圍巖強(qiáng)度的軟化又進(jìn)一步加劇了大變形的發(fā)展[16]。此類環(huán)境下,發(fā)生擠出或彎曲鼓出型變形的可能性較大,最終圍巖巖體因拱頂下沉或邊墻內(nèi)鼓變形發(fā)生剪切破壞。

3.3 有限元計算預(yù)測分析

選取隧道軟弱圍巖區(qū)段18 個不同巖性、不同埋深開挖斷面,通過有限元軟件建立隧道開挖模型,分析圍巖變形特征,研究開挖后圍巖二次應(yīng)力場環(huán)境,為準(zhǔn)確預(yù)測隧道圍巖大變形級別奠定基礎(chǔ)。

3.3.1 有限元開挖模型建立

隧道施工開挖對圍巖影響范圍為3～5 倍洞徑,根據(jù)隧道斷面尺寸確定開挖模型x、z向尺寸為80 m×80 m,沿隧道走向即y向選取10 m。為提升網(wǎng)格劃分質(zhì)量,模型使用混合四面體網(wǎng)格;在隧道開挖斷面處進(jìn)行尺寸控制,提高開挖模型計算結(jié)果準(zhǔn)確性。從地質(zhì)模型中提取隧道高程處應(yīng)力σx與σz,為開挖模型添加應(yīng)力邊界,邊界由圖5 確定。開挖模擬采用摩爾庫倫本構(gòu)模型,圍巖參數(shù)由表2 確定。三維隧道開挖模型如圖8 所示。

圖8 隧道開挖模型Fig.8 Tunnel excavation model

3.3.2 圍巖變形部位及應(yīng)力特征

在隧道開挖施工后,斷面內(nèi)主要變形出現(xiàn)在拱頂與拱底,最大位移變形均為拱頂沉降變形;相較于豎向變形,埋深較小時兩側(cè)壁水平向擠壓變形并不顯著。選取計算得到的不同埋深典型斷面位移變形云圖,列舉具有代表性的斷面K23+376 和K25+300 進(jìn)行說明,K23+376 埋深約為90 m,σx=4.5MPa,σz=3.8 MPa;K25+300 埋深約為1 260 m,σx=5.9 MPa,σz=28.0 MPa。豎向位移云圖見圖9,水平位移云圖見圖10,最大主應(yīng)力云圖見圖11。

由圖9 可知:隧道圍巖在豎向應(yīng)力較大情況下,圍巖發(fā)生較大變形,拱頂變形量值可達(dá)0.50 m。在實際施工過程中若不及時施加支護(hù),將會發(fā)生大變形地質(zhì)災(zāi)害。由圖10 可知,隨著隧道埋深的增加,圍巖側(cè)壁總體表現(xiàn)為外側(cè)擠壓,但在豎向應(yīng)力遠(yuǎn)大于水平應(yīng)力的情況下,隧道邊墻小范圍內(nèi)出現(xiàn)內(nèi)鼓變形,且遠(yuǎn)大于圍巖深部外側(cè)擠壓變形。由圖11 可知,不同埋深下,隧道左右邊墻及拱腳處存在不同程度的最大主應(yīng)力集中,最大主應(yīng)力峰值出現(xiàn)在隧道邊墻,故該部位亦為變形破壞部位,且埋深越大,壓應(yīng)力集中程度越高。在高應(yīng)力環(huán)境下,開挖后隧道邊墻可能產(chǎn)生塑性內(nèi)鼓變形破壞。隧道拱頂及仰拱部分區(qū)域最大主應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力,與圍巖較大沉降、隆起變形相對應(yīng)。綜合圖9、圖10 及圖11,隧道圍巖水平位移相較于豎向位移較小,故圍巖總體的位移變形趨勢以拱頂、仰拱豎向位移為主,但在高初始應(yīng)力區(qū)段,邊墻內(nèi)鼓大變形亦會發(fā)生。

圖9 典型斷面豎向位移比較Fig.9 Comparison of vertical displacement of typical sections

圖10 典型斷面水平位移比較Fig.10 Comparison of horizontal displacement of typical sections

圖11 最大主應(yīng)力云圖Fig.11 Maximum principal stress nephogram

3.4 圍巖大變形程度預(yù)測

圍巖大變形程度預(yù)測借鑒賈學(xué)斌[17]綜合國內(nèi)外典型大變形隧道發(fā)生大變形時應(yīng)力環(huán)境及巖體特征,最終確定的強(qiáng)度應(yīng)力比大變形分級標(biāo)準(zhǔn),分級標(biāo)準(zhǔn)如表4 所示。

表4 圍巖大變形分級標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Classification standard for large deformation of surrounding rock

依靠強(qiáng)度應(yīng)力比分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行預(yù)測時,試驗所得巖石的強(qiáng)度與圍巖強(qiáng)度并不等同,圍巖強(qiáng)度主要指受地質(zhì)構(gòu)造作用影響的巖體強(qiáng)度,地質(zhì)構(gòu)造對圍巖強(qiáng)度影響程度如表5 所示。

表5 地質(zhì)構(gòu)造對圍巖強(qiáng)度影響程度Table 5 Influence degree of geological structure on surrounding rock strength

隧道沿線的P3w 灰?guī)r、P2m 灰?guī)r、P2q 灰?guī)r以及S2xj 砂巖區(qū)段巖體為硬質(zhì)巖,大變形發(fā)生可能性不大。根據(jù)上述地質(zhì)條件對區(qū)域內(nèi)圍巖大變形程度進(jìn)行綜合預(yù)測,預(yù)測過程如下:首先根據(jù)試驗所得巖石單軸抗壓強(qiáng)度以及地質(zhì)構(gòu)造條件得出轉(zhuǎn)化后的巖體強(qiáng)度,地下水發(fā)育區(qū)段考慮地下水的軟化;隧道開挖后,圍巖應(yīng)力重分布,為保證大變形預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確性,提取各軟巖區(qū)段開挖模型最大主應(yīng)力,結(jié)合大變形分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行預(yù)測,提取結(jié)果見表6,最終預(yù)測結(jié)果見表6、圖12。

圖12 軟巖大變形程度預(yù)測結(jié)果餅狀圖Fig.12 Pie chart of prediction results of large deformation degree of soft rock

3.5 圍巖大變形結(jié)果綜合分析

數(shù)值計算所得圍巖變形特征和地質(zhì)分析預(yù)測法所得結(jié)果保持一致,綜合2種預(yù)測方法所得結(jié)果:圍巖因拱頂下沉發(fā)生破壞概率較大,并且在高初始應(yīng)力區(qū)段,隧道邊墻應(yīng)力集中程度較高,σ1峰值亦出現(xiàn)在該部位,根據(jù)圍巖變形特征分析,圍巖側(cè)壁小范圍深度內(nèi)會出現(xiàn)塑性內(nèi)鼓變形破壞。由表6、圖12 可知,區(qū)域內(nèi)大變形發(fā)生區(qū)段長度約2 814 m,占隧道總長56.3%,發(fā)生范圍較廣;K25+631～K25+909、K26+535～K26+602 區(qū)段發(fā)生嚴(yán)重大變形,占隧道總長8.8%。因此在施工過程中應(yīng)重點關(guān)注這些區(qū)段邊墻及拱頂位置位移變形情況,及時采取控制措施,避免大變形災(zāi)害的發(fā)生。

表6 隧道軟巖段大變形預(yù)測結(jié)果Table 6 Prediction results of large deformation in soft rock section of tunnel

4 軟弱圍巖大變形控制措施

在高地應(yīng)力隧道中,應(yīng)力釋放效應(yīng)產(chǎn)生的變形難以避免,因此筆架山隧道支護(hù)措施遵循“剛?cè)岵?jì)”和“先讓后抗”的支護(hù)理念。允許圍巖產(chǎn)生一定的塑性變形進(jìn)行一定程度的應(yīng)力釋放以充分發(fā)揮圍巖自身的抗載能力,當(dāng)塑性變形發(fā)展到一定程度后,通過支護(hù)措施提高圍巖抵抗變形能力。

針對筆架山隧道沿線大變形以中等、嚴(yán)重大變形為主的特征,為避免圍巖大變形災(zāi)害的發(fā)生,在借鑒國內(nèi)外隧道典型軟巖大變形控制措施的基礎(chǔ)上,采用以下變形控制措施:

(1)針對區(qū)域內(nèi)圍巖破碎段、富水區(qū)段,采用超前預(yù)注漿措施,預(yù)加固地層,封堵水源,降低變形過程中地下水對巖體的軟化作用。

(2)針對高地應(yīng)力環(huán)境,加深仰拱深度,改善結(jié)構(gòu)受力,斷面尺寸為12 m×9.6 m;提高仰拱回填混凝土強(qiáng)度,由C25 混凝土提高至C30 混凝土。

(3)采用雙層初期支護(hù),并適當(dāng)增加預(yù)留變形量?？傤A(yù)留變形量增加至24 cm,其中第一層14 cm,第二層10 cm。配合雙層I20b 鋼架支護(hù),分階段提高支護(hù)強(qiáng)度與剛度,逐步釋放圍巖應(yīng)力。既有效減少了大變形的發(fā)生,又充分發(fā)揮了圍巖的自穩(wěn)能力。

(4)初支后,通過加密監(jiān)測斷面、加大監(jiān)測頻率,加強(qiáng)圍巖變形監(jiān)測工作,二次襯砌施作在初期支護(hù)穩(wěn)定后進(jìn)行[18]。

5 結(jié)論

(1)綜合地應(yīng)力實測數(shù)據(jù)及有限元反演計算所得隧道沿線應(yīng)力場環(huán)境,區(qū)域內(nèi)σH方向與隧道走向N13°W 夾角為7°～23°,夾角較小,從地應(yīng)力角度來看,隧道方向?qū)鷰r穩(wěn)定有利。最大主應(yīng)力量值范圍為7.68～34.41 MPa,根據(jù)地應(yīng)力狀態(tài)評估標(biāo)準(zhǔn),隧道沿線圍巖處于高到極高應(yīng)力狀態(tài),具備發(fā)生圍巖大變形的外部環(huán)境條件。

(2)在給出大變形分類的基礎(chǔ)上建立的一套圍巖大變形地質(zhì)預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)可為相關(guān)隧道未開挖段大變形預(yù)測提供依據(jù),且文中考慮隧道開挖后形成的二次應(yīng)力場所使用的大變形預(yù)測研究體系是將工程地質(zhì)分析、實際應(yīng)力場環(huán)境與預(yù)測方法緊密結(jié)合的更為準(zhǔn)確的預(yù)測方案。

(3)基于所建大變形預(yù)測標(biāo)準(zhǔn),筆架山隧道圍巖大變形主要受高地應(yīng)力、巖體性質(zhì)控制,屬于圍巖應(yīng)力控制型大變形,地下水軟化作用是加劇圍巖大變形的重要因素;其中拱頂、仰拱豎向變形最為顯著,各區(qū)段隧道邊墻存在不同程度的最大主應(yīng)力集中,在高初始應(yīng)力區(qū)段邊墻會發(fā)生內(nèi)鼓彎曲變形,最終圍巖因拱頂下沉或邊墻鼓出變形發(fā)生剪切破壞的可能性較大。

(4)隧道沿線56.3%區(qū)段圍巖會發(fā)生大變形,其中K25+631～K25+909、K26+422～K26+602 區(qū)段地下水發(fā)育,在地下水軟化作用影響下,出現(xiàn)嚴(yán)重大變形風(fēng)險較大,隧道開挖施工過程中需特別注意。

(5)開挖施工時遵循“剛?cè)岵?jì)”的支護(hù)理念進(jìn)行大變形防治。采用超前預(yù)注漿,封堵水源,降低地下水軟化作用,預(yù)加固地層;加深仰拱深度,回填混凝土強(qiáng)度由C25 提高至C30,強(qiáng)化結(jié)構(gòu)剛度;采用雙層初期支護(hù),增加預(yù)留變形量至24 cm,并在初期支護(hù)后做好變形監(jiān)測工作。研究結(jié)果可為同類工程大變形防治提供參考。