王明年,王 巖,胡云鵬,吳圣智,劉大剛
(1.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610031;2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,四川 成都 610031)
川藏鐵路將大面積穿過山南、林芝、折多山、海螺溝及康定等冰磧層地質(zhì)聚集區(qū),其中,已開工的拉林鐵路就有6 座隧道大規(guī)模穿越冰磧層地區(qū),未開工的雅安—康定段、康定—林芝段中,海子山隧道、折多山隧道均會(huì)穿越冰磧層地區(qū)。冰磧層在形成過程中未經(jīng)風(fēng)化作用,由冰川直接攜帶和搬運(yùn)而成,其物質(zhì)組成具有一定的棱角性,在冰川消融后,冰磧層含水率較高,在隧道開挖后極易發(fā)生掌子面及洞周圍巖的坍塌及涌水,威脅隧道施工安全。因此,針對(duì)冰磧層隧道研究的重要性日益凸顯。
由于冰磧層的特殊性,眾多學(xué)者對(duì)其工程特性展開了研究。Ignatoval[1]提出了計(jì)算冰磧層強(qiáng)度指標(biāo)的公式;Stephan Gebhardt 等[2]以德國(guó)北部冰磧層為例研究了冰磧層在不同壓實(shí)狀態(tài)下的物理力學(xué)性質(zhì);屈智炯、蒙進(jìn)等[3-4]等研究了冰磧層微觀結(jié)構(gòu)特征及應(yīng)力-應(yīng)變-體變特性和強(qiáng)度演化規(guī)律,提出了改進(jìn)的非線性K-G本構(gòu)模型;涂國(guó)祥等[5-6]以西南某大型冰磧層為例,得到了冰磧層強(qiáng)度的計(jì)算公式及改進(jìn)的滲透系數(shù)計(jì)算方法;李驊錦等[7]對(duì)四川理縣小岐村冰磧物角礫土不同含水率及含石量對(duì)強(qiáng)度的影響進(jìn)行了研究;木勛等[8]針對(duì)西南某機(jī)場(chǎng)冰磧土的顆粒、級(jí)配、強(qiáng)度、滲透性等特性進(jìn)行研究;馮俊德等[9]進(jìn)行了原狀冰磧土和相同干密度、不同含水率下的重塑冰磧土大型直剪試驗(yàn)研究。
然而這些研究主要集中在應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系,以及本構(gòu)模型、強(qiáng)度計(jì)算方法和各因素對(duì)冰磧層強(qiáng)度影響規(guī)律等工程特性方面,對(duì)冰磧層圍巖穩(wěn)定性及亞分級(jí)方面的研究則幾乎空白。
基于此,本文以拉林鐵路藏噶隧道為依托工程,采用室內(nèi)土工試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)冰磧層圍巖穩(wěn)定性及亞分級(jí)進(jìn)行系統(tǒng)研究,以期為拉林線奔中山隧道、米林隧道以及川藏線中穿越冰磧層地區(qū)的隧道施工提供參考。
藏噶隧道為單線鐵路隧道,隧道進(jìn)口里程DK164+850,出口里程DK173+605,全長(zhǎng)8 755 m,最大埋深為778 m。隧址位于念青唐古拉山與喜馬拉雅山之間的藏南谷地高山區(qū),地勢(shì)起伏跌宕,氣候極端惡劣。冰磧層主要分布于DK166+950—DK167+910 段,長(zhǎng) 度960 m,DK173+490—DK173+605 段,長(zhǎng)度115 m,冰磧層段隧道埋深為48.9~114.2 m,地層巖性為碎石土,其組成礦物成份以石英砂巖、花崗巖、閃長(zhǎng)巖為主,粒徑為60~150 mm。
該隧道施工采用三臺(tái)階法加臨時(shí)仰拱法,支護(hù)結(jié)構(gòu)按照新奧法原理設(shè)計(jì),采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu),支護(hù)參數(shù)見表1。
表1 隧道復(fù)合式襯砌支護(hù)參數(shù)
針對(duì)藏噶隧道進(jìn)行冰磧層實(shí)地取樣,同時(shí)結(jié)合康定、瀘定、林芝等其他共計(jì)14 個(gè)調(diào)研點(diǎn)(詳見圖1)冰磧層調(diào)研樣本[10-16]進(jìn)行綜合分析,得到冰磧層圍巖的天然密度為2 060~2 365 kg·m-3,含水率為2%~25%,曲率系數(shù)Cc為0.65~5.46,不均勻系數(shù)Cu為35.84~143.25。
圖1 冰磧層樣本調(diào)研點(diǎn)分布
為了全面探究冰磧層隧道圍巖的力學(xué)性質(zhì),選取密實(shí)程度、含石量和含水率3 個(gè)主要影響因素,在室內(nèi)進(jìn)行冰磧層大型三軸剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備選用應(yīng)力路徑控制大型三軸剪切試驗(yàn)儀,如圖2所示;軸向應(yīng)力、應(yīng)變、周圍壓力等參數(shù)均由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集,試樣配置及試樣破壞如圖3所示。試驗(yàn)工況涵蓋調(diào)研區(qū)內(nèi)冰磧層圍巖的物理指標(biāo)。
圖2 大型三軸剪切試驗(yàn)儀
圖3 試樣配置及試樣破壞
為研究不同含石量對(duì)冰磧層力學(xué)性質(zhì)的影響關(guān)系,調(diào)研目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于土石分界問題的研究,可知粗粒土內(nèi)部的土與石之分是一個(gè)相對(duì)概念,因此,采用E.S.Linquist 和E.Medley 等[17-18]提出的土石分界閾值,結(jié)合本次試驗(yàn)儀器的限定,研究采用10 mm 為土石分界點(diǎn),即粒徑大于10 mm 的為石,小于10 mm的為土。
2.2.1 密實(shí)程度影響規(guī)律
密實(shí)程度與冰磧層圍巖抗剪強(qiáng)度的關(guān)系曲線如圖4所示,由圖可知,黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨密實(shí)程度的增大而增大。依據(jù)曲線變化趨勢(shì)可將曲線分為3段:當(dāng)密實(shí)程度小于0.35時(shí),黏聚力和內(nèi)摩擦角增長(zhǎng)速率較緩;當(dāng)密實(shí)程度在0.35~0.67 之間時(shí),黏聚力和內(nèi)摩擦角的增長(zhǎng)速率較大;當(dāng)密實(shí)程度大于0.67,黏聚力增長(zhǎng)速率變緩,而內(nèi)摩擦角增長(zhǎng)速率仍較大。由此,在對(duì)密實(shí)程度進(jìn)行分組時(shí),以密實(shí)程度β為0.35 和0.67 作為分界點(diǎn),將其劃分為密實(shí)、中密和稍密3組。
2.2.2 含石量影響規(guī)律
圖4 密實(shí)程度與冰磧層抗剪強(qiáng)度的關(guān)系曲線
圖5 含石量與冰磧層抗剪強(qiáng)度的關(guān)系曲線
含石量與冰磧層圍巖抗剪強(qiáng)度的關(guān)系曲線如圖5所示,由圖可知,黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨含石量的增大而逐漸增大。依據(jù)曲線變化趨勢(shì)可將曲線分為2 段:當(dāng)含石量小于30%時(shí),黏聚力和內(nèi)摩擦角增長(zhǎng)速率較緩;當(dāng)含石量大于30%,黏聚力和內(nèi)摩擦角增長(zhǎng)速率逐漸變大。由此,在對(duì)含石量進(jìn)行分組時(shí),以含石量as為30%作為分界點(diǎn),將其劃分為低含石量和高含石量2組。
2.2.3 含水率影響規(guī)律
含水率與冰磧層圍巖抗剪強(qiáng)度的關(guān)系曲線如圖6所示,由圖可知,黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨含水率的增大呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。依據(jù)曲線變化趨勢(shì)可將曲線分為3段:當(dāng)含水率小于10%時(shí),黏聚力減小速率較緩,而內(nèi)摩擦角減小速率較大,這是由于含水率在10%以內(nèi)時(shí),水的增加會(huì)給冰磧層顆粒之間增加一層水膜,起到潤(rùn)滑的作用,使顆粒間的咬合力減小,從而使內(nèi)摩擦角的減小速率較大;當(dāng)含水率在10%~20%之間時(shí),黏聚力和內(nèi)摩擦角的減小速率均變緩;而當(dāng)含水率大于20%時(shí),黏聚力和內(nèi)摩擦角的減小速率劇增,這是由于水含量的增加已經(jīng)使得冰磧層土樣無(wú)法保持自穩(wěn)。由此,在對(duì)含水率進(jìn)行分組時(shí),以含水率aw為10%和20%作為分界點(diǎn),將其劃分為低含水率、中含水率和高含水率3組。
圖6 含水率與冰磧層抗剪強(qiáng)度的關(guān)系曲線
隧道圍巖穩(wěn)定性不僅包括掌子面穩(wěn)定性,還包括洞身穩(wěn)定性,是一個(gè)空間與時(shí)間結(jié)合的四維概念。在隧道修建過程中,圍巖的穩(wěn)定性是選擇施工方式和支護(hù)型式的重要依據(jù),也是控制隧道變形、指導(dǎo)隧道施工的重要基礎(chǔ)。目前,關(guān)于圍巖穩(wěn)定性分級(jí)有2 種思路:第1 種是以洞身穩(wěn)定性為依據(jù)進(jìn)行分級(jí),第2 種是以掌子面穩(wěn)定性為依據(jù)進(jìn)行分級(jí)[19]。本文采用第2 種思路,即以洞身穩(wěn)定性為依據(jù),采用離散元軟件PFC 進(jìn)行冰磧層圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬,通過計(jì)算不同工況下隧道開挖后圍巖顆粒、力鏈及裂隙發(fā)展情況,得到冰磧層圍巖洞身穩(wěn)定性。依據(jù)我國(guó)TB 1003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于圍巖塌方類型和塌方高度的判斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷,即當(dāng)塌方高度小于3 m 時(shí)屬于小塌方,塌方高度在3~6 m 間時(shí)屬于中塌方,塌方高度大于6 m 時(shí)屬于大塌方。在數(shù)值模型中,塌方高度等于塌方處最低點(diǎn)和最高點(diǎn)間的豎向距離。
基于上述冰磧層圍巖抗剪強(qiáng)度室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)圍巖密實(shí)程度、含石量和含水率這3個(gè)參數(shù)的強(qiáng)度分組進(jìn)行全組合排列,得到共計(jì)18組計(jì)算工況,詳見表2。
針對(duì)離散元的建模特點(diǎn),依據(jù)離心機(jī)原理及相似準(zhǔn)則,隧道開挖尺寸取實(shí)際隧道的1/10,重力加速度乘以10 倍,則可保證隧道的初始地應(yīng)力與實(shí)際相同,由此建立的隧道開挖模型如圖7所示。同時(shí),為了體現(xiàn)冰磧層圍巖棱角性特點(diǎn),隨機(jī)選取冰磧層圍巖中20 組顆粒進(jìn)行數(shù)碼拍照,采用Mat?lab 中的Candy 算法計(jì)算顆粒邊界坐標(biāo),將邊界坐標(biāo)導(dǎo)入CAD 中得到顆粒輪廓線,在PFC 軟件中導(dǎo)入CAD 文件得到Clump 顆粒,部分結(jié)果如圖8所示。
采用建立的冰磧層圍巖數(shù)值標(biāo)定模型(見圖9),依次對(duì)照表2中的計(jì)算工況進(jìn)行細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定,將數(shù)值模擬得到的應(yīng)力—應(yīng)變曲線與室內(nèi)大型三軸試驗(yàn)得到的進(jìn)行對(duì)比,當(dāng)兩者的應(yīng)力—應(yīng)變曲線的峰值強(qiáng)度相差不超過5%時(shí),則認(rèn)為細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定成功。部分標(biāo)定曲線如圖10所示,標(biāo)定結(jié)果見表3。其中,接觸模型選用線性接觸模型,顆粒密度取2 265 kg·m-3。
表2 冰磧層圍巖計(jì)算工況
圖7 離散元隧道開挖模型(單位:m)
圖8 冰磧層圍巖Clump顆粒
圖9 冰磧層圍巖數(shù)值標(biāo)定模型(單位:mm)
圖10 室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值標(biāo)定模型的應(yīng)力—應(yīng)變曲線對(duì)比
不同的隧道開挖跨度,導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生的塌方高度和塌方類型不同,因此,采用建立的離散元隧道開挖模型(見圖7),對(duì)于上述18 種工況,逐漸增大隧道開挖跨度,數(shù)值模擬得到不同開挖跨度時(shí)的圍巖塌方高度和塌方類型。對(duì)照TB 1003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于圍巖塌方類型和塌方高度的判斷標(biāo)準(zhǔn),可將18 種工況中的塌方過程分為以下3類。
(1)類型1:隨著開挖跨度的增加,冰磧層圍巖由局部失穩(wěn),發(fā)展成小塌方,最后發(fā)展成中~大塌方。
以工況1 的顆粒、裂隙、力鏈分布圖為例,如圖11所示,圖中,紅色為張拉破壞裂隙,綠色為剪切破壞裂隙,灰色為壓縮力鏈,紫色為張拉力鏈。由圖可知:當(dāng)開挖跨度為6 m 時(shí),隧道僅在左拱腰出現(xiàn)張拉破壞,產(chǎn)生局部坍塌,在力鏈圖中呈左拱腰脫空,右拱腰集中;當(dāng)開挖跨度為8 m 時(shí),隧道產(chǎn)生中塌方,上部形成錐形塌落拱,拱頂處發(fā)生張拉破壞,在力鏈圖中拱腰處出現(xiàn)壓應(yīng)力集中現(xiàn)象;當(dāng)開挖跨度為10 m時(shí),隧道發(fā)生大塌方,拱頂形成橢圓形塌落拱,在力鏈圖中拱頂呈完全脫空狀態(tài)。
(2)類型2:隨著開挖跨度的增大,冰磧層圍巖由局部失穩(wěn),迅速發(fā)展成中~大塌方。
以工況7 的顆粒、裂隙、力鏈分布圖為例,如圖12所示。由圖可知:當(dāng)開挖跨度為4 m 時(shí),隧道出現(xiàn)拱腰處張拉破壞,且力鏈呈局部脫空;當(dāng)開挖跨度為6 m 時(shí),隧道迅速發(fā)展為大塌方,在拱頂處形成橢圓形塌落拱,且力鏈呈橢圓形脫空。
表3 冰磧層圍巖細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定結(jié)果
圖11 工況1的顆?!严?、力鏈分布圖
圖12 工況7的顆?!严?、力鏈分布圖
(3)類型3:隨著開挖跨度的增加,冰磧層圍巖直接發(fā)展成大塌方。
以工況13 的顆粒、裂隙、力鏈分布圖為例,如圖13所示。由圖可知:當(dāng)開挖跨度為4 m 時(shí),隧道即出現(xiàn)大塌方,且無(wú)法形成塌落拱,裂隙呈“蝴蝶形”分布,力鏈出現(xiàn)圓形脫空。
圖13 工況13的顆?!严丁⒘︽湻植紙D
根據(jù)上述冰磧層圍巖穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果,可得到18 種工況條件下冰磧層圍巖的自穩(wěn)跨度,對(duì)照TB 1003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于自穩(wěn)跨度與圍巖等級(jí)之間的關(guān)系表,可得到18 種工況條件下冰磧層圍巖的亞分級(jí)結(jié)果,詳見表4,由表4可知,當(dāng)選取密實(shí)程度、含石量和含水率作為分級(jí)指標(biāo)時(shí),冰磧層圍巖主要分為Ⅳ2,Ⅴ1和Ⅴ2這3 個(gè)亞級(jí)。
表4 冰磧層圍巖亞分級(jí)結(jié)果
整理各工況中密實(shí)程度、含石量和含水率的取值范圍,得到冰磧層圍巖亞分級(jí)及對(duì)應(yīng)指標(biāo)的取值范圍,見表5。
表5 冰磧層圍巖亞分級(jí)表
根據(jù)上文得到的冰磧層圍巖亞分級(jí)表,結(jié)合拉林鐵路藏噶隧道地質(zhì)勘察結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)情況,對(duì)藏噶隧道冰磧層圍巖進(jìn)行亞分級(jí)。
1)Ⅳ2亞級(jí)冰磧層圍巖
隧道DK173+490—DK173+540 段,礦物成分以石英砂巖、花崗巖、閃長(zhǎng)巖為主,密實(shí),粒徑為60~150 mm,最大可見200 mm,約占總質(zhì)量60%~65%,呈次棱角狀~棱角狀。該段含水率約為2.0%~6.4%,密實(shí),含石量在70%以上,對(duì)照表5,可認(rèn)為該段圍巖屬于Ⅳ2亞級(jí)圍巖。
2)Ⅴ1亞級(jí)冰磧層圍巖
隧道DK173+540—DK173+605 段,礦物成分以石英砂巖、花崗巖、閃長(zhǎng)巖為主,中密,粒徑為60~150 mm,最大可見200 mm,約占總質(zhì)量60%~65%,呈次棱角狀~棱角狀。該段含水率約為12.3%~16.4%,中密,含石量在70%以上,對(duì)照表5,可認(rèn)為該段圍巖屬于Ⅴ1亞級(jí)圍巖。
3)Ⅴ2亞級(jí)冰磧層圍巖
隧道DK166+950—DK167+910 段,礦物成份以石英砂巖、花崗巖、閃長(zhǎng)巖為主,稍密,粒徑為60~150 mm,最大可見200 mm,約占總質(zhì)量60%~65%,呈次棱角狀~棱角狀。該段含水率普遍大于20.0%,有涌水產(chǎn)生,對(duì)照表5,可認(rèn)為該段圍巖屬于Ⅴ2亞級(jí)圍巖。
針對(duì)藏噶隧道冰磧層圍巖亞分級(jí)結(jié)果,依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工方法,給出如下支護(hù)措施建議,并匯總于表6。
表6 冰磧層圍巖支護(hù)措施推薦表
(1)Ⅳ2亞級(jí)冰磧層圍巖:現(xiàn)場(chǎng)采用“小斷面三臺(tái)階”工法進(jìn)行開挖;依據(jù)冰磧層圍巖穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果,其自穩(wěn)跨度為5 m,推薦采用噴射混凝土和型鋼鋼架進(jìn)行加固。
(2)Ⅴ1亞級(jí)冰磧層圍巖;現(xiàn)場(chǎng)采用“小斷面三臺(tái)階”工法進(jìn)行開挖;依據(jù)冰磧層圍巖穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果,其自穩(wěn)跨度為3 m,推薦采用“管棚+小導(dǎo)管”進(jìn)行超前加固,支護(hù)方式采用型鋼鋼架和管棚。
(3)Ⅴ2亞級(jí)冰磧層圍巖;現(xiàn)場(chǎng)采用“小斷面三臺(tái)階”工法進(jìn)行開挖;依據(jù)冰磧層圍巖穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果,其自穩(wěn)跨度為2 m,推薦采用“帷幕注漿、管棚+小導(dǎo)管”進(jìn)行超前加固,支護(hù)方式采用型鋼鋼架和管棚,同時(shí)為提高施工安全和施工效率可采用臨時(shí)橫撐。
現(xiàn)場(chǎng)采用上述推薦的支護(hù)措施后,對(duì)180個(gè)斷面監(jiān)測(cè)30 d,統(tǒng)計(jì)冰磧層段沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),其中部分?jǐn)嗝娴谋O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖14所示。由圖可知:拱頂、上臺(tái)階、下臺(tái)階的累計(jì)最大沉降分別為24.5,22.1,23.7 mm,均小于100 mm,滿足隧道施工要求。因此,藏噶隧道冰磧層段施工方法和支護(hù)措施可為其他隧道提供參考。
同時(shí),應(yīng)當(dāng)注意到,Ⅴ2亞級(jí)冰磧層圍巖的含水率極高,容易產(chǎn)生涌水,易發(fā)生細(xì)顆粒的流失,改變冰磧層圍巖的顆粒結(jié)構(gòu)及膠結(jié)狀態(tài),使冰磧層圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)一步降低的危險(xiǎn)。因此,下一步的研究重點(diǎn)為地下水對(duì)冰磧層顆粒流失的影響以及顆粒流失后冰磧層隧道圍巖的穩(wěn)定性問題。
圖14 藏噶隧道冰磧層段累計(jì)沉降曲線
(1)冰磧層圍巖的抗剪強(qiáng)度隨密實(shí)程度和含石量的增大逐漸增大,隨含水率的增大逐漸減??;依據(jù)抗剪強(qiáng)度的變化趨勢(shì)可將密實(shí)程度劃分為密實(shí)、中密和稍密3 組,含石量劃分為低含石量和高含石量2 組,含水率劃分為低含水率、中含水率和高含水率3組。
(2)冰磧層圍巖塌方過程分為3 類,第1 類為隨著開挖跨度的增大,隧道先是局部失穩(wěn),再發(fā)展成小塌方,最后發(fā)展為中~大塌方;第2類為隨著開挖跨度的增大,隧道由局部失穩(wěn)迅速發(fā)展成中~大塌方;第3 類為隨著開挖跨度的增大,隧道直接發(fā)展為大塌方。
(3)在選取密實(shí)程度、含石量和含水率作為分級(jí)指標(biāo)時(shí),冰磧層圍巖分為Ⅳ2,Ⅴ1和Ⅴ2共3 個(gè)亞級(jí)。當(dāng)密實(shí)程度大于0.67 時(shí),依據(jù)含石量和含水率的不同,冰磧層圍巖為Ⅳ2和Ⅴ1共2 個(gè)亞級(jí);當(dāng)密實(shí)程度在0.35~0.67 之間時(shí),依據(jù)含石量和含水率的不同,冰磧層圍巖為Ⅴ1和Ⅴ2共2 個(gè)亞級(jí);當(dāng)密實(shí)程度小于0.35時(shí),冰磧層圍巖為Ⅴ2亞級(jí)。
(4)藏噶隧道冰磧層圍巖主要分為Ⅳ2,Ⅴ1和Ⅴ2共3 個(gè)亞級(jí)。對(duì)應(yīng)的加固措施應(yīng)分別為:噴射混凝土和型鋼鋼架進(jìn)行加固;采用“管棚+小導(dǎo)管”進(jìn)行超前加固,采用型鋼鋼架和管棚進(jìn)行支護(hù);采用“帷幕注漿、管棚+小導(dǎo)管”進(jìn)行超前加固,采用型鋼鋼架和管棚進(jìn)行支護(hù)?,F(xiàn)場(chǎng)采用該加固措施后,最大沉降小于100 mm,滿足隧道施工要求。因此,藏噶隧道冰磧層段亞分級(jí)表、施工方法和施工措施可為拉林線奔中山隧道、米林隧道及川藏線中穿越冰磧層地區(qū)的隧道施工提供參考。