吳青華
(中鐵二十局集團(tuán)第三工程有限公司, 重慶 400064)
分離式地鐵隧道暗挖施工期間相互擾動(dòng)通常因隧道間距的減小而趨于顯著,中夾巖處于圍巖松動(dòng)圈重疊區(qū)域內(nèi)而易發(fā)生失穩(wěn)垮塌。[1-3]平行貫穿于相鄰隧道的傾斜層理,在降低隧道圍巖完整性和連續(xù)性的同時(shí),也顯著削弱了層理巖體的強(qiáng)度,并加劇了圍巖變形非對(duì)稱性和應(yīng)力非連續(xù)特征,易因地質(zhì)偏壓、結(jié)構(gòu)面滑移誘發(fā)隧道塌方。[4-6]為此,前沿學(xué)者多采用模型試驗(yàn)[7-9]、施工監(jiān)測(cè)[10-12]、數(shù)值計(jì)算[13-15]及理論分析[16-17]方法對(duì)特定層理?xiàng)l件下隧道圍巖的施工響應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行了研究,揭示了圍巖失穩(wěn)破壞特征和應(yīng)力分布狀態(tài)。圍繞傾斜層理巖體隧道施工響應(yīng)問(wèn)題,多數(shù)研究?jī)H立足于隧道埋深、斷面尺寸、隧道間距、地層巖性等單一影響因素,而眾所周知,隧道施工期間圍巖變形、應(yīng)力釋放的發(fā)生均依賴于地層掘進(jìn)擾動(dòng),而地層穩(wěn)定性則往往不是單一因素所決定的,須綜合考慮主要影響因子及邊界條件。另外,研究方法的選擇決定了研究結(jié)論的可靠性,部分研究考慮到討論工況數(shù)量繁多而僅采用數(shù)值計(jì)算的方法,在未進(jìn)行結(jié)果合理性驗(yàn)證的前提下其研究結(jié)論必定存疑。相比之下,綜合采用室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值計(jì)算、理論分析等方法對(duì)研究結(jié)論進(jìn)行檢驗(yàn)和佐證可更有效確保結(jié)論的真實(shí)可靠。
此外,傾斜層理巖體隧道圍巖施工響應(yīng)的層理幾何參數(shù)敏感性問(wèn)題的研究,往往涉及對(duì)比工況間傾斜層理幾何參數(shù)的改變。因此,在研究此類問(wèn)題時(shí),數(shù)值計(jì)算方法憑借其方便、快速、直觀等特點(diǎn)而備受研究人員的青睞。文獻(xiàn)[18-20]利用UDEC離散元軟件對(duì)不同產(chǎn)狀巖質(zhì)隧道圍巖失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了分析,并指出傾斜層理面極大削弱了巖體穩(wěn)定性。袁鐵等則采用FLAC3D有限元軟件對(duì)多層傾斜層理巖體隧道掘進(jìn)過(guò)程進(jìn)行分析,指出層理巖體的壓剪應(yīng)力與初支塑性破壞區(qū)范圍均隨著地層傾角的增大而增大。[21]劉邦等采用ABAQUS有限元軟件對(duì)層理巖體隧道雙軸壓力作用下的損傷破壞規(guī)律進(jìn)行研究,得到與試驗(yàn)吻合良好的應(yīng)力分布狀態(tài)以及裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子。[22]可見,離散元計(jì)算可直觀揭示復(fù)雜層理巖體的失穩(wěn)塌落過(guò)程,但對(duì)于應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算則表現(xiàn)出較低的精確度,而有限元計(jì)算則可滿足簡(jiǎn)單層理巖體隧道圍巖大變形的計(jì)算需求,且在隧道掘進(jìn)期間圍巖應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算時(shí)表現(xiàn)出較高的精確度,便于研究人員從應(yīng)力響應(yīng)角度對(duì)層理巖體的失穩(wěn)及變形過(guò)程進(jìn)行解析。
因此,在確定研究斷面上優(yōu)勢(shì)層理與隧道輪廓位置關(guān)系的前提下,基于巖石室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)參數(shù),將綜合考慮砂泥巖復(fù)合地層、淺埋隧道斷面尺寸、相鄰隧道間距作為地層施工穩(wěn)定性關(guān)鍵影響因子,以地層傾角作為研究變量,采用FLAC3D有限元軟件對(duì)單一層理控制下分離式隧道圍巖的掘進(jìn)施工響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行分析,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的合理性進(jìn)行驗(yàn)證,進(jìn)一步對(duì)地層變形及應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)的地層傾角敏感性規(guī)律進(jìn)行討論,為層理地質(zhì)條件下相鄰隧道暗挖施工工藝和地層穩(wěn)定性控制技術(shù)的優(yōu)化提供參考。
重慶市南岸區(qū)在建軌道交通停車場(chǎng)出入段分離式地鐵隧道由軌道10號(hào)線蘭花路站—南湖站區(qū)間段接入,左、右線全長(zhǎng)分別為1 426,1 207 m,研究地段地質(zhì)剖面如圖1所示。根據(jù)地質(zhì)勘察資料及掘進(jìn)揭示地層信息可知:沿線圍巖級(jí)別以Ⅳ級(jí)圍巖為主,除淺表覆有回填土外,地層主要分布有砂巖及砂質(zhì)泥巖,隧道基巖存在多組構(gòu)造裂隙發(fā)育,裂隙面平直,寬度為3~10 mm,偶見泥質(zhì)充填,裂隙層面膠結(jié)性差且貫通性良好,區(qū)間層理發(fā)育,呈厚層狀。地表原始地貌屬構(gòu)造剝蝕淺丘斜坡地貌,地面呈寬緩的溝槽與丘坡相間分布,土-巖結(jié)構(gòu)面及裂隙巖體偶爾出現(xiàn)股狀水流。為突出傾斜層理對(duì)圍巖施工響應(yīng)的影響,選取停車場(chǎng)出入線區(qū)間內(nèi)傾斜層理巖體控制范圍內(nèi)馬蹄形區(qū)間隧道作為研究斷面(YCK1+050—ZCK1+240),隧道跨度為7.50 m,隧道高為7.33 m,中夾巖厚為7.50 m,隧道埋深為21.50 m。傾斜(30°)砂-泥巖層理面平行于隧道走向,并與右洞輪廓線拱頂相交呈“月牙形”巖塊,施工期間極易出現(xiàn)開裂掉塊現(xiàn)象。為保證淺埋隧道圍巖施工的穩(wěn)定性,現(xiàn)場(chǎng)主要采用臺(tái)階法掘進(jìn),并通過(guò)地表及掌子面超前小導(dǎo)管注漿對(duì)層理巖體進(jìn)行加固,同時(shí)針對(duì)破碎巖體加強(qiáng)錨噴支護(hù)。
圖1 研究地段地質(zhì)剖面 m
為獲取研究斷面處砂巖及砂質(zhì)泥巖的真實(shí)物理力學(xué)參數(shù),通過(guò)RMT-150巖石三軸壓力試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)掌子面獲取的砂巖及砂質(zhì)泥巖標(biāo)準(zhǔn)圓柱芯樣(φ50×100)進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn),兩類巖石均發(fā)生了脆性剪切破壞,砂巖抗剪強(qiáng)度及彈性模量明顯強(qiáng)于砂質(zhì)泥巖,而泊松比較砂質(zhì)泥巖低。對(duì)于三軸荷載作用下巖石的彈性階段,可通過(guò)Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則確定隧址區(qū)原巖(砂巖、砂質(zhì)泥巖)的黏聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)(表1)。而對(duì)于層理巖體中隧道的數(shù)值模型,采用FLAC3D軟件進(jìn)行建模,同時(shí)假設(shè)層理兩側(cè)巖體為均質(zhì)彈塑性材料,傾斜層理面連續(xù)且力學(xué)性質(zhì)一致。巖體非線性破壞階段選取Hoek-Brown屈服準(zhǔn)則進(jìn)行表征,傾斜層理面選取interface本構(gòu),根據(jù)地質(zhì)勘察資料和巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)經(jīng)驗(yàn)算式(1)確定層理面法向剛度Kn及剪切剛度Ks(表2)。
(1a)
表1 隧道圍巖數(shù)值計(jì)算參數(shù)
表2 層理面數(shù)值計(jì)算參數(shù)
(1b)
式中:Kn、Ks分別為傾斜層理面的法向、剪切剛度;Er與Gr為傾斜巖體的彈性、剪切模量;Em、Gm為傾斜層理面巖體的彈性、剪切模量,因受到巖體內(nèi)部層理面的影響而較傾斜巖體的彈性、剪切模量較小,可通過(guò)對(duì)巖石彈性、變形模量折減近似代替,折減系數(shù)取值0.0~1.0,須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖體內(nèi)層理面的分布特征確定[23],文中根據(jù)地質(zhì)勘察資料,取值為0.85;s為傾斜層理的間距。
為分析地層傾角對(duì)分離式地鐵隧道圍巖暗挖施工響應(yīng)規(guī)律,針對(duì)圖1b所示斷面傾斜層理與施工隧道的位置關(guān)系進(jìn)行模型簡(jiǎn)化,僅保留與并行隧道右側(cè)隧道輪廓線拱頂相交的優(yōu)勢(shì)層理作為研究對(duì)象。采用FLAC3D有限元軟件建立層理巖體隧道三維地層模型,如圖2所示。模型上表面為自由邊界,模型下表面及兩側(cè)均對(duì)平面法向位移進(jìn)行約束。模型中分塊賦予層理兩側(cè)巖體計(jì)算力學(xué)參數(shù)并固定層理面與隧道的相交位置,分別設(shè)置地層傾角為15°、30°、45°、60°、75°作為工況間的唯一變量進(jìn)行獨(dú)立建模計(jì)算(圖3)。為突出傾斜層理巖體中隧道圍巖施工擾動(dòng)因素,所有計(jì)算模型均按照先右洞后左洞的順序依次全斷面掘進(jìn)貫通且考慮隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)。
圖2 傾斜層理巖體中相鄰隧道數(shù)值掘進(jìn)計(jì)算模型 m
a—傾角15°; b—傾角30°; c—傾角45°; d—傾角60°; e—傾角75°。
淺埋隧道暗挖施工期間往往伴隨有隧道內(nèi)圍巖變形,而受傾斜層理構(gòu)造和鄰近隧道施工擾動(dòng)的影響,傾斜層理影響下相鄰隧道圍巖變形施工響應(yīng)呈非對(duì)稱分布狀態(tài),而該特征的顯著性則隨地層傾角的增大而先增大后減小,如圖4所示。值得注意的是:傾斜層理與右側(cè)隧道拱頂相交造成該位置圍巖變形(拱頂沉降)明顯大于左側(cè)隧道相同位置圍巖的變形,且穩(wěn)定性較差。因此,層理巖體相鄰隧道施工多將與層理面相交隧道作為先行隧道進(jìn)行掘進(jìn)并及時(shí)對(duì)失穩(wěn)巖塊進(jìn)行支護(hù)。
a—數(shù)值計(jì)算結(jié)果; b—現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果; c—左側(cè)隧道圍巖內(nèi)侵變形; d—右側(cè)隧道圍巖內(nèi)侵變形。傾角為30°時(shí),與層理面右側(cè)隧道拱頂處相交;正值表示隧道內(nèi)侵變形。
對(duì)比相鄰隧道圍巖變形施工響應(yīng)可知:中夾巖厚度、地質(zhì)構(gòu)造均是影響隧道間相互擾動(dòng)強(qiáng)度的重要因素。如圖4所示,右側(cè)隧道先行掘進(jìn)期間,右側(cè)隧道圍巖變形顯著,約占總變形量的 80%,而左側(cè)隧道(后行隧道)區(qū)域圍巖也出現(xiàn)了小幅松動(dòng)變形。同理,左側(cè)隧道后行掘進(jìn)期間,左隧道圍巖變形約占總變形量的98%,而右側(cè)隧道(先行隧道)則在掘進(jìn)變形的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了約20%的內(nèi)侵變形??梢?后行隧道掘進(jìn)對(duì)先行洞圍巖變形響應(yīng)的影響較大。由數(shù)值計(jì)算結(jié)果圖4a和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果圖4b所示的隧道圍巖內(nèi)侵變形響應(yīng)曲線可見:雖然數(shù)值計(jì)算數(shù)據(jù)略高于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),但相同測(cè)點(diǎn)的內(nèi)侵變形施工響應(yīng)曲線走勢(shì)基本相同,說(shuō)明隧道輪廓與計(jì)算模型簡(jiǎn)化引起的計(jì)算誤差可以接受。此外,由于傾斜層理與右側(cè)隧道拱頂及右邊墻相交,地層傾角變化對(duì)此處圍巖內(nèi)侵變形的影響最顯著,隧道拱頂沉降量隨地層傾角的增大呈非線性減小,并于傾角為75°時(shí)開始趨于收斂。左側(cè)隧道拱頂與層理的垂直距離因地層傾角的增大而增大,導(dǎo)致左側(cè)隧道圍巖變形受地層傾角的影響隨之減小,僅傾角為15°時(shí)拱頂沉降量最大,如圖5c和圖5d所示。相對(duì)于隧道拱頂沉降,仰拱隆起及水平收斂基本不受傾斜層理的影響,隧道內(nèi)圍巖內(nèi)侵變形量由大至小的順序依次為:拱頂沉降量、仰拱隆起量、邊墻水平收斂量。值得一提的是:相鄰隧道中夾巖側(cè)邊墻的水平收斂變形量約為外側(cè)邊墻水平收斂變形量的70%,這一差異主要與中夾巖厚度(相鄰隧道間距)有關(guān)。
a—單線隧道; b—雙線隧道。
除隧道圍巖變形以外,地表沉降同樣是淺埋隧道施工變形監(jiān)測(cè)重點(diǎn)。無(wú)論是單線隧道還是雙線隧道,隧道上方地表均會(huì)因隧道內(nèi)土體掘進(jìn)而出現(xiàn)如圖5所示的沉降槽。而沉降規(guī)模則與地層巖性、地下水環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造等地質(zhì)背景有關(guān),地表沉降的預(yù)測(cè)都存在不確定性。[24-25]而在目前眾多的預(yù)測(cè)施工隧道地表沉降的經(jīng)驗(yàn)方法中,Peck 基于大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的高斯曲線擬合結(jié)果提出的Peck公式無(wú)疑是最簡(jiǎn)便的方法。[26-28]Peck公式認(rèn)為隧道地表沉降曲線大致呈正態(tài)分布形式,主要由地層損失所致。單線隧道掘進(jìn)引起的橫向地表沉降估算式為:
(2)
式中:x為沉降點(diǎn)與隧道軸線的水平距離;s(x)為沉降點(diǎn)x處的沉降量;smax為單線隧道軸線上方位置出現(xiàn)的最大沉降量;i為地表橫向沉降槽寬度系數(shù);Aloss為橫向沉降槽截面上土體損失面積;Atunnel為隧道掘進(jìn)面挖掘的面積;R為圓形隧道掘進(jìn)半徑;η為地層損失率。
馬克栓基于單線隧道Peck公式,提出采用超幾何方法計(jì)算雙線平行隧道地表沉降的方法[29],如圖5所示。該法考慮先行隧道掘進(jìn)對(duì)后行隧道的影響,在分別確定兩隧道的沉降槽寬度系數(shù)i及土體損失率η的前提下,單獨(dú)計(jì)算兩隧道掘進(jìn)引起的地表沉降并進(jìn)行疊加,以右側(cè)隧道先掘進(jìn)為例,算式可表達(dá)為:
(3)
式中:if和ηf分別為相鄰平行隧道的先行隧道掘進(jìn)所致地表橫向沉降槽寬度系數(shù)及地層損失率;il和ηl分別為后行隧道掘進(jìn)所致地表沉降槽寬度系數(shù)和地層損失率。
可見,無(wú)論是單線隧道還是雙線平行隧道,由隧道掘進(jìn)所致的地表橫向沉降槽的寬度系數(shù)i及隧道所處地層的土體損失率η均為隧道施工期間地表沉降預(yù)測(cè)的關(guān)鍵參數(shù)。既有隧道地表沉降預(yù)測(cè)研究以均質(zhì)巖土體地層為主,而針對(duì)傾斜層理巖體隧道掘進(jìn)導(dǎo)致地表沉降變形狀態(tài)的研究較少。因此,基于數(shù)值計(jì)算結(jié)果針對(duì)地層傾角變化條件下相鄰平行隧道掘進(jìn)導(dǎo)致的地表沉降槽形態(tài)及特征參數(shù)進(jìn)行分析,如圖6、圖7所示。隨著地層傾角的增大(15°~75°),地表沉降槽由單峰“V形”向雙鋒“W形”轉(zhuǎn)變,由于層理與右側(cè)隧道相交,沉降槽峰值向右側(cè)偏移。參考單線隧道沉降槽寬度系數(shù)及地層損失率的定義,對(duì)雙線隧道地表沉降槽特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知:沉降槽寬度系數(shù)i隨地層傾角的增大(15°—45°—75°)大致呈先減小后增大的變化規(guī)律,而地層損失率雖受地層傾角的影響不大,但大致呈線性增大。此外,為對(duì)比驗(yàn)證FLAC3D計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,與隧道現(xiàn)場(chǎng)地表沉降的施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,如圖6b所示。隧道施工所致地表沉降現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均明顯大于數(shù)值計(jì)算結(jié)果,這主要與地表非飽和回填土及長(zhǎng)期降雨有關(guān)。值得注意的是:沉降曲線形態(tài)基本一致且峰值偏向隧道右線,說(shuō)明數(shù)值模型可滿足計(jì)算精度要求。
a—數(shù)值計(jì)算地表沉降曲線; b—傾角為30°時(shí)的地表沉降曲線對(duì)比。
a—沉降槽寬度系數(shù); b—地層損失率。
傾斜層理地層中,地層初始地應(yīng)力因相鄰隧道依次掘進(jìn)而發(fā)生釋放與調(diào)整,相鄰隧道貫通后圍巖最大主應(yīng)力分布狀態(tài)如圖8所示??梢?隧道徑向0.75倍隧道直徑范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力因掘進(jìn)擾動(dòng)而釋放明顯;地層傾角為30°時(shí),圍巖應(yīng)力釋放率最大,而應(yīng)力釋放率隨徑向深度的增大而呈非線性減小。此外,隧道圍巖整體性因傾斜層理的存在而降低,圍巖應(yīng)力場(chǎng)也在層理兩側(cè)呈非連續(xù)分布,且隨地層傾角的減小而趨于顯著。值得注意的是:地層傾角較小時(shí)上盤巖體易出現(xiàn)局部應(yīng)力集中,而層理面與隧道邊墻相交所呈銳角區(qū)域圍巖應(yīng)力釋放顯著,層理兩側(cè)巖體在此發(fā)生共軛剪切,隧道邊墻位置則因此極易發(fā)生大變形失穩(wěn)破壞,而隧道拱頂與層理相交處所呈銳角區(qū)域圍巖的失穩(wěn)破壞則主要是結(jié)構(gòu)面滑移與上方地層壓力共同作用所致。因此,應(yīng)在隧道施工過(guò)程中加強(qiáng)隧道外緣與層理相交所呈銳角區(qū)域圍巖變形監(jiān)測(cè),同時(shí)應(yīng)對(duì)存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的巖體進(jìn)行加固。進(jìn)一步提取地層傾角為30°時(shí)隧道外緣上特征點(diǎn)的徑向圍巖應(yīng)力(壓應(yīng)力)的掘進(jìn)施工響應(yīng)數(shù)據(jù)如圖9所示,結(jié)合圖4a所示圍巖內(nèi)侵收斂變形響應(yīng)曲線分析可知:隧道掘進(jìn)應(yīng)力釋放和圍巖內(nèi)侵變形同時(shí)存在,且單獨(dú)隧洞應(yīng)力釋放主要發(fā)生在該隧洞掘進(jìn)期間,先行隧道(右隧道)掘進(jìn)引起的應(yīng)力集中會(huì)造成后行隧道(左隧道)徑向圍巖應(yīng)力的略微升高,而后行隧道(左隧道)掘進(jìn)引起的應(yīng)力釋放會(huì)造成先行隧道(右隧道)的圍巖應(yīng)力進(jìn)一步減小,同時(shí)伴隨有新的內(nèi)侵變形發(fā)生。
a—傾角15°; b—傾角30°; c—傾角45°; d—傾角60°; e—傾角75°。
隧道圍巖塑性損傷區(qū)主要受隧道掘進(jìn)擾動(dòng)影響,多分布于隧道徑向0.5倍隧道直徑范圍內(nèi)圍巖,松動(dòng)區(qū)呈橢圓形,而中夾巖處塑性區(qū)較為集中,如圖10所示。此外,層理上盤巖體在結(jié)構(gòu)面與隧道交匯位置小范圍內(nèi)并未出現(xiàn)塑性損傷,這主要與傾斜層理控制范圍內(nèi)圍巖整體性下降有關(guān),而雙線隧道整體塑性區(qū)面積分布受層理影響并不顯著,損傷區(qū)占比僅隨地層傾角的增加出現(xiàn)輕微減小趨勢(shì)(圖11)。
a—傾角15°; b—傾角30°; c—傾角45°; d—傾角60°; e—傾角75°。
依托重慶市南岸區(qū)在建軌道交通停車場(chǎng)出入段分離式地鐵隧道建設(shè)工程,結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)采用FLAC3D對(duì)傾斜層理巖體相鄰地鐵隧道暗挖施工響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究,以地層傾角為變量分別從圍巖變形、地表沉降、應(yīng)力狀態(tài)和塑性區(qū)分布角度進(jìn)行對(duì)比分析,主要獲得以下四點(diǎn)結(jié)論:
1)相鄰隧道后行隧道掘進(jìn)對(duì)先行隧道圍巖的擾動(dòng)較大,地層傾角的增加導(dǎo)致隧道內(nèi)圍巖變形非對(duì)稱特征的顯著性先增大后減小,而拱頂沉降量則呈非線性減小并趨于收斂。
2)地表豎向沉降槽隨地層傾角的增大由單峰V形逐漸向雙鋒W形轉(zhuǎn)變并趨于顯著,且峰值向右隧道偏移,寬度系數(shù)也隨之先減小后增大,土體損失率大致呈線性緩慢增大。
3)隧道徑向0.75倍隧道直徑范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力掘進(jìn)卸荷明顯,應(yīng)力場(chǎng)于層理兩側(cè)呈非連續(xù)分布特征的顯著性隨傾角的減小而增大,而隧道淺層圍巖塑性損傷區(qū)占比卻隨地層傾角的增大呈輕微減小趨勢(shì)。
4)層理兩側(cè)巖體在結(jié)構(gòu)與隧道邊墻相交位置易發(fā)生共軛剪切破壞,所呈銳角區(qū)域圍巖應(yīng)力釋放顯著,而小傾角層理上盤巖體易在此出現(xiàn)局部應(yīng)力集中。