常天龍

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300251)

隧道開(kāi)挖時(shí),圍巖因受到擾動(dòng)而產(chǎn)生應(yīng)力重分布,這將使應(yīng)力狀態(tài)由三維轉(zhuǎn)變?yōu)榻贫S,且圍巖強(qiáng)度隨之下降,當(dāng)圍巖強(qiáng)度低于重分布應(yīng)力值時(shí)將被破壞,進(jìn)而逐步形成一個(gè)松弛破碎帶,松弛破碎帶內(nèi)巖體處于屈服狀態(tài),這個(gè)松弛破碎帶稱之為松動(dòng)圈?，F(xiàn)有的研究表明,圍巖松動(dòng)圈不是一成不變的,是隨著隧道開(kāi)挖施工的進(jìn)行而不斷變化的,最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)[1-2]。國(guó)外對(duì)于松動(dòng)圈的研究起步較早,主要的理論成果有蘇聯(lián)的不連續(xù)學(xué)說(shuō),于永江等[3]對(duì)深部巖體中圓形巷道的非線性漸進(jìn)破壞特征、變形以及巷道周邊關(guān)鍵部位的位移和應(yīng)力變化進(jìn)行了分析,以巷道周邊應(yīng)力是否超過(guò)巖石的強(qiáng)度極限作為判別準(zhǔn)則,確定松動(dòng)圈的范圍。趙彥缽等[4]則提出應(yīng)用極限拉應(yīng)變準(zhǔn)則判別松動(dòng)圈的位置。這兩種方法均以松動(dòng)圈的定義為基礎(chǔ),并在一定程度上考慮了巖體的受力和破壞特征,但缺乏定量標(biāo)準(zhǔn),還需通過(guò)大量計(jì)算完善理論和量化標(biāo)準(zhǔn)。圍巖松動(dòng)圈大小及其變化特征是隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵。通過(guò)理論計(jì)算所得的圍巖松動(dòng)圈大小是在基于各種假設(shè)條件下,將整個(gè)開(kāi)挖斷面圍巖視作均質(zhì)體進(jìn)行計(jì)算的,相對(duì)而言現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法能更加準(zhǔn)確地獲得松動(dòng)圈的大小,一般現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量圍巖松動(dòng)圈大小的方法主要有聲波法、地質(zhì)雷達(dá)法、多點(diǎn)位移計(jì)法,使用聲波法和地質(zhì)雷達(dá)法只能得到某一時(shí)間點(diǎn)圍巖松動(dòng)圈大小,無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖松動(dòng)圈變化的長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè),使用位移計(jì)測(cè)量可以得到圍巖松動(dòng)圈連續(xù)的變化特征,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。本次采用LVDT位移傳感器,隧道爆破開(kāi)挖后立即在拱頂、拱腰、邊墻埋入傳感器,測(cè)量不同位置不同深度圍巖位移變化,取得的位移數(shù)據(jù)連續(xù)準(zhǔn)確,實(shí)現(xiàn)了圍巖松動(dòng)圈的長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)。

1 松動(dòng)圈現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

1.1 工程概況

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量依托于牡佳客專七星峰隧道,七星峰隧道位于黑龍江省佳木斯市,全長(zhǎng)10 300 m,隧道最大埋深約420 m,為客運(yùn)專線雙線隧道。隧址地形起伏,山勢(shì)陡峻,地表植被茂密,多為林地。隧道穿越的主要地層巖性為混合巖、片巖、變粒巖及大理巖。穿越多條斷層,地下水主要為基巖裂隙水。為一級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)隧道。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

松動(dòng)圈位移測(cè)量采用LVDT位移傳感器作為測(cè)量設(shè)備,LVDT位移傳感器具有防水、抗腐蝕、耐低溫,精度高的特點(diǎn)。位移計(jì)精度可達(dá)0.01 mm,工作溫度-25～85 ℃,采用不銹鋼外殼,全封閉結(jié)構(gòu)。LVDT傳感器后部為電磁線圈主體,突出的為可動(dòng)端。

隧道開(kāi)挖后,在斷面拱頂、拱腰、邊墻布置測(cè)量孔。一般來(lái)說(shuō)測(cè)點(diǎn)越密,得到的數(shù)據(jù)越多,松動(dòng)圈測(cè)量越準(zhǔn)確,但不能無(wú)限多地布置傳感器,為了減少不必要的浪費(fèi)及工作量,根據(jù)開(kāi)挖斷面大小,圍巖地質(zhì)條件,參照同類工程預(yù)估松動(dòng)圈大小,在預(yù)估松動(dòng)圈范圍附近加密布設(shè)以滿足測(cè)量精度。

按照?qǐng)D1所示在鉆孔內(nèi)布設(shè)LVDT傳感器,以鋼筋作為測(cè)桿,孔底使用鋼筋錨固劑將鋼筋與目標(biāo)深度圍巖固定成整體,LVDT傳感器通過(guò)固定支架固定于孔口,傳感器自由端通過(guò)連接桿與測(cè)桿連接,使用封孔蓋封孔,封孔蓋預(yù)留電纜孔及數(shù)據(jù)光纜孔。

圖1 LVDT傳感器安裝示意圖

1.3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

DK308+905圍巖級(jí)別Ⅳ級(jí),埋深109.4 m,圍巖為混合巖,弱風(fēng)化,節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖體較破碎,開(kāi)挖后易掉塊,掌子面自穩(wěn)性一般,需加強(qiáng)支護(hù),側(cè)壁部分位置存在點(diǎn)狀出水,水量一般,本次在拱頂、拱腰、邊墻位置埋設(shè)位移傳感器,總觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)25 d。位移傳感器埋設(shè)拱頂深度分別為1、1.5、2.5、3.5、4.5 m,邊墻埋設(shè)深度分別為0.5、1.2、1.5、1.8、2.5 m。

現(xiàn)場(chǎng)拱頂及邊墻實(shí)測(cè)位移數(shù)據(jù)如圖2、圖3所示。從實(shí)測(cè)位移數(shù)據(jù)上可以看到:邊墻位移變化時(shí)間較早,在開(kāi)挖支護(hù)后第4天便開(kāi)始大幅度位移變化,拱頂在第7天位移開(kāi)始產(chǎn)生大幅變化,第10天開(kāi)始變形逐漸穩(wěn)定,在15天左右開(kāi)挖的斷面基本趨于穩(wěn)定,達(dá)到最大位移。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映:深度0.5 m的圍巖整體最大位移在2.6～3.5 mm,總位移形變由大到小排序?yàn)檫厜?、拱頂、拱腰。綜合分析本斷面圍巖松動(dòng)圈范圍在2 m左右,其中拱頂松動(dòng)圈最小,邊墻處位移最大。

圖2 拱頂位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖3 邊墻位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

2 松動(dòng)圈數(shù)值模擬分析

2.1 計(jì)算方法

七星峰隧道圍巖松動(dòng)圈數(shù)值模擬計(jì)算采用midas有限元數(shù)值計(jì)算。midas GTS NX軟件中,可以通過(guò)“激活”和“鈍化”功能來(lái)模擬施工過(guò)程中初支混凝土、鋼拱架的施工和巖土體的開(kāi)挖,當(dāng)初支混凝土和鋼拱架被“激活”時(shí),初支、鋼拱架施工得以實(shí)現(xiàn),當(dāng)巖土體被“鈍化”時(shí),巖土體的開(kāi)挖得以實(shí)現(xiàn)。DK308+905斷面圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí),建模假設(shè)圍巖為均質(zhì)巖體,連續(xù)介質(zhì),采用修正摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算,巖體物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察取樣試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)規(guī)范取值。圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 圍巖及初支結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

2.2 計(jì)算模型

參考各種介質(zhì)特點(diǎn),將圍巖巖體定義為三維實(shí)體單元,噴射混凝土定義為二維板單元,錨桿定義為一維桿單元,其中混凝土根據(jù)其隨噴射凝固時(shí)間的變化,分為初噴軟質(zhì)混凝土和初噴硬質(zhì)混凝土單元。在計(jì)算過(guò)程中,首先進(jìn)行巖體自身初始應(yīng)力平衡驗(yàn)算,計(jì)算只考慮自重應(yīng)力,不考慮構(gòu)造應(yīng)力,計(jì)算得到重力場(chǎng)下的初始應(yīng)力場(chǎng),初始重力場(chǎng)條件下的應(yīng)力、應(yīng)變顯然與現(xiàn)實(shí)巖土體中的應(yīng)力場(chǎng)存在偏差,因?yàn)閷?shí)際條件下的初始位移已經(jīng)結(jié)束,而軟件模擬中在自身重力條件下仍會(huì)發(fā)生位移,然后在后續(xù)計(jì)算中位移逐漸累加,所以在模擬過(guò)程中,應(yīng)先使初始應(yīng)力平衡下產(chǎn)生的位移歸零,然后隨著隧道開(kāi)挖,逐步實(shí)現(xiàn)圍巖的位移累加,由此得來(lái)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際施工工況下的位移更接近,數(shù)值計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確。本次計(jì)算洞身上部圍巖采用自重應(yīng)力進(jìn)行模擬,代表不同埋深條件下的圍巖應(yīng)力。隧道位于巖體介質(zhì)中,應(yīng)當(dāng)把圍巖視為支護(hù)結(jié)構(gòu)的共同承載部分,也就是說(shuō)支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖共同組成靜力承載體系。

DK308+905四級(jí)圍巖開(kāi)挖施工工法為臺(tái)階法施工,錨桿按照四級(jí)圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行均勻布設(shè),洞身網(wǎng)格寬度1 m采用四節(jié)點(diǎn)四邊形單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格,網(wǎng)格由洞身向外尺寸逐漸增大。設(shè)置15個(gè)開(kāi)挖循環(huán),每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺2.4 m,模型上邊界為開(kāi)挖洞徑3倍,下邊界為洞徑4倍,左右邊界為洞徑3倍,模型尺寸80 m×70 m×36 m。選用位移邊界條件,對(duì)于模型四周采用位移約束。

2.3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得到開(kāi)挖后圍巖整體位移云圖、局部節(jié)點(diǎn)位移云圖。將拱頂1、1.5、2.5、3.5、4.5 m位置節(jié)點(diǎn)開(kāi)挖-位移變化曲線提取如圖4所示。

隧道開(kāi)挖后圍巖受徑向應(yīng)力作用產(chǎn)生徑向位移,發(fā)生彈性變形。圍巖開(kāi)挖后至第10個(gè)循環(huán)之間不同深度巖體位移逐步增加,在開(kāi)挖至第10個(gè)循環(huán)后位移產(chǎn)生突變,隨后達(dá)到穩(wěn)定。拱頂各個(gè)深度節(jié)點(diǎn)數(shù)值模擬位移大小與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)接近,略小于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。造成數(shù)值模擬數(shù)據(jù)略小的主要原因是現(xiàn)場(chǎng)爆破開(kāi)挖,每循環(huán)爆破施工會(huì)對(duì)圍巖產(chǎn)生振動(dòng)影響,導(dǎo)致圍巖局部擾動(dòng),實(shí)際位移一部分來(lái)自于開(kāi)挖爆破擾動(dòng)造成。

3 結(jié) 論

(1)位移測(cè)量圍巖松動(dòng)圈可獲得連續(xù)準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),是一種判定圍巖松動(dòng)圈范圍最有效、最直觀的方法,適用于任何地質(zhì)條件下隧道圍巖松動(dòng)圈的監(jiān)測(cè)。

(2)LVDT位移傳感器具有抗腐蝕、抗低溫等特點(diǎn),適用于各種施工環(huán)境,實(shí)踐證明可在隧道施工這種復(fù)雜環(huán)境條件下穩(wěn)定工作,取得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

(3)圍巖松動(dòng)圈由彈性變形到塑性變形穩(wěn)定是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)程,本次試驗(yàn)結(jié)果顯示塑性變形穩(wěn)定需要10 d以上,故隧道初期支護(hù)措施施作后要進(jìn)行一段時(shí)間的觀測(cè),建議保持密集觀測(cè)時(shí)間15 d以上。

(4)本次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬計(jì)算反映了圍巖巖體自開(kāi)挖后至逐漸穩(wěn)定的彈性變形至塑性變形的整個(gè)過(guò)程,開(kāi)挖后巖體產(chǎn)生彈性變形,圍巖位移快速增加,隨后逐漸穩(wěn)定進(jìn)入塑性變形。本次實(shí)測(cè)和模擬計(jì)算得出DK308+905位置圍巖松動(dòng)圈范圍在2 m以內(nèi)。

(5)數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)圍巖松動(dòng)圈變化實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致,證明數(shù)值模擬可以應(yīng)用于圍巖松動(dòng)圈的計(jì)算與評(píng)價(jià)中,可用于指導(dǎo)支護(hù)措施的設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工。