馮志華,胡 剛,羅 仙,王京力

(1.河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 石家莊市 050000;2.云南省楚雄彝族自治州交通工程技術(shù)服務(wù)站 楚雄市 675000;3.云南省楚雄彝族自治州公路工程質(zhì)量監(jiān)督站 楚雄市 675000)

0 引言

云南省屬山地高原地形,有廣泛的沉積巖地層分布,其中砂巖夾泥巖地層由于組成結(jié)構(gòu)特殊、巖性差異大,常常在工程中以不良地質(zhì)構(gòu)造的角色出現(xiàn),稍有不慎就會造成坍塌失穩(wěn)或大變形發(fā)生[1-6]。隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展,泥巖與砂巖組合地層下的一些邊坡工程、隧道工程中出現(xiàn)的工程問題被不斷解決,取得了一定的學(xué)術(shù)進(jìn)展并積累了一些工程經(jīng)驗(yàn)。但泥巖與砂巖組合地層隨著周邊地質(zhì)環(huán)境與成因的不同而千變?nèi)f化,在具體的工程表現(xiàn)出的問題也不盡相同。擬建的云南某高速公路在楚雄彝族自治州境內(nèi)大面積穿越砂巖夾泥巖地層,為合理規(guī)避隧道開挖中的風(fēng)險,依據(jù)既有的勘察資料進(jìn)行不同地層傾斜角度下的砂巖及泥巖開挖數(shù)值分析,以期提前研究得到圍巖受力與變形規(guī)律,為相關(guān)隧道設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 工程背景

云南某擬建高速公路設(shè)計(jì)時速80km/h,隧道建筑限界采用10.25m×5.0m,路線在楚雄彝族自治州內(nèi)大面積穿越砂巖夾泥巖地層,地層組合厚度與傾角不盡相同,但以傾斜狀居多?？辈斐晒@示,路線區(qū)域內(nèi)為侏羅系中統(tǒng)蛇店組(J2s)厚層狀砂巖夾泥巖、侏羅系上統(tǒng)妥甸組(J3t)泥巖夾砂巖、白堊系下統(tǒng)高豐寺組(K1g)、侏羅系上統(tǒng)張河組(J2z)。泥巖屬粘土質(zhì)巖,地勘鉆孔揭示泥巖屬軟巖、極軟巖,地表多風(fēng)化成碎顆粒狀、土狀,遇水易崩解,巖體呈碎裂狀結(jié)構(gòu)、散體狀結(jié)構(gòu),多呈紫紅色。砂巖多呈現(xiàn)紅褐色,多為較堅(jiān)硬巖、堅(jiān)硬巖,主要呈層狀結(jié)構(gòu)、碎裂狀結(jié)構(gòu),局部呈塊狀結(jié)構(gòu)。

2 數(shù)值模型

2.1 模型建立

為全面研究不同傾角砂巖夾泥巖地層下隧道開挖后圍巖的變形與受力特征,對地層傾斜、水平、豎直三種工況進(jìn)行建模分析,建立3種工況如表1所示。

表1 模擬工況表

采用Midas GTS NX建立單幅隧道2D模型進(jìn)行開挖分析,兩車道隧道實(shí)際需要開挖的跨度約13m,考慮邊界效應(yīng),模型水平方向尺寸為90m。以洞口V級圍巖淺埋段施工為例,隧道埋深取40m,整體高度約80m。隧道模擬三臺階法開挖,依次實(shí)現(xiàn)不同臺階開挖并支護(hù),共8步完成,即初始模型(位移清零)→開挖上臺階→上臺階支護(hù)→開挖中臺階→中臺階支護(hù)→開挖下臺階→下臺階支護(hù)→開挖仰拱并支護(hù)。不同工況模型如下圖1～圖4所示。

圖1 工況1傾斜地層隧道模型

圖2 不同工況下整體總位移云圖

2.2 材料參數(shù)

隧道初期支護(hù)采用梁單元模擬,采用C25噴射混凝土,厚度為27cm,鋼架采用I20b工字鋼,縱向間距為0.6m,通過等效剛度理論進(jìn)行計(jì)算,如式(1)所示,取材料均一后的彈性模量進(jìn)行計(jì)算。

(1)

式中:Ec為折算后混凝土彈性模量,單位為GPa;Eo為原混凝土彈性模量,單位為GPa;As為鋼架截面面積,單位為cm2;Es為鋼材彈性模量,單位為GPa;Ac為混凝土截面面積,單位為cm2。

錨桿采用植入式桁架單元模擬,采用D25中空注漿錨桿,長度為4m,縱環(huán)向間距為0.6×0.75m。圍巖材料參數(shù)參照地質(zhì)勘察報(bào)告中成果進(jìn)行取值,各材料參數(shù)具體如表2所示。

表2 計(jì)算模型參數(shù)

2.3 結(jié)果分析

對不同階段的模型進(jìn)行對比分析,提煉隧道施工完成后的圍巖變形狀況、初支結(jié)構(gòu)的彎矩與軸力、錨桿軸力、塑性破壞區(qū)四個指標(biāo)進(jìn)行比對。

2.3.1圍巖變形特征

各工況情況地層總位移如圖3所示。在傾斜巖層下,砂巖夾泥巖的最大變形為3.2mm,且變形具有明顯的單向傾斜性,位移向傾斜方向偏移。工況2最大變形為1.4mm,工況3最大變形為3mm,表明在水平砂巖夾泥巖地層下隧道開挖最為有利。

圖3 不同工況下整體變形云圖

2.3.2初期支護(hù)受力

不同工況下整體變形如圖4所示。工況1支護(hù)結(jié)構(gòu)在傾斜一側(cè)存在明顯的軸力增大區(qū)段,最大軸力分別為1320kN,且呈現(xiàn)非對稱分布,該位置更容易發(fā)生襯砌的開裂與脫落。工況2、工況3最大軸力分別分布在拱腳和拱腰位置,數(shù)值分別為61kN、74kN,遠(yuǎn)小于傾斜地層軸力分布,表明砂巖夾泥巖傾斜地層支護(hù)結(jié)構(gòu)受力增大近一倍。傾斜地層下初期支護(hù)宜加強(qiáng)。

圖4 不同工況下錨桿受力圖

2.3.3錨桿受力

從圖5中可見,錨桿軸力在砂巖夾泥巖不同地層傾角下具有明顯的差異性,軸力在更容易變形的泥巖段往往更大。在傾斜地層工況下,傾斜側(cè)(左側(cè))錨桿受力普遍較非傾斜側(cè)高,表明向傾斜側(cè)加密錨桿具有實(shí)際作用,傾斜側(cè)泥巖層軸力多以30kN為代表。工況2表明,在水平地層分布下,錨桿呈現(xiàn)頂部受拉、下部受壓的基本規(guī)律,最大軸力僅7kN。工況3地層在垂直分布情況下,頂部錨桿受力小于拱腰處錨桿受力,最大軸力在30kN左右,整體受力介于工況1與工況2之間。

圖5 不同工況下塑性破壞區(qū)分布

2.3.4塑性破壞區(qū)

圍巖塑性區(qū)的分布可用來判別圍巖強(qiáng)度破壞區(qū)分布,從而判斷主要的受力不利區(qū)域。不同工況塑性區(qū)分布如下圖5所示,傾斜地層下隧道在兩側(cè)拱墻周邊接觸的泥巖層為圍巖塑性區(qū)分布帶,水平地層情況下圍巖沒有破壞區(qū)域,最安全,未展示;豎直地層情況下,隧道僅在拱腰位置與拱腳位置處存在塑性區(qū)。

3 工程案例

(1)案例1[5]:玉磨鐵路會崗山隧道位于云南省西雙版納州, 隧道長8903m,最大埋深360m,地層為強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化泥巖夾砂巖,圍巖破碎、局部較破碎,巖質(zhì)軟 ,呈明顯層狀分布,掌局部滲水, Ⅳ、Ⅴ級圍巖占比達(dá)70%。隧道在洞口段埋深40m左右處發(fā)生大變形,造成初支侵限,侵限厚度為12.7～28.6cm。

(2)案例2[4]:鄭萬高鐵重慶段某隧道,最大開挖跨度達(dá)15 m,穿越長距離順層段落,巖性以泥巖夾砂巖為主, 施工中出現(xiàn)初支開裂、大變形、侵限問題,順層傾斜巖層下隧道大變形具有明顯的非對稱性,且順層一側(cè)圍巖壓力明顯大于另一側(cè)。

(3)案例3[2,6]:由泥、砂巖互層或厚層砂巖夾泥巖等形成的類似“夾心餅干”的軟硬互層近水平層狀結(jié)構(gòu)邊坡,是三峽庫區(qū)分布較為廣泛的一種結(jié)構(gòu)類型邊坡。泥巖更容易風(fēng)化、遇水軟化,使得砂巖層失去支撐而崩塌滑落,造成了三峽庫區(qū)最為常見的一種地質(zhì)災(zāi)害。

以上三個工程案例均為泥巖與砂巖地層組合地質(zhì)情況下的典型工程地質(zhì)問題,共同規(guī)律有以下幾點(diǎn):

(1)傾斜砂巖層與泥巖層組合情況下,隧道更容易發(fā)生單側(cè)偏壓及單側(cè)大變形;

(2)由于泥巖力學(xué)指標(biāo)低、開挖后易風(fēng)化,其在地層中先行破壞,改變了砂巖地層的穩(wěn)定條件造成其隨屬破壞;

(3)隧道開挖后需及時封閉圍巖,避免泥巖與空氣、水汽接觸后發(fā)生風(fēng)化崩解。

實(shí)際工程中,砂巖與泥巖組合地層可能受到其他地質(zhì)環(huán)境因素的影響成為不良地質(zhì),總結(jié)如表3所示。

表3 砂巖與泥巖地層在不利地質(zhì)環(huán)境下的特征一覽表

4 結(jié)論

基于云南某擬建的高速隧道工程的地質(zhì)情況為依托,開展了Midas NX 有限元建模分析,通過對包含三種地層傾角工況數(shù)值分析及既有工程案例對比,得到主要結(jié)論如下:

(1)與地層豎直分布及水平分布相比,傾斜地層下砂巖夾泥巖地層整體圍巖變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力均更大,塑性區(qū)分布也更廣,隧道圍巖穩(wěn)定性相對更差。水平地層分布最為穩(wěn)定,豎直地層分布較水平地層分布稍差。

(2)水平層狀砂巖夾泥巖地層更容易形成承載拱,相應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)受力、圍巖變形、塑性區(qū)域均較小。地層豎直分布時拱腰及拱腳為主要的不穩(wěn)定區(qū)域。因此,傾斜地層下初期支護(hù)在常規(guī)措施上宜加強(qiáng)。

(3)從錨桿軸力分布、塑性區(qū)分布可知,泥巖地層為主要的不穩(wěn)定地質(zhì)體,受力后更容易發(fā)生破壞,發(fā)生掉塊或持續(xù)變形等問題,并可導(dǎo)致砂巖隨屬破壞。

(4)不同地層傾斜角度下,錨桿與地層垂直時均受力最大,泥巖段軸力明顯大于砂巖段。因此,建議傾斜地層下錨桿與層理垂直,并進(jìn)行有針對性加密加強(qiáng)。

(5)對國內(nèi)類似工程案例總結(jié)表明,實(shí)際工程案例中呈現(xiàn)的地層特征與數(shù)值分析結(jié)論基本吻合。砂巖與泥巖組合地層多是在傾斜下出現(xiàn)失穩(wěn)、大變形,采用及時封閉圍巖、加強(qiáng)初期支護(hù)、錨桿與層面垂直等措施具有顯著效果。