砂岩夹泥岩地层隧道围岩稳定性分析及支护对策研究

冯志华,胡 刚,罗 仙,王京力

(1.河北省交通规划设计研究院有限公司 石家庄市 050000;2.云南省楚雄彝族自治州交通工程技术服务站 楚雄市 675000;3.云南省楚雄彝族自治州公路工程质量监督站 楚雄市 675000)

0 引言

云南省属山地高原地形,有广泛的沉积岩地层分布,其中砂岩夹泥岩地层由于组成结构特殊、岩性差异大,常常在工程中以不良地质构造的角色出现,稍有不慎就会造成坍塌失稳或大变形发生[1-6]。随着我国基础设施建设的快速发展,泥岩与砂岩组合地层下的一些边坡工程、隧道工程中出现的工程问题被不断解决,取得了一定的学术进展并积累了一些工程经验。但泥岩与砂岩组合地层随着周边地质环境与成因的不同而千变万化,在具体的工程表现出的问题也不尽相同。拟建的云南某高速公路在楚雄彝族自治州境内大面积穿越砂岩夹泥岩地层,为合理规避隧道开挖中的风险,依据既有的勘察资料进行不同地层倾斜角度下的砂岩及泥岩开挖数值分析,以期提前研究得到围岩受力与变形规律,为相关隧道设计与施工提供参考。

1 工程背景

云南某拟建高速公路设计时速80km/h,隧道建筑限界采用10.25m×5.0m,路线在楚雄彝族自治州内大面积穿越砂岩夹泥岩地层,地层组合厚度与倾角不尽相同,但以倾斜状居多。勘察成果显示,路线区域内为侏罗系中统蛇店组(J2s)厚层状砂岩夹泥岩、侏罗系上统妥甸组(J3t)泥岩夹砂岩、白垩系下统高丰寺组(K1g)、侏罗系上统张河组(J2z)。泥岩属粘土质岩,地勘钻孔揭示泥岩属软岩、极软岩,地表多风化成碎颗粒状、土状,遇水易崩解,岩体呈碎裂状结构、散体状结构,多呈紫红色。砂岩多呈现红褐色,多为较坚硬岩、坚硬岩,主要呈层状结构、碎裂状结构,局部呈块状结构。

2 数值模型

2.1 模型建立

为全面研究不同倾角砂岩夹泥岩地层下隧道开挖后围岩的变形与受力特征,对地层倾斜、水平、竖直三种工况进行建模分析,建立3种工况如表1所示。

表1 模拟工况表

采用Midas GTS NX建立单幅隧道2D模型进行开挖分析,两车道隧道实际需要开挖的跨度约13m,考虑边界效应,模型水平方向尺寸为90m。以洞口V级围岩浅埋段施工为例,隧道埋深取40m,整体高度约80m。隧道模拟三台阶法开挖,依次实现不同台阶开挖并支护,共8步完成,即初始模型(位移清零)→开挖上台阶→上台阶支护→开挖中台阶→中台阶支护→开挖下台阶→下台阶支护→开挖仰拱并支护。不同工况模型如下图1～图4所示。

图1 工况1倾斜地层隧道模型

图2 不同工况下整体总位移云图

2.2 材料参数

隧道初期支护采用梁单元模拟,采用C25喷射混凝土,厚度为27cm,钢架采用I20b工字钢,纵向间距为0.6m,通过等效刚度理论进行计算,如式(1)所示,取材料均一后的弹性模量进行计算。

(1)

式中:Ec为折算后混凝土弹性模量,单位为GPa;Eo为原混凝土弹性模量,单位为GPa;As为钢架截面面积,单位为cm2;Es为钢材弹性模量,单位为GPa;Ac为混凝土截面面积,单位为cm2。

锚杆采用植入式桁架单元模拟,采用D25中空注浆锚杆,长度为4m,纵环向间距为0.6×0.75m。围岩材料参数参照地质勘察报告中成果进行取值,各材料参数具体如表2所示。

表2 计算模型参数

2.3 结果分析

对不同阶段的模型进行对比分析,提炼隧道施工完成后的围岩变形状况、初支结构的弯矩与轴力、锚杆轴力、塑性破坏区四个指标进行比对。

2.3.1围岩变形特征

各工况情况地层总位移如图3所示。在倾斜岩层下,砂岩夹泥岩的最大变形为3.2mm,且变形具有明显的单向倾斜性,位移向倾斜方向偏移。工况2最大变形为1.4mm,工况3最大变形为3mm,表明在水平砂岩夹泥岩地层下隧道开挖最为有利。

图3 不同工况下整体变形云图

2.3.2初期支护受力

不同工况下整体变形如图4所示。工况1支护结构在倾斜一侧存在明显的轴力增大区段,最大轴力分别为1320kN,且呈现非对称分布,该位置更容易发生衬砌的开裂与脱落。工况2、工况3最大轴力分别分布在拱脚和拱腰位置,数值分别为61kN、74kN,远小于倾斜地层轴力分布,表明砂岩夹泥岩倾斜地层支护结构受力增大近一倍。倾斜地层下初期支护宜加强。

图4 不同工况下锚杆受力图

2.3.3锚杆受力

从图5中可见,锚杆轴力在砂岩夹泥岩不同地层倾角下具有明显的差异性,轴力在更容易变形的泥岩段往往更大。在倾斜地层工况下,倾斜侧(左侧)锚杆受力普遍较非倾斜侧高,表明向倾斜侧加密锚杆具有实际作用,倾斜侧泥岩层轴力多以30kN为代表。工况2表明,在水平地层分布下,锚杆呈现顶部受拉、下部受压的基本规律,最大轴力仅7kN。工况3地层在垂直分布情况下,顶部锚杆受力小于拱腰处锚杆受力,最大轴力在30kN左右,整体受力介于工况1与工况2之间。

图5 不同工况下塑性破坏区分布

2.3.4塑性破坏区

围岩塑性区的分布可用来判别围岩强度破坏区分布,从而判断主要的受力不利区域。不同工况塑性区分布如下图5所示,倾斜地层下隧道在两侧拱墙周边接触的泥岩层为围岩塑性区分布带,水平地层情况下围岩没有破坏区域,最安全,未展示;竖直地层情况下,隧道仅在拱腰位置与拱脚位置处存在塑性区。

3 工程案例

(1)案例1[5]:玉磨铁路会岗山隧道位于云南省西双版纳州, 隧道长8903m,最大埋深360m,地层为强风化～中风化泥岩夹砂岩,围岩破碎、局部较破碎,岩质软 ,呈明显层状分布,掌局部渗水, Ⅳ、Ⅴ级围岩占比达70%。隧道在洞口段埋深40m左右处发生大变形,造成初支侵限,侵限厚度为12.7～28.6cm。

(2)案例2[4]:郑万高铁重庆段某隧道,最大开挖跨度达15 m,穿越长距离顺层段落,岩性以泥岩夹砂岩为主, 施工中出现初支开裂、大变形、侵限问题,顺层倾斜岩层下隧道大变形具有明显的非对称性,且顺层一侧围岩压力明显大于另一侧。

(3)案例3[2,6]:由泥、砂岩互层或厚层砂岩夹泥岩等形成的类似“夹心饼干”的软硬互层近水平层状结构边坡,是三峡库区分布较为广泛的一种结构类型边坡。泥岩更容易风化、遇水软化,使得砂岩层失去支撑而崩塌滑落,造成了三峡库区最为常见的一种地质灾害。

以上三个工程案例均为泥岩与砂岩地层组合地质情况下的典型工程地质问题,共同规律有以下几点:

(1)倾斜砂岩层与泥岩层组合情况下,隧道更容易发生单侧偏压及单侧大变形;

(2)由于泥岩力学指标低、开挖后易风化,其在地层中先行破坏,改变了砂岩地层的稳定条件造成其随属破坏;

(3)隧道开挖后需及时封闭围岩,避免泥岩与空气、水汽接触后发生风化崩解。

实际工程中,砂岩与泥岩组合地层可能受到其他地质环境因素的影响成为不良地质,总结如表3所示。

表3 砂岩与泥岩地层在不利地质环境下的特征一览表

4 结论

基于云南某拟建的高速隧道工程的地质情况为依托,开展了Midas NX 有限元建模分析,通过对包含三种地层倾角工况数值分析及既有工程案例对比,得到主要结论如下:

(1)与地层竖直分布及水平分布相比,倾斜地层下砂岩夹泥岩地层整体围岩变形、支护结构受力均更大,塑性区分布也更广,隧道围岩稳定性相对更差。水平地层分布最为稳定,竖直地层分布较水平地层分布稍差。

(2)水平层状砂岩夹泥岩地层更容易形成承载拱,相应的支护结构受力、围岩变形、塑性区域均较小。地层竖直分布时拱腰及拱脚为主要的不稳定区域。因此,倾斜地层下初期支护在常规措施上宜加强。

(3)从锚杆轴力分布、塑性区分布可知,泥岩地层为主要的不稳定地质体,受力后更容易发生破坏,发生掉块或持续变形等问题,并可导致砂岩随属破坏。

(4)不同地层倾斜角度下,锚杆与地层垂直时均受力最大,泥岩段轴力明显大于砂岩段。因此,建议倾斜地层下锚杆与层理垂直,并进行有针对性加密加强。

(5)对国内类似工程案例总结表明,实际工程案例中呈现的地层特征与数值分析结论基本吻合。砂岩与泥岩组合地层多是在倾斜下出现失稳、大变形,采用及时封闭围岩、加强初期支护、锚杆与层面垂直等措施具有显著效果。