不同傾角節(jié)理隧道襯砌受力特性研究及應(yīng)對措施

路 輝

(1.中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司 天津 300300；2.中鐵建重慶投資集團(tuán)有限公司 重慶 400700)

1 引言

我國的隧道建設(shè)面臨日益復(fù)雜的工程難題，如高應(yīng)力、斷層破碎帶、節(jié)理巖體以及圍巖大變形等。如何保障隧道安全快速地貫通并維護(hù)隧道運(yùn)營期內(nèi)的穩(wěn)定已成為當(dāng)前隧道工程亟待解決的重點(diǎn)問題[1-2]。我國大體量隧道工程建設(shè)不可避免會穿越富含傾斜節(jié)理的巖層，該類破碎巖土體中往往存在著諸多貫通或非貫通結(jié)構(gòu)面，將巖體分割為不連續(xù)的非均質(zhì)體，使巖體強(qiáng)度降低、變形增大，更易發(fā)生開裂、滑移和相對運(yùn)動[3]。倘若未及時采用相應(yīng)加固措施，極易引發(fā)隧道塌方、襯砌開裂等工程災(zāi)害，嚴(yán)重威脅交通運(yùn)輸安全。

襯砌作為保護(hù)圍巖穩(wěn)定性的永久性支護(hù)結(jié)構(gòu)，其重要性不言而喻。隧道在運(yùn)營期內(nèi)襯砌縱、斜向裂縫發(fā)育，滲漏水嚴(yán)重[4]，或是因穿越高地應(yīng)力大變形巖層、圍巖應(yīng)力不均而導(dǎo)致二次襯砌出現(xiàn)變形、破損甚至開裂滲水[5-6]，嚴(yán)重拖慢施工進(jìn)程。劉金松[7]調(diào)查發(fā)現(xiàn)傾斜層狀節(jié)理的偏壓影響加上巖層沿節(jié)理面下滑的擠壓作用是導(dǎo)致襯砌產(chǎn)生裂紋的一大原因；張郁[8]通過理論分析、數(shù)值模擬等方法，從圍巖種類、隧道埋深、地下水分布、地層偏壓等角度著手，發(fā)現(xiàn)隧道埋深差距是導(dǎo)致偏壓產(chǎn)生的直接原因，密集節(jié)理是使偏壓效應(yīng)增大的原因之一?？梢娫趦A斜節(jié)理巖層中，隧道襯砌開裂非常普遍。因此，不同傾角傾斜節(jié)理對圍巖和襯砌的影響值得深入研究。

本研究依托紹興市杭紹臺高速鐵路林盤山隧道工程，考慮傾斜節(jié)理巖層傾角的變化，采用Midas GTS/NX對不同節(jié)理傾角下的隧道圍巖、襯砌變形演化規(guī)律進(jìn)行模擬與分析，總結(jié)隧道圍巖與襯砌的受力特征；同時，結(jié)合分析結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)際條件，對隧道綜合施工措施進(jìn)行優(yōu)化，以期有效防止節(jié)理地層中隧道圍巖的大變形和襯砌開裂。

2 工程背景

2.1 工程地質(zhì)

林盤山隧道工程位于浙江省紹興嵊州市。隧道全長8.61 km，最大埋深約444 m，為單洞雙線隧道，洞跨14.1 m，洞高10.4 m，截面面積113 m2，屬大斷面暗挖隧道。隧道位置及1＃斜井概況見圖1，隧址區(qū)地質(zhì)剖面見圖2。

2.2 問題段隧道概況

本研究以林盤山隧道1＃斜井區(qū)段(DK58＋000～DK62＋000)為背景。該區(qū)段隧道圍巖為Ⅱ級凝灰?guī)r，隧道采用曲墻帶底板的多心圓復(fù)合式襯砌，開挖方法為全斷面爆破法。

3 襯砌開裂影響因素數(shù)值分析

采用Midas GTS/NX針對不同節(jié)理傾角下的隧道圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析[9]。

3.1 模型參數(shù)

根據(jù)地勘報告及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果得到隧道節(jié)理圍巖體和非節(jié)理圍巖體力學(xué)參數(shù)以及支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)，見表1。

表1 圍巖力學(xué)及支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

3.2 數(shù)值模型

基于林盤山隧道工程巖土勘察報告和相關(guān)規(guī)范，建立尺寸為120×80 m的二維巖土模型，如圖3所示。隧道襯砌結(jié)構(gòu)采取直墻拱形簡化模型，巖土本構(gòu)選用Mohr-Coulomb模型；節(jié)理厚0.3 m，傾角為55°，以10°為間隔建立15°～75°的傾斜節(jié)理巖層模型和無節(jié)理巖層模型。隧道施工工序?yàn)?隧道開挖→初期支護(hù)施作→二次襯砌施作。

3.3 數(shù)值結(jié)果分析

3.3.1 圍巖位移結(jié)果分析

8種不同節(jié)理傾角下圍巖在隧道開挖后的水平及豎向位移見圖4。

(1)隧道開挖后，無節(jié)理?xiàng)l件下各處水平位移幾乎為0，符合Ⅱ級圍巖條件良好特征；當(dāng)含傾斜節(jié)理時，各處的水平及豎向位移均有所增長，且水平位移增長更甚，可見傾斜節(jié)理會影響隧道的穩(wěn)定性。

(2)對比隧道左右兩側(cè)拱腰的水平位移，在節(jié)理傾角為15°～35°時，左側(cè)拱腰水平位移大于右側(cè)拱腰，且均逐漸增大；當(dāng)節(jié)理傾角在45°～75°時，右側(cè)拱腰水平位移大于左側(cè)；二者最大差值在節(jié)理傾角為45°時，相差0.5 mm；隨節(jié)理傾角增大，兩側(cè)拱腰水平位移值有所降低，總體上右側(cè)大于左側(cè)。

(3)對比隧道左右兩側(cè)拱腳水平位移情況，在節(jié)理傾斜角度為15°～55°時，左側(cè)拱腳水平位移大于右側(cè)；節(jié)理傾角為55°時，拱腳的水平位移最大，且兩側(cè)差值也最大，為1.0 mm；在節(jié)理傾角為65°～75°時，右側(cè)拱腳的水平位移大于左側(cè)。

(4)相較于無節(jié)理圍巖，含傾斜節(jié)理的圍巖墻底豎向位移顯著增大，但左右兩側(cè)的位移差值不大；在節(jié)理傾角為55°時，左右墻底水平位移差值最大，為0.7 mm；含傾斜節(jié)理的圍巖拱頂、拱底的位移相較于無節(jié)理增大了1.4 mm，但各角度下拱頂、拱底位移基本一致，說明節(jié)理傾角的大小對圍巖位移基本無影響。

3.3.2 初支內(nèi)力結(jié)果分析

圖5為無節(jié)理及節(jié)理傾角為25°圍巖條件下的初支受力云圖。不同傾角節(jié)理圍巖條件下初支內(nèi)力最值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 不同傾角節(jié)理圍巖條件下初支內(nèi)力最值

(1)當(dāng)圍巖不含節(jié)理時，初支剪力及彎矩圖呈對稱分布，最大剪力值出現(xiàn)在拱腳處，為169 kN，最大彎矩值則出現(xiàn)在拱腰處，為12.6 kN·m。

(2)當(dāng)圍巖中含傾斜節(jié)理時，初支剪力和彎矩明顯減小，剪力與彎矩均呈不對稱分布，左側(cè)受力明顯大于右側(cè)，呈現(xiàn)偏壓特征。

3.3.3 二襯應(yīng)力結(jié)果分析

圖6為無節(jié)理及節(jié)理傾角為15°、55°圍巖條件下的二襯應(yīng)力云圖，不同節(jié)理傾角下二襯應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 二襯應(yīng)力統(tǒng)計(jì) kN/m2

(1)含有傾斜節(jié)理圍巖相較于無節(jié)理圍巖，襯砌各部位的應(yīng)力峰值均有所下降，節(jié)理傾角為15°時，拱腳兩側(cè)應(yīng)力差最大，為9.32 kN/m2。

(2)節(jié)理傾角為35°時，拱腳兩側(cè)應(yīng)力差最大，為3.11 kN/m2，在左右拱底處有部分應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4 襯砌開裂控制效果分析

由3.3節(jié)可知，節(jié)理層厚0.3 m時，傾角為55°的巖層中隧道襯砌受力情況最為不利。本章對此開展隧道襯砌開裂病變控制措施數(shù)值分析，措施包括:(1)改變仰拱厚度，改善襯砌受力狀態(tài)；(2)增設(shè)不同長度的錨桿，提高節(jié)理巖體整體性以達(dá)到控制圍巖變形的目的。

4.1 改變仰拱厚度及其結(jié)果分析

針對隧道左右兩側(cè)邊墻沉降不均勻、拱底存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，本節(jié)探究不同仰拱深度(1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 m)下隧道底部沉降變化情況，以尋找最優(yōu)仰拱結(jié)構(gòu)形式，達(dá)到均衡襯砌應(yīng)力分布、減少拱底不均勻沉降的目的。

不同仰拱深度下，拱底圍巖豎向位移統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。當(dāng)仰拱深度為2.0 m時，拱底圍巖豎向位移最小，為2.76 mm，較不含仰拱的開挖斷面拱底圍巖豎向位移減小21.10%；當(dāng)仰拱深度為1.8 m時，開挖斷面底部左右沉降差最小，為0.19 mm。分析數(shù)值結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在仰拱深度為1.4 m時，應(yīng)力降幅最大，最大程度改善了襯砌受力狀態(tài)。

表4 不同仰拱深度下拱底圍巖豎向位移 mm

4.2 增設(shè)不同長度錨桿及其結(jié)果分析

針對隧道左右兩側(cè)襯砌位移、應(yīng)力分布不均勻的問題，本節(jié)以節(jié)理巖層厚度0.3 m為基準(zhǔn)，分別模擬分析 1.5、1.8、2.1、2.4、2.7、3.0 m 長度的錨桿加固隧道二襯受力變形情況，尋找最優(yōu)的錨桿長度。不同錨桿長度下二襯位移變化曲線見圖7。

無錨桿支護(hù)時，二襯拱腰、拱腳、墻底的最大豎向位移分別為2.92 mm、1.25 mm、0.26 mm，最大水平位移為0.37 mm、1.46 mm、0.90 mm。由圖7可知，在增設(shè)錨桿支護(hù)后，拱腰及拱腳兩側(cè)豎向位移減小0.1～0.2 mm，左右兩側(cè)位移差減小0.1 mm；當(dāng)錨桿長度達(dá)到2.1 m時，襯砌豎向位移和水平位移不再變化，兩側(cè)水平位移基本一致。因此，長度為2.1 m(即7倍于節(jié)理巖層厚度)的錨桿支護(hù)效果最好，此時隧道兩側(cè)拱腳水平位移減少且兩側(cè)位移基本一致，有利于襯砌更合理地發(fā)揮其支護(hù)能力。

5 襯砌裂縫的治理

隧道襯砌出現(xiàn)裂隙是隧道工程常見病害，其治理成為隧道工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)難題[10-13]。要想徹底解決襯砌裂縫問題，不僅要做好地質(zhì)勘察工作，對隧道所穿越地層的地質(zhì)情況有全面詳細(xì)的認(rèn)識，還要針對不同裂縫成因采取合適的方法進(jìn)行治理。預(yù)防襯砌開裂可采取增設(shè)仰拱法、錨噴加固法、錨固注漿法。當(dāng)襯砌出現(xiàn)裂縫時，其治理應(yīng)依據(jù)“以防為主，綜合治理，防治結(jié)合，簡單經(jīng)濟(jì)”的原則，具體可采用直接涂抹法、鑿槽嵌補(bǔ)法、套襯補(bǔ)強(qiáng)法等方法進(jìn)行修補(bǔ)，以求最大限度地減輕襯砌開裂所帶來的潛在危害。

6 結(jié)束語

(1)含傾斜節(jié)理的巖層相較于無節(jié)理圍巖，隧道開挖后斷面各處位移明顯增加，呈不對稱分布，尤其表現(xiàn)在拱底與拱腳的不均勻沉降上，在節(jié)理傾角為55°時襯砌受力情況于施工最為不利。

(2)當(dāng)增設(shè)仰拱時，深度2.0 m的仰拱襯砌拱底豎向位移最小，深度1.4 m的仰拱襯砌拱底左右沉降差基本消除，且襯砌兩側(cè)應(yīng)力最小。

(3)當(dāng)增設(shè)錨桿時，長度為2.1 m(7倍于節(jié)理巖層厚度)的錨桿支護(hù)效果最好，能有效均衡隧道拱底兩側(cè)水平位移。

(4)依據(jù)對襯砌已經(jīng)產(chǎn)生裂縫產(chǎn)狀的調(diào)查，提出采用直接涂抹法、鑿槽嵌補(bǔ)法、套襯補(bǔ)強(qiáng)法進(jìn)行處理。