暢 燚

(中鐵十七局集團(tuán)第四工程有限公司，重慶 401121)

0 引言

層狀巖體廣泛存在于地球上，沉積巖經(jīng)變質(zhì)作用后產(chǎn)生的變質(zhì)巖普遍具有層狀結(jié)構(gòu)特征[1]，自然界中的大多數(shù)巖層都是傾斜的，工程地質(zhì)學(xué)將巖層與水平面夾角為α的巖層稱為傾斜巖層，當(dāng)傾角α<30°時(shí)，稱為緩傾巖層。

緩傾巖層隧道工程實(shí)例較多，東興場(chǎng)隧道穿越水平巖層或近似水平的緩傾巖層，圍巖因巖層節(jié)理切割在隧道拱肩和拱頂處形成不完整巖塊，產(chǎn)生掉塊等病害。何軍等[2]使用離散元UDEC軟件對(duì)東興場(chǎng)隧道進(jìn)行離散元數(shù)值模擬，研究巖層厚度和隧道埋深對(duì)圍巖的影響，發(fā)現(xiàn)層厚越大、埋深越深，圍巖穩(wěn)定性越好。王睿等[3]同樣采用UDEC進(jìn)行離散元數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)巖層傾角為0°時(shí)，圍巖松動(dòng)圈出現(xiàn)在隧道拱頂1.6～2.6m。巖層傾角為30°，45°，60°，75°時(shí)，隧道存在偏壓現(xiàn)象，圍巖松動(dòng)圈不對(duì)稱。若傾角為0°，90°，松動(dòng)圈沿隧道軸線呈對(duì)稱分布。李爍等[4]針對(duì)栗木山隧道，施工監(jiān)測(cè)隧道圍巖為緩傾層狀巖層，層厚0.3～0.6m，采用ANSYS對(duì)層狀圍巖隧道開挖后圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的形變與應(yīng)力分布特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)傾斜巖層的隧道圍巖與襯砌位移存在明顯非對(duì)稱性，非對(duì)稱性隨傾角增大先增大后減小，最大豎向位移出現(xiàn)在隧道拱頂，最大豎向位移隨巖層厚度增大而減小，存在臨界厚度0.6m。新窯溝隧道為緩傾巖層隧道且圍巖膠結(jié)差、強(qiáng)度低，開挖過程中的變形破壞十分復(fù)雜。張樂中[5]對(duì)新窯溝隧道進(jìn)行分析研究，提出碎裂松動(dòng)、膨脹內(nèi)鼓、擠壓破壞、滑動(dòng)破壞和地下水破壞等是緩傾巖層隧道的主要破壞模式。

盡管在緩傾巖層地層中修建隧道的工程實(shí)例較豐富，然而理論研究仍有不足。首先，對(duì)緩傾巖層隧道開挖后的常見病害和破壞模式研究總結(jié)較多[6-7]，但緩傾巖層隧道開挖后的變形機(jī)理問題研究不足。此外，對(duì)緩傾巖層隧道開挖后的支護(hù)手段研究較少，且在JTG D70—2014《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中沒有對(duì)緩傾巖層隧道修建做出說明，TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中僅提到緩傾巖層地段隧道開挖后可能存在的剝落或局部坍塌情況，可使用超前錨桿對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)。根據(jù)調(diào)研工程修建實(shí)例可以發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)和施工類似緩傾巖層隧道時(shí)，如不充分根據(jù)傾巖層開挖后的破壞特點(diǎn)，及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)支護(hù)，施工中往往出現(xiàn)安全問題。

針對(duì)緩傾巖層隧道變形機(jī)理及支護(hù)手段，依托包茂高速湖南段某隧道，采用MIDAS GTS NX進(jìn)行建模計(jì)算，分析緩傾巖層隧道開挖后應(yīng)力和位移的變化情況，探究緩傾巖層隧道變形機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上研究緩傾巖層隧道開挖后進(jìn)行噴錨支護(hù)的效果。

1 工程概況

隧道位于包頭至茂名高速公路(包茂高速)，為分離式單洞雙線隧道，隧道雙洞總長(zhǎng)870m，設(shè)計(jì)時(shí)速80km/h。吉懷高速公路大部分穿越湘西沅麻盆地，隧道所處地貌屬構(gòu)造剝蝕作用形成的低山地貌，地形地質(zhì)情況復(fù)雜。隧道圍巖主要為水平狀薄～中厚層泥質(zhì)粉砂巖、粉(細(xì))紅砂巖地層，圍巖級(jí)別多為Ⅲ～Ⅴ級(jí)。隧道所處巖層較緩傾水平，巖體較為破碎，層間結(jié)合差，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙滲水嚴(yán)重，施工風(fēng)險(xiǎn)較大，開挖后易坍塌，開挖控制難度較大，具有較高的施工風(fēng)險(xiǎn)。

2 緩傾巖層隧道變形機(jī)理探究

巖層傾角及厚度會(huì)對(duì)緩傾巖層隧道變形產(chǎn)生一定影響[8]。為研究緩傾巖層傾角和厚度對(duì)開挖后圍巖變形的影響，選取5種工況建立不同傾角和巖層厚度的有限元模型進(jìn)行分析，所選取工況如表1所示。

表1 計(jì)算工況

采用MIDAS GTS NX進(jìn)行建模和計(jì)算，隧道斷面尺寸為12m×10m，計(jì)算邊界為80m×80m，取距隧道邊界3～4倍洞徑，模型取均勻分布節(jié)理。根據(jù)所研究問題的特點(diǎn)，計(jì)算模型采用平面應(yīng)變模型，巖層采用莫爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則。為研究開挖后緩傾巖層的變形機(jī)理，只研究毛洞開挖，不涉及支護(hù)結(jié)構(gòu)，計(jì)算參數(shù)如下：①圍巖 重度為22.1kN/m3，彈性模量6.5GPa，泊松比0.28，內(nèi)摩擦角35°，黏聚力0.4MPa；②界面的法向剛度為29GPa，切向剛度20GPa，抗拉強(qiáng)度2MPa，內(nèi)摩擦角35°，黏聚力0.4MPa。

2.1 開挖后位移分析

為研究開挖后緩傾巖層隧道的變形規(guī)律，分別分析研究不同工況下的水平和豎向位移云圖。最大拱頂沉降及仰拱隆起變化曲線如圖1所示。

圖1 最大拱頂沉降及仰拱隆起變化

緩傾巖層角度開始增大時(shí)，仰拱隆起和拱頂沉降明顯增大，傾角超過15°后，增大趨勢(shì)明顯趨緩，傾角超過10°后，緩傾巖層傾角的增大不能使變形繼續(xù)增大，反而有減小趨勢(shì)，而厚度的減小會(huì)加劇變形。

巖層傾角和厚度變化對(duì)最大拱頂沉降和仰拱隆起的影響曲線如圖2所示。

圖2 左右邊墻變形值變化

緩傾巖層的存在會(huì)造成左右邊墻的不對(duì)稱收斂變形，緩傾巖層傾角增大使該不對(duì)稱性繼續(xù)增大，厚度減小會(huì)縮小左右變形不對(duì)稱差異。

由于緩傾巖層層間存在較弱黏結(jié)力，在緩傾巖層中開挖隧道會(huì)增大洞周收斂，由于層間界面強(qiáng)度低于巖體，因此巖層越薄，圍巖承載力越低，洞周變形越大。傾角越大，巖層越易沿界面發(fā)生滑移，使邊墻處的水平位移出現(xiàn)非對(duì)稱分布。

2.2 開挖后應(yīng)力分析

為研究開挖后緩傾巖層隧道的應(yīng)力變化規(guī)律，分別對(duì)不同工況下的最大、最小主應(yīng)力進(jìn)行分析研究。巖層傾角和厚度對(duì)最大主應(yīng)力的影響曲線如圖3所示。通過最大主應(yīng)力云圖可知，拱頂與拱腳處出現(xiàn)集中的最大主應(yīng)力，通過最小主應(yīng)力云圖可知，在邊墻處出現(xiàn)集中的最小主應(yīng)力。

圖3 最大主應(yīng)力變化

緩傾巖層隧道拱頂和仰拱位置產(chǎn)生最大主應(yīng)力，緩傾巖層顯著增大最大主應(yīng)力，緩傾巖層傾角增大對(duì)最大主應(yīng)力的增大沒有明顯相關(guān)性；而厚度減小對(duì)最大主應(yīng)力的增大有顯著效果。存在緩傾巖層后，仰拱最大主應(yīng)力明顯大于拱頂，仰拱更易發(fā)生破壞。

最小主應(yīng)力隨傾角和厚度的變化曲線如圖4所示。最小主應(yīng)力出現(xiàn)在邊墻處，緩傾巖層明顯增大最小主應(yīng)力，緩傾巖層傾角的增大對(duì)最小主應(yīng)力增大沒有明顯相關(guān)性；由于最小主應(yīng)力為負(fù)值，由最小主應(yīng)力隨厚度變化曲線可知，厚度減小可小幅度增大最小主應(yīng)力的絕對(duì)值。存在緩傾巖層后，最小主應(yīng)力更多出現(xiàn)在拱腳處。

圖4 最小主應(yīng)力變化

由于緩傾巖層較弱的承載能力，開挖后拱頂和仰拱處產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，且層狀巖層的層間界面抗拉強(qiáng)度較低，極易因?yàn)檫^大的拉應(yīng)力出現(xiàn)仰拱隆起破壞，且厚度越小，圍巖承載力越低越易被破壞。

2.3 開挖后剪切應(yīng)變分析

巖層傾角和厚度對(duì)最大剪切應(yīng)變的影響如圖5所示。通過最大剪切應(yīng)變?cè)茍D可知，最大剪切應(yīng)變出現(xiàn)在邊墻處，結(jié)合圖5,緩傾巖層明顯增大最大剪切應(yīng)變，緩傾巖層傾角的增大會(huì)造成最大剪切應(yīng)變集中在邊墻處的巖層層間位置。且傾角增大，剪切應(yīng)變呈增大趨勢(shì)；厚度的改變對(duì)最大剪切應(yīng)變的影響不顯著。傾角的存在使最大剪切應(yīng)變?cè)龃?，通過最大剪切應(yīng)變圖可知，由于層間的弱黏結(jié)作用，層間最易發(fā)生剪切變形，導(dǎo)致傾角越大，最大剪切應(yīng)變集中在巖層層間位置，使巖層層間易發(fā)生剪切滑移破壞。

圖5 最大剪切應(yīng)變變化

3 緩傾巖層隧道變形控制方案

通過分析緩傾巖層隧道開挖過程中的應(yīng)力和變形特征可知，緩傾巖層的軟弱結(jié)構(gòu)面，使隧道易發(fā)生變形破壞，因此在緩傾巖層隧道施工過程中需控制變形。基于對(duì)緩傾巖層變形機(jī)理的研究結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程情況，將錨桿支護(hù)優(yōu)化方案作為后續(xù)施工的指導(dǎo)方案。

施工過程中初期支護(hù)破壞較嚴(yán)重，影響施工效率和效益，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)及數(shù)值模擬結(jié)果，取消原有隧道下部錨桿，調(diào)整隧道上部左側(cè)錨桿打入角度，使其與巖層傾角相互垂直，保持其他支護(hù)參數(shù)不變。

針對(duì)緩傾巖層隧道施工過程中產(chǎn)生的應(yīng)力分布非對(duì)稱問題，采用三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱施工，橫斷面施工工序如圖6所示。具體開挖步驟如下。

圖6 施工工序

1)爆破開挖并施作①附近的初期支護(hù)，架設(shè)鋼筋網(wǎng)，噴射混凝土，立鋼拱架，打徑向錨桿，復(fù)噴混凝土至規(guī)定厚度。

2)爆破開挖并施作位置②1附近的初期支護(hù)，架設(shè)鋼筋網(wǎng)，噴射混凝土，立鋼拱架，打徑向錨桿，復(fù)噴混凝土至規(guī)定厚度。施作②1臨時(shí)仰拱，設(shè)置臨時(shí)支撐及鋼筋網(wǎng)，噴射混凝土進(jìn)行封閉。

3)與②1處類似，對(duì)位置②2進(jìn)行施工。

4)爆破開挖并施作③1附近的邊墻初期支護(hù)，包括架設(shè)鋼筋網(wǎng)，噴射混凝土，立鋼拱架，打徑向錨桿，復(fù)噴混凝土至規(guī)定厚度。

5)與③1處類似，對(duì)位置③2進(jìn)行施工。

6)爆破開挖并施作④附近的仰拱初期支護(hù)，包括架設(shè)鋼筋網(wǎng)，噴射混凝土，立鋼拱架，復(fù)噴混凝土至規(guī)定厚度。

7)施作仰拱和邊墻基礎(chǔ)，仰拱混凝土初凝后，填充仰拱至設(shè)計(jì)高度。

8)視現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)的實(shí)際情況，判斷二砌支護(hù)時(shí)間，拆除臨時(shí)仰拱，澆筑成型。

通過數(shù)值計(jì)算，驗(yàn)證該施工方案對(duì)隧道變形位移的控制效果。采用二維平面應(yīng)變模型，在每層巖體間設(shè)置界面實(shí)現(xiàn)各向異性，以對(duì)緩傾巖層層理處的各向異性進(jìn)行模擬。模型采用長(zhǎng)3.5mφ 25mm的中空錨桿，初期支護(hù)選用0.2m厚C20噴射混凝土模擬。選取2m厚、傾角10°的緩傾巖層進(jìn)行支護(hù)模擬，計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 噴錨支護(hù)計(jì)算參數(shù)

支護(hù)前后的拱頂、仰拱、左邊墻、右邊墻變化如表3所示。支護(hù)前后的圍巖水平變形對(duì)比如圖7所示。

圖7 支護(hù)前后的圍巖水平變形對(duì)比

從支護(hù)前后的變形程度來(lái)看，由于噴錨支護(hù)通過錨桿加強(qiáng)層與層間黏結(jié)，起組合梁作用，限制剪切滑移。因此邊墻處的收斂控制效果明顯。

噴錨支護(hù)是柔性支護(hù)，具有支護(hù)及時(shí)性及與圍巖貼合緊密等優(yōu)點(diǎn)，可有效提高圍巖的自承能力，同時(shí)控制圍巖變形。此前已廣泛應(yīng)用于我國(guó)隧道工程中，通過本次研究，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施及數(shù)值模擬驗(yàn)證，證明三臺(tái)階臨時(shí)仰拱加噴錨支護(hù)在緩傾巖層隧道開挖過程中控制變形的有效性。

4 結(jié)語(yǔ)

1)緩傾巖層易出現(xiàn)問題的原因在于巖層間的界面對(duì)巖體整體性造成一定程度的損害。圍巖承載力降低，使較完整的巖體更易發(fā)生破壞。

2)隧道開挖導(dǎo)致邊墻位置產(chǎn)生應(yīng)力重分布，進(jìn)而由于擠壓作用使臨空面發(fā)生變形，巖層界面處受剪切破壞，使巖體沿層面滑移掉塊。較薄巖層在較大拉應(yīng)力作用下，仰拱和拱頂處易發(fā)生斷裂，造成塌方及拱底上拱。

3)由于噴錨支護(hù)通過錨桿加強(qiáng)層與層間黏結(jié)，起組合梁作用，很好限制剪切滑移，因此邊墻處的收斂控制效果明顯。

4)緩傾巖層隧道施工時(shí)，應(yīng)減少擾動(dòng)圍巖并及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，根據(jù)變形機(jī)理，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱加噴錨支護(hù)手段可很好控制變形，增加層間摩阻力，提高巖層間整體性。