楊曉輝

(中鐵十二局集團第三工程有限公司 山西太原 030024)

1 引言

地質(zhì)順層偏壓隧道是指當(dāng)隧道穿越傾斜層狀結(jié)構(gòu)巖體時，由于各個分層之間節(jié)理、結(jié)構(gòu)面的存在，圍巖自穩(wěn)能力差。受隧道開挖擾動空間效應(yīng)影響，圍巖可能隨軟弱結(jié)構(gòu)面滑動，從而導(dǎo)致圍巖應(yīng)力分布和變形呈非對稱特征，支護(hù)結(jié)構(gòu)承受非對稱的偏壓荷載[1]。目前的隧道支護(hù)設(shè)計均基于新奧法，根據(jù)圍巖級別進(jìn)行支護(hù)參數(shù)的選取，錨桿一般采用全斷面均勻設(shè)計，這種設(shè)計方法雖然能夠保證施工的安全，但會造成極大的人工和材料浪費。

韓昌瑞等[2]推導(dǎo)了層狀巖體各向異性彈性模量的表達(dá)式，并嵌入到FLAC3D中，模擬隧道開挖過程中洞周塑性區(qū)和錨桿軸力分布特征。He等[3]利用離散元軟件UDEC，分析了不同巖層角度對應(yīng)力分布的影響和隧道破壞模式，提出了錨桿與巖層的合理夾角。張建智等[4]推導(dǎo)了層狀圍巖隧道Airy應(yīng)力彈性函數(shù)解析式，分析了順層地質(zhì)偏壓條件下隧道洞周應(yīng)力集中程度。劉科[5]建立了Phase2D有限元數(shù)值模型，研究層狀結(jié)構(gòu)面傾角、間距對隧道穩(wěn)定性影響，為錨桿支護(hù)設(shè)計提供依據(jù)。裴曉彤等[6]利用有限元軟件ABAQUS，建立節(jié)理軟弱結(jié)構(gòu)面的二維隧道模型，分析了地質(zhì)偏壓隧道的圍巖壓力及襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力，以及結(jié)構(gòu)面摩擦效應(yīng)。王永春[7]以勐遠(yuǎn)隧道極軟巖施工為研究對象，參考超前地質(zhì)預(yù)報及監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，優(yōu)化支護(hù)參數(shù)控制洞周非對稱大變形。戚祥昌[8]建立了基于順層偏壓現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析方法，實現(xiàn)了復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下大斷面隧道動態(tài)修建，即邊設(shè)計、邊施工。龐建軍等[9]采用有限元數(shù)值模擬，研究層狀巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與隧道軸線三維相對關(guān)系，以及對隧道非對稱變形的影響。王樂平[10]分析了現(xiàn)場隧道變形的空間特點，發(fā)現(xiàn)順層偏壓隧道拱腳處圍巖壓力最大、拱腰處鋼拱架彎矩最大，給出了隧道圍巖的非連續(xù)變形特點。牛奔[11]采用MIDAS/GTS軟件，分別研究地質(zhì)構(gòu)造偏壓隧道在不同的全斷面法、上下臺階法施工時的變形全過程，并給出相應(yīng)施工對策。

現(xiàn)階段對地質(zhì)順層偏壓隧道的圍巖應(yīng)力分布、圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)承受荷載的特征研究較多，但針對隧道非對稱變形和偏壓荷載的支護(hù)設(shè)計優(yōu)化應(yīng)用研究較少。不同圍巖等級和地質(zhì)構(gòu)造下錨桿的作用機理是不同的，現(xiàn)有數(shù)值模擬多采用有限元軟件或有限差分的方法，但有限元和有限差分方法主要是針對連續(xù)體、小變形，而層狀節(jié)理圍巖結(jié)構(gòu)為非連續(xù)體，在隧道開挖后順層圍巖各層可能出現(xiàn)一定滑動，采用有限元分析顯然與實際有一定差距。因此，本文結(jié)合大坡嶺隧道出口左線圍巖、節(jié)理特征，考慮層狀圍巖傾角造成隧道偏壓現(xiàn)象，利用離散元程序UDEC建立數(shù)值計算模型，設(shè)計6種數(shù)值計算工況，分析地質(zhì)順層偏壓隧道圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特點，對原支護(hù)設(shè)計方案進(jìn)行了優(yōu)化，為今后類似隧道的設(shè)計、施工提供借鑒和參考。

2 工程背景

2.1 隧道概況

武漢至十堰高速鐵路是中國“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)中部地區(qū)與西北地區(qū)間的便捷聯(lián)系通道，大坡嶺隧道位于湖北省襄陽市谷城縣境內(nèi)，線路近西北走向約320°～350°。Ⅳ級圍巖，現(xiàn)場是中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為主，單塊巖石抗壓強度較高，錘擊聲較清脆，屬較堅硬巖，圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，整體圍巖穩(wěn)定性較差，不能自穩(wěn)。中風(fēng)化巖體節(jié)理微張-閉合為主，節(jié)理面泥質(zhì)填充為主或局部砂質(zhì)填充，結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度差至一般，巖體現(xiàn)場照片如圖1所示。通過現(xiàn)場量測，巖層傾斜角度為65°。

圖1 大坡嶺隧道掌子面泥質(zhì)粉砂巖節(jié)理發(fā)育巖體

2.2 原設(shè)計支護(hù)參數(shù)

該段設(shè)計采用Ⅳ型結(jié)構(gòu)，原設(shè)計為:φ22藥卷系統(tǒng)錨桿，長度為3.0 m，間距為100 cm×120 cm。

3 地質(zhì)順層偏壓隧道數(shù)值模擬

3.1 離散元數(shù)值模擬計算模型

數(shù)值模擬采用離散元UDEC程序，可以模擬節(jié)理巖體的剪切滑移破壞和結(jié)構(gòu)面的張開過程，能夠較真實反映節(jié)理巖體隧道的失穩(wěn)模式，其中的錨桿單元能夠體現(xiàn)其支護(hù)效果。該程序有其獨特的優(yōu)點，在巖土工程領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

參考大坡嶺隧道出口左線，里程ZK11＋888，隧道埋深76.9 m，層狀圍巖傾角為65°。節(jié)理間距0.4 m，離散元數(shù)值模擬橫向為100 m，下邊界至隧道仰拱35 m，上邊界取至地表，左右邊界和下邊界均采用位移約束，計算模型如圖2所示。

圖2 地質(zhì)順層偏壓隧道圍巖錨桿數(shù)值模型

根據(jù)地質(zhì)勘察報告和鐵路隧道設(shè)計規(guī)范[12]，巖塊和節(jié)理參數(shù)如表1、表2所示。

表1 巖塊物理力學(xué)參數(shù)

表2 節(jié)理面參數(shù)取值

3.2 計算工況

錨桿從內(nèi)部加固圍巖，有效提高圍巖粘聚力、摩擦角和剛度，最終改善其穩(wěn)定性。在目前的建設(shè)工程中，錨桿得到廣泛的成功應(yīng)用，但其合理布置形式和長度仍然不清楚。針對目前的Ⅳ級圍巖，進(jìn)行錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化，并提出合理設(shè)計方案。地質(zhì)順層偏壓Ⅳ級圍巖錨桿計算工況如表3所示。限于篇幅，這里僅給出工況1和工況4的錨桿分布，如圖3所示。

表3 地質(zhì)順層偏壓隧道錨桿計算工況

圖3 地質(zhì)順層偏壓隧道錨桿打設(shè)示意(單位：cm)

3.3 計算結(jié)果

(1)圍巖應(yīng)力

隧道開挖強卸荷引起一定范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力釋放和轉(zhuǎn)移，順層偏壓巖層層面之間發(fā)生相對滑動，不同錨桿施工方案下，主應(yīng)力分布不同。限于篇幅，這里僅給出工況1和工況4主應(yīng)力重分布特征，如圖4所示。

從圖4看出，節(jié)理面影響著主應(yīng)力分布形式，在地質(zhì)偏壓條件下，主應(yīng)力呈現(xiàn)不對稱分布。錨桿施加后，改變了主應(yīng)力的大小和方向，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力方向不再是切向和徑向。節(jié)理面相對巖塊來說參數(shù)要低得多，應(yīng)力在與不連續(xù)面平行方向應(yīng)力釋放，分布較均勻，巖體松弛明顯，甚至出現(xiàn)了拉應(yīng)力。在節(jié)理面附近發(fā)生應(yīng)力集中，且分布不均勻。因此，地質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)狀與圍巖受力直接相關(guān)。各層巖體相當(dāng)于獨立承載的懸臂梁，由于層狀巖體的抗彎能力不強，不能承受或只能承受較小的應(yīng)力，容易發(fā)生彎折破壞，容易使結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生剪切滑移或張開。對于傾斜層狀圍巖(巖層傾角65°)在隧道開挖后，節(jié)理面從根本上改變了圍巖應(yīng)力分布，采用不同的錨桿支護(hù)方案，不僅會影響主應(yīng)力的方向，也會影響其大小，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力方向不再是切向和徑向。

圖4 隧道圍巖主應(yīng)力分布特征

順層地質(zhì)偏壓條件下，隧道左拱肩和右墻腳部位應(yīng)力明顯大于對稱部位應(yīng)力，因而造成了非對稱性(見圖4)，不同錨桿工況下地質(zhì)偏壓隧道主應(yīng)力如圖5所示。

圖5 地質(zhì)順層偏壓隧道主應(yīng)力與錨桿工況關(guān)系曲線

從圖5看出，工況6(不打錨桿)容易導(dǎo)致圍巖應(yīng)力集中，影響其穩(wěn)定性。工況4和工況5圍巖應(yīng)力控制效應(yīng)基本一致，從安全和經(jīng)濟的角度，并且具有一定的安全儲備，建議錨桿支護(hù)采用工況4。

(2)位移影響

位移作為最直觀的監(jiān)控量測結(jié)果，具有很強的可操作性，因此，常常當(dāng)成圍巖穩(wěn)定性評判標(biāo)準(zhǔn)。不同錨桿施工方案下，地質(zhì)順層偏壓地層圍巖位移矢量分布如圖6所示。

圖6 地質(zhì)順層偏壓隧道圍巖位移矢量(單位：m)

從圖6中可以看出，開挖使得隧道上部圍巖失去支撐，而結(jié)構(gòu)面參數(shù)較弱，沿節(jié)理面剪切滑移較大，產(chǎn)生向洞內(nèi)位移。最大的位移發(fā)生在右拱肩和左拱腳，具有明顯不對稱性，峰值達(dá)9.8 mm。對于傾向巖層，沿著傾斜的一方，易造成巖塊滑移，位移大大增加，甚至斜頂鼓起，破壞模式表現(xiàn)為節(jié)理面滑移。根據(jù)地質(zhì)順層地段偏壓隧道圍巖位移的分布特點，可考慮采用不對稱的錨桿支護(hù)設(shè)計，如增加左側(cè)錨桿長度和范圍，右側(cè)采用較小的長度和范圍，以提高層狀地質(zhì)偏壓結(jié)構(gòu)的安全性和強度。

對不同錨桿支護(hù)方案的圍巖變形進(jìn)行分區(qū)處理，不同變形梯度區(qū)域面積與錨桿工況的關(guān)系如圖7所示。

圖7 地質(zhì)順層偏壓隧道圍巖擾動區(qū)面積

從圖7中看出，錨桿可以有效地減小圍巖擾動范圍，對于洞周有滑動危險的巖塊產(chǎn)生了銷釘作用。錨桿是唯一從內(nèi)部補強圍巖手段，提高裂隙圍巖抗剪強度，改善圍巖的物性指標(biāo)，將一些不連續(xù)的巖塊聯(lián)系在一起。從錨桿作用“增強節(jié)理面抗變形能力和抗剪切強度”、“提高節(jié)理面法向剛度和剪切剛度效果”兩方面著手減小節(jié)理面間剪切滑移，從而增強其穩(wěn)定性。工況6(不打錨桿)容易導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)，變形較大。工況4和工況5圍巖應(yīng)力控制效應(yīng)基本一致，從安全和經(jīng)濟角度，建議工況4的方案(有利側(cè)60°范圍3 m錨桿；不利側(cè)30°范圍2.5 m錨桿)。錨桿主要起提高節(jié)理面法向剛度和剪切剛度效果，從而增強節(jié)理面的抗變形能力和抗剪切強度，減小節(jié)理面間剪切滑移。

(3)錨桿軸力

錨桿軸力把松動巖塊穩(wěn)固(懸吊)在穩(wěn)定巖層上，防止破碎巖塊、冒落；使破碎巖體具有完整性，因而增強錨固區(qū)圍巖土體強度(如彈性模量E、凝聚力c等)，不同布錨方案下，錨桿軸力分布形式如圖8所示。

圖8 地質(zhì)順層偏壓隧道錨桿軸力(單位：N)

地質(zhì)順層偏壓的存在，形成一個高密度的偏壓荷載，總體隧道兩側(cè)錨桿軸力差值增大，而且左側(cè)明顯大于右側(cè)，巖層順弱勢節(jié)理面滑動趨勢增大，洞周破壞主要取決于節(jié)理面強度。通過錨桿軸向拉作用，使得各分層在發(fā)生整體彎曲，表現(xiàn)出組合梁，提高節(jié)理巖體的剛度和強度。從圖8看出，左側(cè)錨桿軸力普遍大于右側(cè)，錨桿的拱部偏左(與節(jié)理面成大角度相交)，才能發(fā)揮錨桿的錨固效果，而右側(cè)(有利側(cè))錨桿效果相對較差。在施工條件允許的條件下，錨桿打設(shè)方向盡量與節(jié)理垂直。

(4)初期支護(hù)內(nèi)力

地質(zhì)順層偏壓隧道在錨桿工況4(有利側(cè)60°范圍3 m錨桿；不利側(cè)30°范圍2.5 m錨桿)，初期支護(hù)軸力計算結(jié)果如圖9所示。

圖9 非對稱錨桿支護(hù)隧道初期支護(hù)軸力(單位：N)

從圖9看出，地質(zhì)偏壓的存在，導(dǎo)致初期支護(hù)結(jié)構(gòu)非對稱受力，其中左側(cè)主要承受彎矩、軸力較?。挥覀?cè)承受壓力為主。但是整個初期支護(hù)軸力較小，錨桿工況4條件下隧道安全。

綜合圍巖位移、應(yīng)力分布和錨桿軸力分析結(jié)果，從經(jīng)濟和安全的角度出發(fā)，建議工況4的方案(有利側(cè)60°范圍3 m錨桿；不利側(cè)30°范圍2.5 m錨桿)，如圖3b所示。即，φ22藥卷局部錨桿，拱部不利側(cè)60°范圍，長度為3.0 m；有利側(cè)30°范圍，長度為2.5 m，間距為100 cm×120 cm，節(jié)約鋼筋57.6%。

4 結(jié)論

結(jié)合武漢至十堰高速鐵路大坡嶺隧道地質(zhì)順層偏壓的特點，在現(xiàn)場掌子面結(jié)構(gòu)面信息量測的基礎(chǔ)上，開展離散元數(shù)值模擬，分析不同錨桿支護(hù)方案條件下圍巖應(yīng)力分布、非連續(xù)變形。

(1)通過現(xiàn)場量測，獲得大坡嶺隧道傾斜層狀圍巖傾角65°，在隧道開挖后，節(jié)理面從根本上改變了圍巖應(yīng)力分布。各層巖體均相當(dāng)于獨立的處于受彎剪狀態(tài)懸臂梁，抗彎能力不強，容易發(fā)生彎折破壞，使結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生剪切滑移或張開。

(2)順層偏壓隧道受力狀態(tài)與結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀關(guān)系，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力發(fā)生在節(jié)理面附近。從錨桿受力機理看，相當(dāng)于提高結(jié)構(gòu)面的剪切剛度，控制開挖過程中，巖體順節(jié)理面的剪切。

(3)結(jié)合大坡嶺隧道順層偏壓工程特點，進(jìn)行了隧道錨噴支護(hù)參數(shù)優(yōu)化，結(jié)果表明僅保留隧道左側(cè)拱頂60°范圍內(nèi)錨桿(錨桿長度3 m)和右側(cè)30°范圍內(nèi)錨桿(錨桿長度2.5 m)的非對稱支護(hù)模式，雖然相比全斷面均勻支護(hù)形式圍巖變形有少量增加，但最終趨于穩(wěn)定，能夠保證隧道施工期間的穩(wěn)定性，可節(jié)約鋼筋50%以上。

(4)由于地質(zhì)順層偏壓的存在，隧道左側(cè)錨桿軸力值明顯大于右側(cè)，錨桿支護(hù)在拱部偏左，且與節(jié)理面成大角度相交，才能發(fā)揮錨桿的錨固效果，而右側(cè)(有利側(cè))錨桿效果相對較差，錨桿打設(shè)方向盡量與節(jié)理垂直，或大角度相交。