吳美琴,陳 賡,何 君,田正忠,張 蓓

(1.華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院,江西 南昌 330013;2.江西東通交通科技股份有限公司陜西分公司,陜西 咸陽(yáng) 712000)

1 引 言

隨著交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展,越來(lái)越多的隧道在修建時(shí)難免會(huì)穿過(guò)層狀軟巖或含軟弱夾層的地層。在層狀軟巖中,因?qū)永砻?、?jié)理面等軟弱結(jié)構(gòu)面的存在,通常表現(xiàn)出巖土體破碎程度較大、強(qiáng)度較低等現(xiàn)象,且具有顯著的橫觀各向同性或正交各向異性特征[1-4]。加之軟弱夾層的影響,進(jìn)一步降低了巖體的物理力學(xué)性能[5-7],導(dǎo)致在建設(shè)過(guò)程中出現(xiàn)大量的工程問(wèn)題,其中尤以巖體塌方變形、掌子面失穩(wěn)等工程問(wèn)題最為突出。因此,揭示軟弱巖體的變形演化規(guī)律,并提出有效的預(yù)防措施,對(duì)含軟弱夾層的層狀圍巖的變形研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

Huang等[8]采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究軟弱夾層對(duì)隧道破壞模式的影響;文云波[9]提出了基于連續(xù)體和非連續(xù)體耦合多尺度模擬方法分析隧道圍巖的損傷區(qū)域及位移變化規(guī)律;鞏江峰等[10]提出了采用軟弱夾層的含量對(duì)層狀圍巖大變形進(jìn)行判斷的標(biāo)準(zhǔn);張涇等[11-12]提出計(jì)算夾層邊界應(yīng)力的組合梁結(jié)構(gòu)模型,并通過(guò)數(shù)值模擬研究軟弱夾層的傾角、位置和厚度對(duì)隧道圍巖的位移、主應(yīng)力和塑性區(qū)的影響規(guī)律;文海家等[13]建立了含有兩條軟弱夾層的隧道圍巖數(shù)值模型,分析了隧道圍巖在開挖過(guò)程中的破壞模式,并通過(guò)模型試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性;譚智彪[14]通過(guò)三層地層理論模型分析了軟弱夾層的位置、厚度和強(qiáng)度因素對(duì)開挖面極限支護(hù)力的影響。Zhou等[15]采用可靠度和敏感性分析,研究了軟弱夾層對(duì)隧道掌子面穩(wěn)定性的影響;徐葉勤等[16]分析了爆破荷載作用下軟弱夾層的傾角及位置對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。

為研究隧道圍巖結(jié)構(gòu)性質(zhì)及軟弱夾層對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響,以湖北省宣恩縣彭家寨隧道為工程背景,使用Abaqus建立三維數(shù)值模型,模擬含軟弱夾層的層狀軟巖隧道在不同地質(zhì)條件下的施工過(guò)程,跟蹤監(jiān)測(cè)隧道拱頂、拱底及邊墻等關(guān)鍵位置的位移變化規(guī)律,分析隧道開挖過(guò)程中圍巖的破壞模式,為隧道的施工和支護(hù)提供一定的參考。

2 工程概況

2.1 工程地質(zhì)

彭家寨隧道位于湖北省宣恩縣沙道溝鎮(zhèn),為路線穿越東西向山嶺地帶而修建。隧道按單線雙向行車道設(shè)計(jì)。隧道設(shè)計(jì)起訖里程樁號(hào)為K0+675～K1+668,總長(zhǎng)1 043 m,屬長(zhǎng)隧道。圍巖以中風(fēng)化砂質(zhì)頁(yè)巖、泥巖為主,節(jié)理裂隙較發(fā)育,裂隙多微張、裂隙間局部夾泥,圍巖間結(jié)合較差,巖體局部較破碎。在K1+040～K1+050之間含有軟弱夾層,夾層發(fā)育與裂隙基本平行,拱部一般較穩(wěn)定,但因巖層為頁(yè)理狀,開挖時(shí)局部較差段可能會(huì)掉塊或坍塌;頂板基巖厚度160～251 m,埋深較深,產(chǎn)狀較陡、巖體較破碎至較完整、薄層至中厚層狀構(gòu)造圍巖,巖質(zhì)較軟至較硬狀。

2.2 監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)彭家寨隧道工程相關(guān)設(shè)計(jì)資料, 選取了K1+010、K1+020和K1+030三個(gè)里程樁號(hào)的斷面作為監(jiān)測(cè)斷面。測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖1所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

2.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

圖2為三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面拱頂沉降變形和洞周水平收斂變形隨開挖進(jìn)尺長(zhǎng)度的變化曲線。分析圖2可知:所選取的三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面中,其拱頂沉降變形和洞周收斂變形有著相似的變形規(guī)律,大致可概括為快速增長(zhǎng)階段、增長(zhǎng)減緩階段和趨于穩(wěn)定階段。

圖2 拱頂及邊墻變形隨開挖變化曲線

由圖2(a)可知,在開挖進(jìn)尺0～9 m范圍內(nèi),拱頂累計(jì)沉降以近似線性的規(guī)律快速增長(zhǎng),且三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面在此范圍內(nèi)的沉降值均超過(guò)最終沉降值的50%;在9～21 m范圍內(nèi),拱頂沉降變形速率逐漸減小,處于增長(zhǎng)減緩階段,當(dāng)開挖進(jìn)尺為21 m時(shí),三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的沉降值均達(dá)到最終沉降值的95%以上;當(dāng)開挖進(jìn)尺超過(guò)21 m后,拱頂沉降變形曲線趨于穩(wěn)定,說(shuō)明圍巖應(yīng)力經(jīng)過(guò)釋放后重新達(dá)到平衡狀態(tài),圍巖達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài),最終三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面拱頂沉降值分別穩(wěn)定在10.42 mm、12.72 mm和12.22 mm。洞周水平收斂變形在開挖進(jìn)尺0～9 m范圍內(nèi)迅速增長(zhǎng),該階段內(nèi)發(fā)生的變形占總體變形的80%左右;在開挖進(jìn)尺9～15 m內(nèi)收斂速率逐漸減緩;在超過(guò)15 m后,變形曲線趨于水平,最終三個(gè)斷面的水平收斂分別穩(wěn)定在3.35 mm、4.53 mm和4.20 mm,說(shuō)明此距離為該隧道開挖空間影響的最大范圍。

3 有限元計(jì)算分析

3.1 模型建立

為研究隧道圍巖結(jié)構(gòu)性質(zhì)及軟弱夾層對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響,以彭家寨隧道典型開挖段K1+000～K1+030為原型建立三維數(shù)值模型。該段隧道最大埋深約為200.8 m,最大開挖洞徑B為13.4 m,最大開挖高度H為9.1 m。為減小邊界效應(yīng)的不利影響,左右邊界各取隧道半徑的3～5倍,最終確定模型的尺寸為100 m×75 m×30 m。在計(jì)算過(guò)程中對(duì)實(shí)際工程條件進(jìn)行了簡(jiǎn)化,具體為:將圍巖視為理想的彈塑性介質(zhì),僅考慮圍巖自重應(yīng)力的影響,不考慮地下水及構(gòu)造應(yīng)力等因素的影響,且?guī)r體力學(xué)特性遵循摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則。

3.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)依托工程地質(zhì)勘探報(bào)告和設(shè)計(jì)資料,選用材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

4 圍巖結(jié)構(gòu)性質(zhì)對(duì)其變形的影響分析

在隧道開挖過(guò)程中,隧道圍巖原有的穩(wěn)定性受到破壞,圍巖內(nèi)部應(yīng)力重新分布,最終到達(dá)新的平衡。影響圍巖應(yīng)力重新分布的因素有很多,包括圍巖強(qiáng)度、圍巖初始應(yīng)力、隧道施工方法、圍巖結(jié)構(gòu)性質(zhì)等。以彭家寨隧道工程為背景,分別建立不同層面傾角和不同層面間距的數(shù)值模型,對(duì)隧道開挖后圍巖的變形進(jìn)行分析。

4.1 層面傾角對(duì)隧道圍巖變形影響分析

為了研究隧道開挖過(guò)程中,層面傾角對(duì)隧道圍巖變形的影響,將每一層巖層材料視為各向同性材料,層面間距取5 m,層面傾角α從0°～90°以15°為間隔增大,分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°七種工況,其中順傾側(cè)為左側(cè),逆傾側(cè)為右側(cè)。

為反映隧道開挖后,層面傾角對(duì)圍巖變形的影響,根據(jù)所選取的洞周特征點(diǎn)(見圖1),將洞室周邊的圍巖特征點(diǎn)的位移進(jìn)行比較,如圖3所示。分析圖3可知,隨著隧道的開挖,洞周發(fā)生了明顯的變形:拱頂及邊墻由于鄰近挖空發(fā)生沉降變形,拱底由于卸荷回彈發(fā)生隆起變形。當(dāng)層面傾角為0°和90°時(shí),洞周變形呈現(xiàn)出對(duì)稱性;除了0°和90°之外,其他層面傾角下,洞周位移呈現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱特性。隨著層面傾角的增大,隧道拱頂、邊墻和拱底呈現(xiàn)出三種不同的變化趨勢(shì)。拱頂?shù)奈灰瞥尸F(xiàn)出先減小后增大趨勢(shì),當(dāng)層面傾角為45°時(shí)位移值最小,為9.13 mm。左右邊墻由于臨空側(cè)不同,變形呈不同的情況:左側(cè)特征點(diǎn)的豎向位移先增大后減小;右側(cè)特征點(diǎn)的位移先減小后增大;隨著層面傾角的增大,左右兩側(cè)對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)的位移差值先增大后減小,當(dāng)層面傾角為45°時(shí),差值最大。拱底的位移呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。出現(xiàn)上述變化趨勢(shì)的原因是圍巖彎曲折疊破壞和順層滑移破壞疊加的結(jié)果。當(dāng)傾角為0°時(shí),圍巖主要發(fā)生彎曲折斷破壞,不發(fā)生順層滑移破壞;當(dāng)層面傾角在0°～45°范圍內(nèi)時(shí),變形主要集中在垂直于層理面方向,順層側(cè)圍巖易發(fā)生彎曲折斷破壞;當(dāng)層面傾角在45°～90°范圍內(nèi)時(shí),變形主要集中在平行于層理面方向,逆傾側(cè)圍巖易發(fā)生順層滑移破壞。當(dāng)層面傾角為45°左右時(shí),臨空面位置均易發(fā)生彎曲折斷破壞和順層滑移破壞,該角度為兩種破壞模式的臨界變換角。

圖3 特征點(diǎn)豎向位移隨層面傾角變化曲線

4.2 層面間距對(duì)隧道圍巖變形影響分析

前文指出,層面傾角45°為彎曲折斷破壞和順層滑移破壞兩種破壞模式的臨界轉(zhuǎn)換角,因此,綜合考慮兩種破壞模式的影響,本節(jié)將取層面傾角為45°的模型分析層面間距對(duì)隧道圍巖變形的影響,選取層面間距為1、3、5、7、9 m的五種工況進(jìn)行研究。

為了研究開挖后隧洞拱部豎向位移變化趨勢(shì),選取拱頂、拱肩及拱腰觀測(cè)點(diǎn)的豎向位移,繪制不同層面間距時(shí)各觀測(cè)點(diǎn)的豎向位移曲線圖,如圖4所示。由圖4可知,隧道拱部的豎向位移總體呈“V”形,即拱頂位移最大,由拱頂至邊墻,豎向位移逐漸減小。當(dāng)層面間距為1 m時(shí),拱頂?shù)呢Q向位移最大,為11.47 mm;層面間距為9 m時(shí),拱頂?shù)呢Q向位移最小,為8.15 mm;層面間距由9 m減小到1 m時(shí),拱頂、拱肩和拱腰的豎向位移分別增大了141%、123%和118%,由此可見,拱頂部位受層面間距的影響較大。

圖4 不同層間距時(shí)特征點(diǎn)豎向位移變化曲線

為進(jìn)一步分析各特征點(diǎn)的位移變化規(guī)律,繪制了各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)位移值隨層面間距的變化曲線,如圖5所示。分析圖5可知:隨著層面間距逐漸增大,洞周位移逐漸減小,同時(shí)減小速率逐漸下降。這主要是由于圍巖中結(jié)構(gòu)面的存在, 將完整的巖體切割成獨(dú)立的巖層,隧道開挖后,在重力與上覆土壓力的作用下, 圍巖在層面薄弱處將產(chǎn)生較大的變形。層面間距越小,單位體積圍巖包含的不連續(xù)層面越多,從而產(chǎn)生的累積位移也越大。

圖5 特征點(diǎn)豎向位移隨層面間距變化曲線

5 夾層特征對(duì)層狀軟巖隧道圍巖變形影響分析

5.1 夾層距隧道的距離對(duì)隧道圍巖變形影響分析

夾層所處位置不同,對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響不同:當(dāng)夾層位于隧道下方時(shí),夾層對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響較小;當(dāng)隧道穿越夾層時(shí),必須盡快采取加固措施,減少對(duì)圍巖的擾動(dòng);當(dāng)夾層位于隧道上方時(shí),施工過(guò)程中爆破等因素的擾動(dòng)會(huì)引起夾層發(fā)生破壞,從而導(dǎo)致隧道圍巖發(fā)生失穩(wěn),造成工程問(wèn)題。在上述模型的基礎(chǔ)上,在穿過(guò)隧道拱頂、位于隧道拱頂上方1、2、3、4、5 m處增加厚度為0.5 m 的軟弱夾層,夾層的物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

為研究軟弱夾層所處位置對(duì)隧道開挖后圍巖變形的影響,跟蹤監(jiān)測(cè)洞周特征點(diǎn)在隧道開挖過(guò)程中的最大豎向位移,結(jié)果如表2所示。

表2 夾層所處不同位置時(shí)洞周特征點(diǎn)豎向位移值(沉降為正) 單位:mm

由表2可知:圍巖總體變形趨勢(shì)未受到軟弱夾層的影響,但各點(diǎn)的豎向位移值明顯增大。當(dāng)夾層穿越隧道時(shí),拱頂?shù)呢Q向位移達(dá)到了15.32 mm,是無(wú)夾層時(shí)的1.7倍左右,拱底增大了約1.6倍,拱肩和拱腰增大了約1.3倍,由此可見,夾層的存在加劇了拱頂和拱底的豎向變形。隨著夾層遠(yuǎn)離隧道,洞周的豎向位移逐漸減小;當(dāng)夾層距隧道上方5 m時(shí),拱頂和拱底的位移相比夾層穿越隧道時(shí)減少了35%左右。分析可知,夾層的存在對(duì)隧道拱頂?shù)淖冃斡绊懽畲?因此選取拱頂為研究對(duì)象,監(jiān)測(cè)其在不同開挖進(jìn)尺時(shí)的沉降位移,并繪制變形曲線,如圖6所示。分析圖6可知,拱頂豎向位移曲線的變化規(guī)律分為明顯的兩個(gè)階段,即增長(zhǎng)階段和趨于穩(wěn)定階段;且夾層離隧道越近,曲線的增長(zhǎng)階段越長(zhǎng),表明夾層的位置對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定有重要影響,夾層距隧道越近,隧道開挖后圍巖重新達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越長(zhǎng)。同時(shí),結(jié)合表2可知,隨著夾層遠(yuǎn)離隧道,拱頂豎向位移變形的速率在不斷減小,即當(dāng)夾層位置從拱頂上方1 m變化到拱頂上方2 m時(shí),拱頂位移減小為原來(lái)的91%,而當(dāng)夾層位置從距拱頂上方4 m變化到距拱頂上方5 m時(shí),拱頂位移只減小為原來(lái)的96%。

圖6 不同夾層位置時(shí)拱頂豎向位移隨開挖進(jìn)尺變化曲線

5.2 夾層厚度對(duì)隧道圍巖變形影響分析

巖體中軟弱夾層的特性對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定具有重大影響,如夾層巖體的物理力學(xué)性質(zhì)、夾層的厚度等。為研究夾層的厚度對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響,建立了層面間距為5 m,層面傾角為45°的數(shù)值模型,在拱頂上方1 m處分別添加厚度為0、0.25、0.5、0.75、1.0 m的軟弱夾層,計(jì)算不同夾層厚度時(shí)隧道圍巖的豎向變形,夾層的物理力學(xué)參數(shù)的選取見表1。表3給出了不同夾層厚度時(shí)洞周特征點(diǎn)的總位移值。

表3 不同夾層厚度時(shí)洞周特征點(diǎn)總位移值(沉降為正) 單位:mm

分析表3可知,當(dāng)隧道洞室附近存在軟弱夾層時(shí),各特征點(diǎn)的總位移隨著夾層厚度的增加而不斷增大,且拱頂A點(diǎn)和拱底D點(diǎn)的位移最大,其次是拱肩,拱腰的位移最小,這與無(wú)夾層時(shí)各點(diǎn)的位移變化規(guī)律一致;當(dāng)夾層厚度為1 m時(shí),隧道拱頂和拱底的位移分別達(dá)到了13.72 mm和11.59 mm,相比于無(wú)夾層時(shí)分別增大了50.27%和39.64%。這主要是由于軟弱夾層的存在進(jìn)一步削弱了圍巖的完整性,軟弱夾層越厚,圍巖變形越大。

為了研究不同夾層厚度下拱頂豎向位移的變化規(guī)律,跟蹤監(jiān)測(cè)拱頂在不同開挖進(jìn)尺時(shí)的豎向位移變化情況,并繪制變形曲線,如圖7所示。

圖7 不同夾層厚度時(shí)拱頂豎向位移隨開挖進(jìn)尺變化曲線

分析圖7可知,拱頂?shù)呢Q向位移變化規(guī)律與前文一致,即拱頂?shù)呢Q向位移主要發(fā)生在開挖進(jìn)尺0～18 m范圍內(nèi),開挖進(jìn)尺超過(guò)21 m后,豎向位移趨于穩(wěn)定;隨著夾層厚度的增加,拱頂?shù)奈灰浦饾u增大,且在開挖進(jìn)尺0～18 m范圍內(nèi)拱頂沉降變形的速率隨隧道開挖進(jìn)程不斷減小。

6 結(jié) 論

(1)含夾層的層狀軟巖隧道開挖后,圍巖因原有的穩(wěn)定性受到破壞而發(fā)生變形,隨著圍巖內(nèi)部應(yīng)力重新達(dá)到平衡,圍巖的變形逐漸趨于穩(wěn)定。在此期間,圍巖的變形經(jīng)歷了快速增長(zhǎng)階段、增長(zhǎng)緩慢階段和趨于穩(wěn)定階段。

(2)層狀軟巖的層面傾角和層面間距對(duì)圍巖的變形有重要影響。層面傾角從0°增加到90°的過(guò)程中,隧道拱頂、邊墻和拱底呈現(xiàn)三種不同的變化趨勢(shì),且45°為彎曲折斷破壞和順層滑移破壞的臨界轉(zhuǎn)換角。層面間距由1 m增加到9 m的過(guò)程中,隧道拱部的豎向位移不斷減小,且減小的速率也在下降。

(3)夾層的存在會(huì)進(jìn)一步削弱圍巖的完整性,從而增大隧道圍巖的變形,夾層離隧道越近,夾層厚度越大,對(duì)圍巖變形的影響越大。且位于隧道上方的夾層要比位于下方的夾層對(duì)隧道圍巖變形的影響更大。