全新統(tǒng)坡殘積層工程特性及隧道變形機(jī)理研究

宋振軍

(中鐵十二局集團(tuán)有限公司 山西太原 030024)

1 引言

渝昆高鐵穿越云南、貴州、重慶等地區(qū)，地層主要為新生界第四系(Q)地層、中生界侏羅系(J)地層、三疊系(T)地層及古生界二疊系(P)、石炭系(C)、泥盆系(D)、寒武系(∈)地層與元古界震旦系(Z)地層等。

由于坡殘積地層在隧道施工過(guò)程中受到隧道開(kāi)挖、機(jī)械振動(dòng)以及地表開(kāi)挖卸載等影響，地應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，工程性質(zhì)也隨之改變。基于以上背景，本文以渝昆高鐵李家村隧道為依托，開(kāi)展坡殘積地層含水率與其力學(xué)指標(biāo)相關(guān)函數(shù)關(guān)系研究，在此基礎(chǔ)上通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析，對(duì)坡殘積地層隧道變形機(jī)理進(jìn)行研究，并提出相應(yīng)對(duì)策，為設(shè)計(jì)施工提供理論參考。

2 工程概況

渝昆高速鐵路，是“八縱八橫”高速鐵路主通道之一“京昆通道”的重要組成部分，途經(jīng)重慶市、四川省、貴州省和云南省。

渝昆高鐵李家村隧道全長(zhǎng)3 743.00 m，隧道洞身最大埋深約158 m，采用新奧法施工。圖1為渝昆高鐵李家村隧道出口段縱斷面和橫斷面。

本隧道進(jìn)出口段所處地層為坡殘積層，采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法開(kāi)挖。隧道跨度15.20 m，高12.98 m，采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)為全環(huán) 25b型鋼鋼架，間距0.6 m，并打設(shè)?42鎖腳錨管，C30噴射混凝土厚度為35 cm。二次襯砌為C35鋼筋混凝土，拱頂二襯厚度60 cm，仰拱二襯厚度70 cm。

李家村隧道地下水主要為第四系土層孔隙水和基巖裂隙水，施工期間會(huì)對(duì)坡殘積層產(chǎn)生擾動(dòng)，從而形成地下水徑流通道，進(jìn)而造成洞身圍巖變形。

李家村隧道D1K609＋717～D1K609＋767范圍初期支護(hù)出現(xiàn)環(huán)向貫通裂縫，圖2為現(xiàn)場(chǎng)初期支護(hù)開(kāi)裂及變形情況。僅1 d時(shí)間，D1K609＋736處拱頂沉降變化量達(dá)203 mm，裂縫寬度達(dá)5 cm。D1K609＋717～D1K609＋767左側(cè)拱肩部位初支明顯向內(nèi)擠壓變形并已侵限，最大侵限量達(dá)39.8 mm。根據(jù)《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》，當(dāng)拱頂下沉速率達(dá)5 mm/d或位移累計(jì)達(dá)100 mm時(shí)，應(yīng)暫停掘進(jìn)，并及時(shí)分析原因，采取處理措施[1-2]。

3 坡殘積層工程特性研究

為探究坡殘積層工程特性，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得坡殘積層土體黏聚力、內(nèi)摩擦角及壓縮模量，總結(jié)不同含水率條件下土體的抗剪強(qiáng)度，進(jìn)而指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工。

3.1 直剪試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)采用應(yīng)變控制直剪儀對(duì)坡殘積層土樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，得到土樣不同含水率下的黏聚力及內(nèi)摩擦角。參考相關(guān)文獻(xiàn)[3-6]，并考慮到冪函數(shù)具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性，因此本文利用Origin軟件內(nèi)置的擬合程序并依據(jù)Levenberg-Marquardt迭代優(yōu)化算法[7]對(duì)黏聚力、內(nèi)摩擦角與含水率進(jìn)行冪函數(shù)曲線(xiàn)擬合。黏聚力、內(nèi)摩擦角與含水率關(guān)系方程為:

式中:C為土體黏聚力，kPa；φ為土體內(nèi)摩擦角，(°)；ω為含水率，%；A、B、D、E為待定系數(shù)。

不同含水率下土體黏聚力、內(nèi)摩擦角試驗(yàn)結(jié)果及其與含水率擬合曲線(xiàn)如圖3所示[7]。

試驗(yàn)得出A＝2.525 23，B＝ -2.112 06，D＝3.935 06，E＝-1.473 83。通過(guò)非線(xiàn)性回歸分析，得到抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力、內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系為:

式(3)擬合系數(shù)R2＝0.981 87，式(4)擬合系數(shù)R2＝0.985 62，均接近1，說(shuō)明具有較好的擬合優(yōu)度。

3.2 壓縮固結(jié)試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)采用標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)法對(duì)坡殘積地層土樣進(jìn)行壓縮固結(jié)試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)定試樣在側(cè)限與軸向排水條件下的變形、孔隙比和壓力關(guān)系，計(jì)算土體的壓縮模量。

壓縮模量與含水率關(guān)系方程為:

式中:ES為壓縮模量，MPa；F、G為待定系數(shù)。

不同含水率下土體壓縮模量試驗(yàn)結(jié)果及其與含水率擬合曲線(xiàn)如圖4所示。

試驗(yàn)得出F＝0.314 5，G＝-2.123 38。通過(guò)非線(xiàn)性回歸分析，得到黏聚力、內(nèi)摩擦角與含水率關(guān)系為:

擬合系數(shù)R2＝0.989 33，接近1，具有較好的擬合優(yōu)度。

4 坡殘積層隧道變形機(jī)理及特征

為進(jìn)一步掌握坡殘積地層隧道變形機(jī)理，開(kāi)展不同坡殘積層含水率條件下隧道開(kāi)挖結(jié)構(gòu)變形和圍巖穩(wěn)定性研究。

由于襯砌破壞段隧道埋深較淺，事發(fā)時(shí)當(dāng)?shù)卣涤昙?，雨水?duì)全風(fēng)化泥巖反復(fù)沖刷、浸泡，進(jìn)一步惡化了隧道圍巖，導(dǎo)致圍巖承載力下降，隧道洞身結(jié)構(gòu)經(jīng)歷不均勻沉降，結(jié)構(gòu)內(nèi)力增加，最終致使結(jié)構(gòu)破壞。

隧道結(jié)構(gòu)受到圍巖荷載發(fā)生變形，隧道開(kāi)挖引起的附加荷載使得作用范圍內(nèi)圍巖發(fā)生相應(yīng)變形，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)與圍巖產(chǎn)生共同變形。

基于前文含水率對(duì)坡殘積層力學(xué)性質(zhì)的影響研究，結(jié)合渝昆高鐵李家村隧道工程背景，進(jìn)一步探討不同含水率情況下，坡殘積層隧道變形機(jī)理。取含水率區(qū)間為20% ～60%，根據(jù)式(3)、式(4)及式(6)計(jì)算得到各含水率條件下的坡殘積層強(qiáng)度指標(biāo)。計(jì)算工況及參數(shù)如表1、表2所示。泊松比根據(jù)文獻(xiàn)[8]取值范圍為0.35～0.42。由于該隧道埋深較淺，泊松效應(yīng)不明顯，本文統(tǒng)一取0.35，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小[9]。

表1 各計(jì)算工況下圍巖參數(shù)

表2 支護(hù)參數(shù)

結(jié)合李家村隧道工程地質(zhì)條件，通過(guò)FLAC3D有限差分軟件建立計(jì)算模型[10-12]。根據(jù)地勘物探結(jié)果，坡殘積層主要由黏土組成，因此數(shù)值模擬過(guò)程中，圍巖通過(guò)實(shí)體單元模擬，超前長(zhǎng)管棚采用結(jié)構(gòu)單元，初期支護(hù)、臨時(shí)仰拱及二次襯砌采用實(shí)體單元。斷面D1K609＋736模型如圖5所示。

計(jì)算得到結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力分布情況如圖6所示。結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力主要分布在兩側(cè)拱腳位置。

由于依托工程建設(shè)過(guò)程中主要出現(xiàn)地表沉降和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形問(wèn)題，因此本文對(duì)地表沉降以及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行分析。不同含水率下地表豎向位移如圖7所示。

根據(jù)圖7，在本次數(shù)值模擬支護(hù)條件下，可將含水率40%視為圍巖失穩(wěn)的臨界含水率，即當(dāng)含水率小于40%時(shí)，隧道開(kāi)挖主要對(duì)隧道軸線(xiàn)上方坡殘積層造成影響，導(dǎo)致地表沉降。其中，當(dāng)含水率小于30%時(shí)，地表沉降處于0～0.05 m區(qū)間，屬于相對(duì)較小水平；含水率在30%至40%之間時(shí)，地表沉降增幅變大，整體在0.05～0.15 m區(qū)間，變形相對(duì)較大；而當(dāng)含水率大于40%時(shí)，土體強(qiáng)度大幅下降，圍巖穩(wěn)定性變差，由于剪應(yīng)力的存在，圍巖所受附加荷載向附近擴(kuò)散，致使距離隧道結(jié)構(gòu)較遠(yuǎn)位置土體出現(xiàn)沉降，發(fā)生滑坡、坍塌等風(fēng)險(xiǎn)變大。

隧道軸線(xiàn)上方地表、隧道拱頂及仰拱位置處豎向位移如圖8所示。

結(jié)構(gòu)上任一點(diǎn)的總位移由自身變形量和土體變形量共同決定。根據(jù)圖8中地表、拱頂以及仰拱豎向位移大小，在本次數(shù)值模擬支護(hù)條件下，可將曲線(xiàn)分為三個(gè)階段:圍巖穩(wěn)定階段(含水率＜30%)、過(guò)渡階段(含水率30% ～40%)、圍巖失穩(wěn)階段(含水率＞40%)。

結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，坡殘積層隧道變形主要在兩方面力學(xué)機(jī)制共同作用下發(fā)生。

一方面，對(duì)于成巖程度低、穩(wěn)定性差、強(qiáng)度低的坡殘積層，隧道開(kāi)挖后拱部巖土體強(qiáng)度難以維持松動(dòng)體自重，從而向下沉降，導(dǎo)致巖土體裂隙發(fā)生及發(fā)展，進(jìn)一步降低巖土體強(qiáng)度，易發(fā)生突變失穩(wěn)。

另一方面，在圍巖松動(dòng)荷載作用下，最大主應(yīng)力主要集中在仰拱與拱腳位置，最小主應(yīng)力主要集中在拱腰與仰拱位置，隧道拱腳及仰拱部位應(yīng)力集中明顯，導(dǎo)致基底失穩(wěn)變形，加劇了拱部圍巖松弛變形和拱腳圍巖剪切破壞。

基于上述分析，在坡殘積層中進(jìn)行隧道工程開(kāi)挖，提出以下建議:

(1)地質(zhì)勘查階段應(yīng)對(duì)土體含水率進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測(cè)，為后續(xù)設(shè)計(jì)施工提供參考依據(jù)。

(2)對(duì)含水率較高區(qū)域，施工前可進(jìn)行適當(dāng)降水處理，并對(duì)土體進(jìn)行主動(dòng)改良，增強(qiáng)土體承載力。

(3)施工采用分部開(kāi)挖，遵循“短進(jìn)尺、管超前、嚴(yán)注漿、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”的原則，以保證施工安全。

5 結(jié)論

本文基于渝昆高鐵李家村隧道坡殘積層工程特性及隧道變形機(jī)理研究，主要得到以下結(jié)論:

(1)隨著含水率逐漸增加，土體黏聚力、內(nèi)摩擦角及壓縮模量呈凹函數(shù)非線(xiàn)性減小。通過(guò)回歸分析，得到含水率與坡殘積層強(qiáng)度指標(biāo)函數(shù)關(guān)系，且公式具有較好的擬合優(yōu)度，在一定范圍內(nèi)可為設(shè)計(jì)施工提供參考。

(2)在本次模擬的支護(hù)條件下，根據(jù)不同含水率下圍巖和結(jié)構(gòu)的變形量，可將圍巖狀態(tài)分為三個(gè)階段:圍巖穩(wěn)定階段(含水率＜30%)、過(guò)渡階段(含水率30% ～40%)、圍巖失穩(wěn)階段(含水率＞40%)。圍巖穩(wěn)定階段和過(guò)渡階段隧道開(kāi)挖主要對(duì)隧道軸線(xiàn)上方土體產(chǎn)生影響，而在圍巖失穩(wěn)階段，距離隧道結(jié)構(gòu)較遠(yuǎn)位置土體亦受到隧道開(kāi)挖影響。

(3)在本次模擬的支護(hù)條件下，含水率40%為坡殘積層圍巖失穩(wěn)臨界含水率，當(dāng)含水率超過(guò)臨界值時(shí)，圍巖承載力明顯降低，高含水率的坡殘積層土體表現(xiàn)出類(lèi)似“濕陷性”特征，土體結(jié)構(gòu)破壞，承載力減弱，穩(wěn)定性變差，隧道開(kāi)挖對(duì)土體產(chǎn)生強(qiáng)烈干擾，引起嚴(yán)重地表沉降和結(jié)構(gòu)變形。