付 敬,吳 帆,張雨霆 ,覃 然

(1.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室,武漢 430010; 2.云南省滇中引水工程有限公司,昆明 650205)

0 引 言

滇中引水工程為大(I)型工程,具有規(guī)模大、線路長的特點,穿越大量“滇中紅層”分布區(qū)及沿線分布的第三系沉積盆地,軟巖及軟弱土體地層分布廣泛?！暗嶂屑t層”軟巖主要指滇中紅層中的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等泥質(zhì)巖類,該類巖石成巖作用差、富含泥質(zhì),常表現(xiàn)出較差的工程地質(zhì)特性:強度較低,變形模量小,流變效應(yīng)明顯。隧洞占線路總長的86.5%,軟巖大變形是困擾隧洞建設(shè)中安全施工的主要難題之一[1]。由于軟巖變形機理復(fù)雜多變,施工中缺乏有效的預(yù)防和控制措施,因此,開展圍巖大變形的機制研究,有效預(yù)防軟巖大變形引起的工程安全問題具有非常重要的現(xiàn)實意義。

多年來,國內(nèi)外學(xué)者通過理論分析、現(xiàn)場試驗、數(shù)值模擬等不同途徑對軟巖變形控制問題進行了系統(tǒng)的研究,取得了豐富的研究成果。張翔等[2-6]對滇中紅層工程地質(zhì)特性開展一系列的專題研究工作,較系統(tǒng)地總結(jié)了云南省內(nèi)紅層軟巖的分布、工程地質(zhì)特性,得出紅層軟巖抗剪、抗壓強度低,隨著黏土礦物及泥質(zhì)含量的增加,物理力學(xué)性質(zhì)逐漸降低,紅層軟巖蠕變效應(yīng)明顯;杜學(xué)才等[7-12]采用數(shù)值方法和室內(nèi)試驗探究軟巖隧洞圍巖的蠕變特性,探討蠕變參數(shù)變化規(guī)律與蠕變變形機制的關(guān)系,進一步揭示隧洞圍巖的蠕變破壞機理;楊啟貴等[13-16]對深埋軟巖隧洞的合理支護時機和支護強度進行了探討和研究,綜合考慮施工進度與安全,通過對災(zāi)害的發(fā)生機理進行研究,通過現(xiàn)場試驗,對隧洞支護設(shè)計方案進行優(yōu)化,提出應(yīng)對災(zāi)害的關(guān)鍵施工技術(shù)。這些成果在研究過程中較少地考慮軟巖破碎特征,缺乏較為完整的現(xiàn)場圍巖實時變形監(jiān)測數(shù)據(jù),以及相應(yīng)的蠕變參數(shù)反演分析?；诖?本文以滇中芹河隧洞4#支洞上游破碎軟巖洞段為研究對象,采用三維離散元方法,考慮隨機節(jié)理裂隙統(tǒng)計分布規(guī)律,建立裂隙分布密集的破碎洞段模型;依據(jù)多條實時監(jiān)測變形規(guī)律曲線反演圍巖的蠕變參數(shù),分析不同施工階段圍巖應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)及支護承載結(jié)構(gòu)的受力形式,比較支護時機對圍巖與襯砌相互作用的影響,研究圍巖變形破壞現(xiàn)象及其機理,分析圍巖變形與噴混凝土掉塊及鋼拱架斷裂彎曲現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)性。獲得的成果以期能為類似的軟巖隧洞設(shè)計和施工提供借鑒和參考應(yīng)用。

1 工程概況

1.1 隧洞地質(zhì)條件

芹河隧洞4#施工支洞上游段樁號DLI84+900—DLI85+023埋深400多米,圍巖為三疊系下統(tǒng)青天堡組第二段(T1q2)紫色紅泥巖夾少量淺灰色砂巖,巖層緩傾,微風(fēng)化帶,巖質(zhì)總體軟,裂隙發(fā)育,總體較破碎,洞室潮濕,局部滴水,為Ⅴ類圍巖。洞室圍巖穩(wěn)定性極差,主要存在緩傾巖層控制的頂拱穩(wěn)定與軟巖變形問題。圖1為DLI84+913施工斷面,可見該斷面變形量大,左上方拱架擠壓變形嚴重,拱架斷裂。

圖1 施工現(xiàn)場圍巖大變形照片

1.2 隧洞支護設(shè)計

該破碎洞段為鉆爆法開挖,斷面形式為馬蹄形,開挖凈高11.64 m,二襯施加后過流斷面凈高9.4 m。隧洞施工時開挖邊支護,采用組合式支護方式,見圖2,開挖前預(yù)先在頂拱使用50%超前小導(dǎo)管注漿配合50%超前管棚,開挖后洞周噴20 cm厚聚丙烯粗纖維C20混凝土,頂拱掛 Φ8.0@0.15 m×0.15 m鋼筋網(wǎng),邊墻和頂拱施加Ф25@1.25 m×1.25 m、長度L=6 m的中空注漿錨桿;采用間距0.6 m的I22鋼拱架(初支階段);再進行襯砌(二襯階段),襯砌厚度70 cm。

圖2 支護結(jié)構(gòu)

2 隧洞圍巖監(jiān)測變形分析

2.1 監(jiān)測洞段變形特征

在芹河隧洞4#支洞上游樁號DLI84+918—DLI85+035洞段共布置15個斷面進行實時變形監(jiān)測,斷面間距5～18 m,最早監(jiān)測斷面DLI85+035,日期為2022年5月21日,最晚監(jiān)測斷面DLI84+918,日期為2022年10月12日,監(jiān)測時長最長177 d,最短33 d。測點GD01、D2、D3、D4和D5布置見圖3。

圖3 監(jiān)測斷面測點布置

從圖4得知,多個斷面GD01沉降位移61～463 mm;觀測線SL01、SL02、SL03、SL04、SL05、SL06向洞內(nèi)收縮分別位移10～344、12～309、20～396、67～438、80～355、160～1 008 mm,平均位移分別為225、87、131、224、188、207、554 mm,圍巖裂隙發(fā)育,圍巖破碎,測點變形差異大;隧洞腰部向洞內(nèi)的收縮變形最大,日均位移速率最大達8.5 mm/d,其它部位最大位移速率≤4 mm/d,大多測點位移速率≤2 mm/d。

圖4 監(jiān)測斷面時長及測點累計位移統(tǒng)計

2.2 隨時間發(fā)展的圍巖變形趨勢

初支施加完成后,破碎軟巖的蠕變特性較強,圍巖變形隨時間延續(xù)增長,在初支完成的第1個月內(nèi),DLI84+918斷面SL04、SL05、SL06向洞內(nèi)收縮位移分別為87、80、160 mm,GD01的沉降位移約61 mm,其它測線位移相對較小。初支后的時效變形中,SL06的變形速率相對最大,在觀測期內(nèi),其變形速率最大達20 mm/d,其它觀測線或測點的變形速率最大約10 mm/d,圍巖蠕變速率隨時間延續(xù)逐漸減小,至第28天圍巖變形速率基本<5 mm/d。從監(jiān)測點變形曲線(圖5)看出,隧洞初支一個月內(nèi)圍巖蠕變明顯,后期蠕變速率明顯減小,至第120天左右圍巖位移基本不再增長?？梢?監(jiān)測洞段圍巖受結(jié)構(gòu)面的切割影響,卸荷變形差異大,呈明顯的時效變形特征;當開挖卸荷及時初支后,圍巖變形速率呈減小趨勢,洞周變形逐漸收斂趨于穩(wěn)定。圍巖仍呈減速趨勢持續(xù)位移一段時間。

圖5 DLI84+918斷面監(jiān)測變形趨勢

3 圍巖蠕變本構(gòu)模型選取及參數(shù)反演

3.1 巖體黏彈塑本構(gòu)模型

圍巖變形實測數(shù)據(jù)表明該破碎洞段開挖卸荷后圍巖變形表現(xiàn)出明顯的蠕變,變形速率隨時間發(fā)展呈衰減趨勢。由于Burgers與Mohr-Coulomb復(fù)合而成的黏彈塑模型可以反映這種衰減蠕變規(guī)律特征,因此采用此模型反演蠕變變形規(guī)律。如圖6,當ηM為無窮大時,就相當于廣義開爾文黏彈塑模型,可以模擬巖體衰減蠕變階段。

圖6 蠕變模型

在圖6中,EM、EK、ηM和ηK分別是彈性模量、黏彈性模量、Maxwell黏滯系數(shù)和Kelvin黏滯系數(shù);σf為應(yīng)力且σf≤塑性屈服應(yīng)力;σ為應(yīng)力;εM、εK、εP和ε分別為Maxwell體應(yīng)變、Kelvin體應(yīng)變、塑性應(yīng)變和總應(yīng)變。 模型的應(yīng)變率構(gòu)成為

(1)

其中,應(yīng)變率構(gòu)成滿足關(guān)系:

Kelvin體為

(2)

Maxwell體為

(3)

塑性體為:

(4)

Mohr-Coulomb模型的強度包絡(luò)線由剪切、拉伸準則共同構(gòu)成,所對應(yīng)的屈服方程為

f=0 。

(5)

式中f為摩爾-庫倫屈服跡線,由剪切和張拉準則合成。

3.2 模型概化及計算條件

模型坐標原點位于隧洞中心點,洞軸線為Y軸,順水流方向為正,高程方向為Z軸,向上為正,X軸定義遵從右手坐標系法則。模型原點為頂拱圓心,X向邊界(-50,50) m,Y向邊界(0,12) m,Z向邊界(-50,50) m,離散元單元數(shù)1 801 975,節(jié)點數(shù)792 192。采用三維離散元3DEC數(shù)值計算軟件及裂隙節(jié)理網(wǎng)絡(luò)方法,對于破碎洞段,地質(zhì)勘察工作者要對洞段節(jié)理裂隙進行詳細精準的地質(zhì)描述是相當困難的,通常采用統(tǒng)計方法來反映裂隙網(wǎng)絡(luò)的特點,其中冪律分布可以用來反映不同尺寸裂隙在離散裂隙網(wǎng)絡(luò)中的分布情況,可以模擬自然節(jié)理裂隙的分布規(guī)律。在三維離散元中,裂隙面用圓盤來模擬,圓盤直徑為裂隙長度,在本研究中采用形式較簡單且只有一個參數(shù)的冪律分布函數(shù)(式(6))來描述裂隙長度的統(tǒng)計分布形式, 裂隙尺寸x范圍為0.5～20.0 m,冪律分布指數(shù)為3,冪律分布概率函數(shù)為

f(x)=x-α-1。

(6)

式中α為冪律分布指數(shù)。

模型上部邊界作用上覆巖體的重力,四周和底部采用法向約束。圖7為典型洞段模型及節(jié)理裂隙切割示意圖。初支(鋼管樁、噴錨和鋼拱架措施)均在斷面開挖完成后同時施加, 襯砌施加滯后初支一段時間后進行,如圖8。

圖7 典型洞段模型

圖8 主要支護結(jié)構(gòu)示意圖

初始地應(yīng)力取值來源于地應(yīng)力測試成果, 鉛直向、X方向、Y方向應(yīng)力分別為:

σzz=γh,

(7)

σxx=λHσzz=1.27σzz,

(8)

σyy=λhσzz=0.8σzz。

(9)

式中:σzz、σxx、σyy分別為鉛直向、X方向、Y方向應(yīng)力;h為埋深;γ為重度;λH為大水平主應(yīng)力方向的側(cè)壓系數(shù);λh為小水平主應(yīng)力方向的側(cè)壓系數(shù)。

采用的圍巖及裂隙力學(xué)參數(shù)取值綜合地質(zhì)建議值和經(jīng)驗,如表1、表2,卸荷松弛圈以及注漿加固巖體的變形模量、強度參數(shù)分別為原巖參數(shù)的80%、120%。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

表2 節(jié)理裂隙物理力學(xué)參數(shù)

3.3 圍巖蠕變參數(shù)反演

隧洞圍巖、松動圈及錨固圈的本構(gòu)模型均采用復(fù)合黏彈塑性模型。在目前缺乏相關(guān)試驗數(shù)據(jù)以及監(jiān)測數(shù)據(jù)相對有限的條件下,還不能準確區(qū)分出松弛區(qū)和灌漿后巖體蠕變參數(shù)與原巖參數(shù)的差異,根據(jù)蠕變參數(shù)的物理力學(xué)特性和相關(guān)工程計算分析經(jīng)驗,相應(yīng)蠕變參數(shù)擬按原巖參數(shù)的80%和120%同比例參與原巖蠕變參數(shù)的反演計算分析。

參照DLI84+918斷面SL06的監(jiān)測變形、監(jiān)測變形趨勢曲線進行擬合反演,經(jīng)過數(shù)十組參數(shù)結(jié)果的擬合比較,最終獲得較為合適的蠕變參數(shù),即EM=0.2 GPa,EK=0.002 GPa,ηK=6.0 GPa·h。圖9為初支后SL06的時效變形的計算值與監(jiān)測值比較,初襯30 d測點蠕變位移計算值約158.7 mm,而相鄰斷面DLI84+913、DLI84+918對應(yīng)部位的蠕變位移監(jiān)測值分別為159.6、194.5 mm,計算值介于監(jiān)測值之間,位移及位移速率隨時間的發(fā)展趨勢曲線兩者較為吻合。其它測點位移的計算值與監(jiān)測值較為接近?？梢?依據(jù)這組蠕變參數(shù)計算得到的圍巖變形規(guī)律逼近監(jiān)測變形發(fā)展趨勢,說明這組蠕變參數(shù)是合理的。

圖9 洞周變形計算值與監(jiān)測值比較

4 隧洞圍巖大變形與支護結(jié)構(gòu)相互作用

4.1 開挖卸荷初期圍巖應(yīng)力應(yīng)變及支護結(jié)構(gòu)受力分布

隧洞開挖及時初襯支護,洞周均朝洞內(nèi)變形,開挖變形50～125 mm,位移較大部位出現(xiàn)在底板,底板回彈50～125 mm,洞周其它部位變形20～60 mm。洞周圍巖形成1～3 m厚的應(yīng)力松弛區(qū)。頂拱、拱墻下部噴層壓應(yīng)力偏大,局部達8.0～11.1 MPa,其它部位應(yīng)力基本為2～6 MPa。錨桿應(yīng)力大多為80～150 MPa,拱墻下部個別錨桿應(yīng)力>300 MPa。鋼拱架整體封閉成環(huán),拱架承受壓力為主,鋼拱架腰部以下應(yīng)力為40～160 MPa、腰部以上應(yīng)力為200～400 MPa,鋼架局部應(yīng)力超過型鋼容許強度,不滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計安全要求。

4.2 初支后圍巖時效變形與支護結(jié)構(gòu)的相互作用

隧洞開挖及初襯完成后歷經(jīng)30、60 d圍巖時效變形如圖10,洞周不同部位的蠕變變形有明顯差異,蠕變程度最強部位為隧洞仰拱,其次就是拱腰及下邊墻,拱腰上部的邊墻和拱肩、拱頂蠕變變形相對偏小。初支完成30 d內(nèi),圍巖蠕變最快,持時30 d洞周仰拱、左拱墻、右拱墻、頂拱圍巖蠕變增量最大位移分別為524.0、232.4、220.3、119.2 mm,持時100 d對應(yīng)部位蠕變變形分別為820.0、332.2、330.1、209.0 mm,如圖11。

圖10 初襯后圍巖不同時期的位移云圖

圖11 初支后洞周圍巖特征部位時效變形曲線

鋼拱架的變形、彎矩及軸向應(yīng)力均隨圍巖擠壓變形而增大,歷經(jīng)蠕變30 d時,鋼拱架下部拱墻變形最大約295.0 mm,拱腰部位部位彎矩和軸向應(yīng)力分別達2.12 MN·m、545 MPa,較初支完成時增長幅度分別約253%、34%,這些部位的鋼拱架結(jié)構(gòu)內(nèi)力已超容許強度標準,在圍巖大變形的擠壓作用下發(fā)生鋼拱架斷裂、扭曲破壞等現(xiàn)象。

4.3 圍巖時效變形與二襯結(jié)構(gòu)的相互作用

襯砌一般在初支完成待圍巖變形基本穩(wěn)定后施加,在軟巖大變形隧洞施工中,襯砌施加后會承擔(dān)部分形變壓力。如圖12,當考慮初支30 d后施加襯砌結(jié)構(gòu),圍巖蠕變引起襯砌結(jié)構(gòu)受到擠壓,在襯砌初期,襯砌結(jié)構(gòu)變形速率約0.2 mm/d,應(yīng)力變化速率約2.4 MPa/d,隨時間延續(xù)至圍巖蠕變穩(wěn)定時,襯砌向洞內(nèi)最大變形1.4 mm,于仰拱中部;拱腰下部及仰拱的壓應(yīng)力偏大,最大達12.0 MPa,在拱腰和仰拱內(nèi)側(cè)拉應(yīng)力較大,這些部位的結(jié)構(gòu)受力已超結(jié)構(gòu)強度標準,會導(dǎo)致襯砌發(fā)生壓裂、拉裂起拱等破壞現(xiàn)象。

圖12 二砌支護100 d的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

5 結(jié) 論

(1)芹河隧洞4#支洞上游破碎軟巖洞段的監(jiān)測變形具有明顯的時效性,拱腰水平向洞內(nèi)收縮變形最明顯;不同監(jiān)測斷面累計變形差異大,圍巖軟弱,破碎程度較高、完整性差,蠕變特性強。

(2)反演獲得破碎軟巖洞段圍巖蠕變參數(shù)為EM=0.2 GPa,EK=0.002 GPa,ηK=6.0 GPa·h。

(3)圍巖蠕變特性對支護結(jié)構(gòu)受力影響大, 初支和襯砌支護系統(tǒng)受力均隨著時間發(fā)展而增長, 在洞周蠕變明顯部位, 支護結(jié)構(gòu)受力大, 局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力已超設(shè)計安全強度標準。 同時, 發(fā)育的節(jié)理裂隙切割削弱了圍巖的完整性和抗變形能力, 當隧洞開挖后圍巖易發(fā)生非連續(xù)大變形。 由此, 在隧洞施工過程中, 圍巖變形侵限, 噴層掉落、 鋼拱架扭曲斷裂、 塌腔等工程安全問題會時有發(fā)生。

(4)針對破碎的軟巖隧洞施工,有必要預(yù)先對一定深度范圍內(nèi)的圍巖進行灌漿改性以提高巖體強度和抗變形能力;盡量減少施工開挖對圍巖的多次擾動,初期支護及時跟進,盡快封閉成環(huán);需加強工程期隧洞圍巖和初支的變形、應(yīng)力安全監(jiān)測,指導(dǎo)襯砌支護時機的合理選擇,實時反饋隧洞結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性,動態(tài)指導(dǎo)和優(yōu)化施工設(shè)計。